[发明专利]一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法

权利要求书

1.一种用于多种频率的电流检测装置，其特征在于包括悬臂梁(1)、永磁体(2)、微换能器(3)、质量块(4)、封装(5)、端盖(6)、锁紧机构(7)、电路部分(9)；其中端盖(6)前侧壁的底部设有第一半圆孔(601)，端盖(6)顶端两侧分别设有螺纹孔，封装(5)前侧壁的顶部设有第二半圆孔(501)，端盖(6)固定在封装(5)上，将封装(5)盖合，且使得第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成圆形通孔；封装(5)左侧壁内设有通孔(502)，封装(5)左侧壁内侧设有方形凹槽(503)，且通孔(502)与方形凹槽(503)连通，方形凹槽(503)下方的封装(5)左侧壁内侧设有长条形凹槽(504)，悬臂梁(1)一端固定在封装(5)内部的长条形凹槽(504)内，且悬臂梁(1)的上表面固定有微换能器(3)、永磁体(2)和质量块(4)，电路部分(9)固定在封装(5)的内表面；

所述锁紧机构(7)包括手柄(701)、压线板(702)、限位柱(703)、锁紧螺帽(704)，其中限位柱(703)位于通孔(502)和方形凹槽(503)内，压线板(702)位于封装(5)内，且压线板(702)的一端穿入方形凹槽(503)并贴合在限位柱(703)上方，手柄(701)依次旋入端盖(6)顶端左侧的螺纹孔、封装(5)上的通孔(502)、压线板(702)和限位柱(703)，再穿出限位柱(703)并通过通孔(502)从封装(5)底部伸出，在封装(5)底部通过锁紧螺帽(704)实现手柄(701)的紧固。

2.根据权利要求1所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的悬臂梁(1)为直线型、弯折型、一维变截面型、U型或T型。

3.根据权利要求2所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的悬臂梁(1)为层合结构，多层依次罗列放置，每一层均包括两片基板(101)和一片压电层(102)，其中每两片基板(101)之间设有一片压电层(102)，且压电层(102)之间串联连接；基板(101)和压电层(102)的数目关系为：压电层(102)的数目为n，基板(101)的数目为n+1，悬臂梁(1)的总层数为2n+1。

4.根据权利要求3所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述微换能器(3)包括从上到下依次连接的上电极(301)、压电薄膜(302)和下电极(303)，压电薄膜(302)的材料为石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料。

5.根据权利要求4所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的永磁体(2)为正方体、长方体或圆柱体，且永磁体(2)设置在第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔下方。

6.根据权利要求5所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的质量块(4)为正方体、长方体或圆柱体，能够安置在悬臂梁(1)的任意位置。

7.根据权利要求6所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述电路部分(9)包括主处理器，储能电路，信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口和报警电路；其中，其中计数器电路和信号采样电路用于接收微换能器(3)的电压输出，计数器电路和信号采样电路分别与主处理器连接，主处理器同时分别与通信电路与接口以及报警电路连接，储能电路用于接收悬臂梁(1)上压电层(102)的电压输出，同时分别与信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口，报警电路连接。

8.一种用于多种交流频率的电流检测装置的电流检测方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一，对电流检测装置的各阶模态频率进行标定：

电流检测装置的各阶模态频率为其中，k_n和m_n分别为装置的各阶等效质量和等效刚度；

在电流检测装置的各阶模态频率ω_n附近，以(0).(8)ω_n到(1).(5)ω_n的频率范围，通过微换能器(3)的电极输入扫频信号进行升频扫描，激励加速度为a_d cosχt；通过调整质量块(4)在悬臂梁(1)上的位置，使电流检测装置的各阶模态频率与待测电流的预估频率范围相同；

步骤二，根据具体工作条件，确定被测电缆的芯数；

步骤三，被测电缆通过第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔接入电流检测装置内，将端盖(6)与封装(5)扣合；旋转锁紧机构(7)的手柄(701)，使锁紧机构(7)的压线板(702)逐渐向被测电缆端靠近，直到压线板(702)与被测电缆接触；再将定位螺栓(8)通过端盖(6)右端的螺纹孔旋入，完成被测电缆的固定；

步骤四，当被测电缆中有电流通过时，电流产生的磁场使永磁体(2)受力，悬臂梁(1)随之振动，微换能器(3)的输出电压随之改变，经过电路部分(9)的输出电压与被测电缆中通过的被测电流幅值呈线性关系；

步骤五，以第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔的圆心所在垂直于封装(5)前侧壁的直线为轴，转动封装(5)，直到电路部分(9)的输出电压U_out达到最大，此时被测电缆中电流的幅值I₍₀₎按下式计算：

I₀＝K_SU_out

其中交流电缆K_s：

其中，k₁为悬臂梁(1)中主梁的刚度，C^S为微换能器(3)的固有电容，θ为微换能器(3)的机电耦合系数，μ为悬臂梁(1)的主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω₁，ω为被测电流的角频率，ω₁为悬臂梁(1)的一阶模态频率，ζ₁和ζ₂为悬臂梁(3)的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁(3)的一二阶模态频率之比，μ为真空磁导率，B_r为永磁体(2)的剩余磁通量，V为永磁体(2)的体积，以通过永磁体(2)质心并垂直于永磁体(2)上表面的直线为z轴、以通过永磁体(2)质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，x_i、z_i为电路部分(9)的输出电压U_out最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆零线与火线芯数，t为时间，φ_i为被测电缆内部第i芯的初相位。