基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感器研究*

吴 宇,杨爱超,欧正宇,鲁彩江*,周 海,朱忍忍,高宏力

(1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院,南昌 330006;2.西南交通大学机械工程学院 机电测控系,成都 610036)

目前,利用磁场检测为原理的非接触式电流传感器包括超导量子干涉设备(SQUID),霍尔器件和巨磁阻(GMR)元件等,但其中大多数都需要外部电源供电[1-2]。根据安培定律,在交流或直流载流导线周围会激发出交流或直流涡流磁场,通过耦合涡流磁场,磁电传感器可以用作电流传感器[3-4]。与其他磁场传感器相比,由压电材料和磁致伸缩层组成的磁电层合传感器由于其在室温下磁场测量的高灵敏度和低成本而受到越来越多的研究关注[5-6]。目前已经开发了许多基于磁电层合材料的磁场传感器来测量交流、直流或脉冲磁场。这些传感器的线性响应具有大的动态范围,并且受益于谐振增强,能在谐振频率时具有较高的磁电系数。并且,将磁能转换为电信号的磁电层合型电流传感器不需要外部电源供电[7-10]。

2004年,Dong等人设计一种环形磁电层合材料Terfenol-D/PZT/Terfenol-D用于检测环形磁场,磁场灵敏度高达10-9T;当磁场10-9T

先前的研究表明,磁电传感器的灵敏度强烈依赖于直流偏置磁场[4-13]。通常,当施加偏置磁场时,磁电层合材料的磁电系数先随着偏置磁场的增加而增加,在达到最大值之后下降。因此,存在最优的偏置磁场使磁电系数最大。Leung等人开发了一种环形电流传感器,该传感器由环形压电陶瓷、Terfenol-D、钕铁硼(NdFeB)构成,钕铁硼磁体用来满足偏置磁场的需求,在频率范围1 Hz～30 kHz内,传感器灵敏度大约为12.6 mV/A[15]。另外,2013年,厦门大学Shi等人设计了一种特殊磁路结构,并与磁电材料 Ni/PZT/Ni 进行层合,进而提出了一种偏置磁场可调的电流传感器,该传感器用于检测工频电流时,灵敏度为0.042 mV/A[16]。

虽然用钕铁硼磁体来提供偏置磁场的方法能够提高传感器的灵敏度,但是依旧存在一些缺点,例如钕铁硼等磁体的安装明显增加了传感器的体积,产生的偏置磁场可能对载流电线和邻近的传感器造成干扰,增加噪声源。另外,先前对磁电层合电流传感器的研究表明,谐振状态下的传感器灵敏度远大于非谐振状态[17]。因此,可以通过在层合材料上添加质量块,用改变质量块质量或位置的方式来到达传感器最优谐振频率,获得更大的传感器灵敏度。

因此,针对现有磁电式电流传感器体积较大、灵敏度不高的问题,本文提出了一种基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感器,该传感器核心敏感元件是SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT磁电层合材料,采用悬臂梁质量块结构实现谐振频率可调节的自供电高灵敏度电流传感器,它具有大的零偏响应和频率可调的特点,可以用于载流导线的交流电流测量。

1 传感器结构

图1中标出了SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合材料中各组分的相对位置。压电材料为PZT-5(15 mm×6 mm×0.2 mm),沿厚度方向极化。磁致伸缩箔FeCuNbSiB(40 mm×6 mm×0.03 mm,由佛山市华信微晶金属有限公司生产,国际标准1K101)具有约10,000的相对磁导率(f=1 kHz),和～6.4 A/m的低矫顽力和～2.7×10-6的弱饱和磁致伸缩系数,并沿长度方向磁化。SrFe12O19(SFO)带(40 mm×6 mm×0.7 mm)具有大约 2 kOe 的大矫顽磁场,并且沿着它们纵向的预磁化。使用环氧树脂粘合剂将SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合材料粘合在一起。测试的载流导线为铜芯,直径为1.8 mm,铜芯外的绝缘层厚度为0.8 mm,被测载流导线位于磁电层合材料之下。

在外磁场作用下,FeCuNbSiB中的磁矩会从易磁化轴向外磁场的方向旋转。SFO薄带为磁致伸缩FeCuNbSiB箔片提供了所需的偏置磁场,这可以增加磁矩重新定向,使FeCuNbSiB产生磁致伸缩,进而对PZT板施加应力。由于压电效应,在PZT板的两个电极上能够产生输出电压。

图1 电流传感器的示意图

图2 电流测试系统原理图

2 实验设置

电流测试系统的原理图如图2所示。信号发生器(Tektronix AFG3021B)产生一个小的交流信号,并输入功率放大器(200W,放大倍数为15.2)。功率放大器的输出端串联一个5.1 Ω电阻和被测载流导线。通过信号发生器,可以产生具有不同频率和大小的交流电流信号。施加的直流偏置磁场(Hdc)由一对钕永磁体(NbFeB)产生。由高斯计测量,通过调整两个NbFeB磁体的距离实现了直流偏置磁场从-100 Oe到100 Oe的不同值。传感器的输出电压由示波器(TektronixModel TDS2012B)和锁定放大器(SR-850)检测。锁定放大器的信噪比常数SNR=10。在实际应用中,可以使用微型锁定放大器模块来提高SFP的信噪比。

3 实验结果和分析

图3显示了当Hdc=14 Oe和载流导线电流为1 A时,使用FeCuNbSiB/PZT层合材料的电流传感器在电流频率为255 Hz～285 Hz的范围内的测量输出电压Vout。

图3 当Hdc=14 Oe和载流导线电流为1 A时,FeCuNbSiB/PZT层合材料在电流频率为255 Hz～285 Hz的范围内的测量输出电压Vout

图4 添加0.7 mm SFO带与否下的FeCuNbSiB/PZT谐振输出电压Vr随Hdc的变化结果

在272 Hz处观察到由于到达谐振频率,输出电压Vout达到最高224 mV。图4显示了在导线电流为1 A,添加0.7 mm厚度SFO带下的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT与没有添加SFO带的FeCuNbSiB/PZT层合材料的谐振输出电压Vr随直流偏置磁场Hdc的变化结果。通过图中可以发现,在FeCuNbSiB/PZT层合材料中,添加合适厚度的SFO带,偏置磁场为0 Oe时,可获得较大的输出电压。

因为SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合材料中磁致伸缩层FeCuNbSiB获得的有效偏磁场Hin是Hs(来自SFO)和Hdc(来自NbFeB)的组合,因此上述现象可归因于SrFe12O19带厚度增加带来的磁场Hs增加。当仅有FeCuNbSiB/PZT层合物,Vr值在零偏置磁场下为5 mV,在最优偏置磁场为14 Oe下为224 mV。当FeCuNbSiB/PZT层合材料添加0.7 mm的SrFe12O19带时,观察到最大的零偏电压Vo,r为199.36 mV。虽然与没有SrFe12O19带的FeCuNbSiB/PZT层合材料最优偏置磁场输出电压224 mV相比减少了11%。但是添加SFO带后可以无需提供额外的偏置磁场,在Hdc=0 Oe的相同条件下添加SFO带后的谐振输出电压199.36 mV相比没有添加SFO带的谐振输出电压5 mV增加了近40倍,这一特性可以很大程度上减少的传感器的体积。

通过上述实验,可以发现,在无需外部直流偏置磁场时,添加0.7 mm SrFe12O19带的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合材料具有较大的输出电压。因此,使用SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合材料来测量50 Hz的交流电是比较合适的。

通过对传感器的层合材料添加质量块可以调整传感器最优谐振频率达到被测电流的频率。对于在层合悬臂结构自由端添加质量块的传感器,其谐振频率可以由下式得出[18]。

(1)

式中:Y是层合悬臂结构的杨氏模量,w,t和l分别是悬臂的宽度、厚度和长度,Mq是自由端质量块的质量(对于没有质量块的层合悬臂结构,Mq=0),mc是层合悬臂结构的质量。可以通过调节质量块来调整结构共振频率。通过公式可以看出,随着Mq的增加,fr单调减小。在实际的实验中,通过对SrFe12O19带厚度为0.7 mm的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT层合结构的自由端添加3.4 g质量块,共振频率调整到了接近50 Hz(中国的电力线路频率)。

图5展示了在550 时间范围内,SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT电流传感器的感应输出电压在调整输入电流幅值情况下的阶跃变化,用以检验电流传感器对50 Hz电流的小变化响应分辨率,直流偏置磁场被设定为0 Oe。实验中,将SrFe12O19/CuNbNbSiB/PZT传感器置于磁屏蔽室中,以减少环境噪声的暴露。载流导线电流I=0.4 A,频率为f=50 Hz。然后通过锁定放大器测量PZT压电材料上的感应输出电压用以检验电流的微小变化。在所有这些测量中,信噪比恒定保持在SNR=10(SR-850锁定放大器)。

图5 50 Hz电流小幅值变化下输出电压响应情况

从图5中可以看出,电流信号变化小到I=0.01 A,传感器仍然可以检测。这表明,SrFe12O19/CuNbBSiB/PZT传感器对50 Hz的小电流变化具有超高分辨率。

另外还对50 Hz频率下不同幅值电流进行了测试,输出谐振电压Vr结果如表1所示。

表1 50 Hz频率下不同幅值电流测量结果

图6为在载流导线频率为50 Hz时,电流范围0.01 A～5.00 A下SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT传感器的谐振输出电压特性图。采用最小二乘法线性拟合,其最大偏差ΔLmax=5.8 mV,根据最大偏差与输出满量程值之比可得出线性度为±0.58%,从图6中可以直观看出,输出电压与电流有很好的近似线性的关系。根据线性拟合分析,电流灵敏度S(拟合直线的斜率)为198.91 mV/A。实验结果表明该传感器具有很高的检测灵敏度,可以检测的电流小至0.01 A。

图6 谐振电压输出特性

4 结论

本文针对现有磁电式电流传感器存在的问题,提出了一种基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感器,核心是采用SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT磁电层合材料,具有大矫顽场的硬磁材料SrFe12O19薄带能够提供偏置磁场作用于磁致伸缩材料FeCuNbSiB层,用以增加FeCuNbSiB层的磁矩重定向。

文中搭建了整个电流测试系统,并进行了实验,实验结果表明,该电流传感器具有非常好的灵敏度(198.91 mV/A)、线性度(±0.58%)和分辨率(可监测电流小至0.01 A)。并且具有大的零偏响应,无需额外的偏置磁场减少了传感器体积,另外采用的悬臂梁添加质量块结构可实现谐振频率的调节。因此所提出的新型电流传感器具有非常大的潜力用于电力电缆中的电流监测。