盧詩華 于歆杰 樓國鋒

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)電機(jī)系) 北京 100084)

一種基于磁電層合材料的新結(jié)構(gòu)大電流傳感器

盧詩華 于歆杰 樓國鋒

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)電機(jī)系) 北京 100084)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新結(jié)構(gòu)的大電流傳感器，其核心是由PZT壓電材料和Terfenol-D磁致伸縮材料構(gòu)成的圓片形磁電層合材料，配合鐵氧體磁環(huán)，可較準(zhǔn)確地測量幾安到幾百安范圍內(nèi)的工頻電流。該電流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有無需直接接入主電路、無需額外提供電源的優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)裝卸，便于安裝和維護(hù)。試驗(yàn)測試得到該電流傳感器的電流測量靈敏度為0.058 5 V/A，并具有一定的可靠性。這種新型的大電流傳感器具有繼續(xù)研究的價(jià)值和應(yīng)用潛力。

磁電效應(yīng) 磁電層合材料 大電流傳感器

0 引言

磁電效應(yīng)是材料在外磁場作用下產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，或是反之在外電場作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)磁化的現(xiàn)象[1-3]。具有磁電效應(yīng)的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)電場與磁場間的轉(zhuǎn)換，被稱為磁電材料。磁電材料包括單相和多相材料。單相磁電材料，如BiFeO3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Cr2O3等，對溫度要求高，且磁電耦合系數(shù)不高，因此獲得的關(guān)注較少。多相復(fù)合磁電材料通常由具有壓電效應(yīng)的鐵電相材料與具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁相材料構(gòu)成，兩者的乘積效應(yīng)即體現(xiàn)為磁電效應(yīng)[1-7]。

在多種復(fù)合材料中，磁電層合材料具有制備簡單、磁電耦合系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了廣泛關(guān)注。磁電層合材料由若干層磁致伸縮材料與壓電材料粘合組成，其中磁致伸縮材料在交變磁場中會(huì)產(chǎn)生形變，并通過層間的機(jī)械耦合作用將這一形變傳遞至壓電層，從而使壓電層產(chǎn)生電極化，完成從磁場到電場的轉(zhuǎn)換[2-4，6]。因此，磁電層合材料在無線能量傳輸、電流檢測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

在電流檢測領(lǐng)域，最為常見的兩種手段是采用互感線圈或霍爾電流傳感器，然而它們各自都存在一些不足之處：互感器必須事先接入電路，當(dāng)需要臨時(shí)測量工作中的主電路時(shí)，必須先斷開主電路，待互感器接入主電路后再恢復(fù)工作，不利于安裝和維護(hù)；霍爾電流傳感器是有源器件，工作時(shí)要求外電源為其提供恒定的直流電流。而對于磁電層合材料來說，當(dāng)其作為電流傳感器時(shí)本質(zhì)上測量的是待測電流的磁場，且無需外部電源供電，在電路上可等效成無源二端流控電壓源，因而不存在以上問題[8-10]。

近年來，利用磁電層合材料制作電流傳感器的研究發(fā)展十分迅速。2004年到2005年，董蜀湘等制作并改進(jìn)了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁電層合材料，可作為電流傳感器[8，9]。該傳感器的直徑為8 mm，厚度為7.5 mm，在10-8～10-4A范圍內(nèi)有0.7 mV/mA的測量靈敏度。2010年，香港理工大學(xué)的C.M.Leung等設(shè)計(jì)了一種用于交流電流檢測的環(huán)形磁電層合材料，其直徑為12.5 mm，厚度為7.5 mm，在0.01～1 A范圍內(nèi)有12.6 mV/A的測量靈敏度[10]。2012年，重慶大學(xué)的文玉梅等將長片型磁電層合材料嵌入精密加工的納米晶磁環(huán)，制成的電流傳感器長30 mm、寬20 mm、厚5 mm，在0.01～150 A電流范圍內(nèi)有46.2 mV/A的測量靈敏度[11]。2013年，本實(shí)驗(yàn)室的于歆杰、文超等采用長片型磁電層合材料設(shè)計(jì)并制成了一種小電流檢測裝置[12]，長30 mm、寬8 mm、厚2.4 mm，將載流導(dǎo)線繞制于套筒之上，可以測量30 Hz～1 kHz、毫安至安培級別的電流，具有容易安裝維護(hù)的特點(diǎn)。河北工業(yè)大學(xué)的李淑英、張納等此前對這類三層長片型磁電傳感器也有相關(guān)理論推導(dǎo)[13，14]。

在這些研究中，制成的磁電層合電流傳感器雖然都能夠完成電流檢測任務(wù)，但絕大部分僅限在小電流領(lǐng)域，或是為了能夠測量較大的電流而犧牲了輸入電流與輸出電壓波形的頻率一致性；另外由于結(jié)構(gòu)的原因，在傳感器安裝和拆卸時(shí)必須先斷開主電路，并使之穿過環(huán)心后重新通電才能進(jìn)行檢測，因而在實(shí)際使用上存在一些不便。

本文在電流傳感器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案中著眼于大電流檢測，并充分考慮了便于安裝維護(hù)的要求。本文提出的基于磁電層合材料的大電流傳感器能夠有效測量幾安到幾百安級別的交流電流，并在安裝和維護(hù)的便利性上有一定的優(yōu)勢。

1 大電流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的大電流傳感器主要由兩部分構(gòu)成：①圓片形磁電層合材料。該材料為三層結(jié)構(gòu)，以M(磁致伸縮層)-P(壓電層)-M順序依次粘合，如圖1a所示。磁電層合材料工作在T-T模式下[13]：在合適的直流偏磁條件下，M層受外界沿厚度方向的交變磁場激發(fā)，會(huì)因磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生徑向的、與交變磁場同頻率的形變，這一形變通過機(jī)械連接傳遞至P層，使之由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生沿厚度方向的電極化，體現(xiàn)為厚度方向上的同頻率電壓。因此，它可以將待測電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而間接地給出待測電流的頻率、幅值等信息，完成電流檢測任務(wù)。②帶氣隙的鐵氧體磁環(huán)。鐵氧體磁環(huán)用于提供一個(gè)相對閉合的磁路，使待測電流產(chǎn)生的磁場能夠通過該磁路作用于磁電層合材料上，并對外界的雜散磁場起屏蔽作用。此外，為使磁致伸縮材料能夠獲得較大的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)[4，8-10]，提高電流測量靈敏度，還需在磁電層合材料的磁化方向上加入一對永磁體來提供直流磁場偏置。整個(gè)傳感器如圖1b所示，其中硬質(zhì)紙片僅起承托作用。

圖1 磁電層合材料和大電流傳感器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Thestructure schematic of the magnetoelectric laminate and the high-current sensor

需要注意，在磁環(huán)氣隙中的硬質(zhì)紙片-永磁體-磁電層合材料是一個(gè)整體的測量模塊，且可以從氣隙中取出。在測量電流時(shí)可以先讓載流導(dǎo)線從磁環(huán)氣隙中穿入，再將測量模塊置入氣隙。這樣，在使用該電流傳感器時(shí)無需改變待測線路的拓?fù)?，可以隨時(shí)裝卸，便于裝置的安裝和維護(hù)。

對于磁致伸縮層(M層)和壓電層(P層)材料的選擇，本文采用了在同類材料中性能相對優(yōu)秀的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料和PZT壓電陶瓷片[4，15]。使用環(huán)氧樹脂將材料按M-P-M順序依次層合粘合并烘烤一段時(shí)間，待環(huán)氧樹脂固化后，采用導(dǎo)電銀膠在磁電層合材料上下表面引出導(dǎo)線。由于Terfenol-D為電的良導(dǎo)體，因此從層合材料上下表面引出的輸出電壓即為PZT電極化產(chǎn)生的電位差。

直流偏置磁場可以改變磁致伸縮材料的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)，從而改變磁電層合材料的電流測量靈敏度。為確定合適的直流偏置磁場，以獲得較大的電流測量靈敏度，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。

將載有峰峰值為1.0 A工頻電流的漆包線均勻地沿柱面密繞于制得的磁電層合材料上，共繞5匝。保持電流不變，在磁電層合材料的上、下表面對稱地放置一對表面磁場強(qiáng)度為1 800 Oe(1 Oe=1 000/(4π) A/m) 的鐵釹硼永磁體，改變永磁體與磁電層合材料的間距，觀察其輸出的變化,結(jié)果如圖2所示。

圖2 直流偏磁對磁電層合材料輸出的影響Fig.2 The influence of the dc bias magnetic field on the output characteristics of the magnetoelectric laminate

由試驗(yàn)結(jié)果可知，間距越小，直流偏磁越強(qiáng)，磁電層合材料的輸出越大，電流測量靈敏度越高。因此，本文最終選擇將這對表面磁場強(qiáng)度為1 800 Oe的鐵釹硼永磁體上下對稱地緊貼磁電層合材料，以提供較強(qiáng)的直流偏磁。

為配合鐵氧體磁環(huán)的氣隙，對稱地置入了硬質(zhì)紙片作承托之用。制備完成的大電流傳感器如圖3所示。

圖3 大電流傳感器實(shí)物圖Fig.3 Thephotograph of thehigh-current sensor

當(dāng)載流導(dǎo)線從磁環(huán)中間穿過，交變電流將產(chǎn)生交變磁場，通過磁環(huán)提供的磁路作用于磁電層合材料上，此時(shí)，引出的兩條導(dǎo)線之間將出現(xiàn)與待測電流頻率相同、幅值呈正比的電壓信號(hào)。輸入電流和輸出電壓之間的幅值關(guān)系，本文將從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面分別給出。

2 理論分析結(jié)果

首先對該電流傳感器進(jìn)行磁路分析，推導(dǎo)因待測電流產(chǎn)生的、作用在磁電層合材料上的交變磁場與待測電流之間的關(guān)系。不失可靠性，本文僅分析通過磁環(huán)中軸線的圓形閉合磁路，將場域簡化為一維問題，并認(rèn)為待測電流產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)鎖閉而沒有漏磁。

鐵氧體磁環(huán)的外直徑do=102 mm，內(nèi)直徑di=65 mm，氣隙長δ=20 mm，可以由此計(jì)算出磁路中磁環(huán)的等效長度為lr=π(do+di)/2-δ=242.3 mm。磁致伸縮層每層厚度lm=2 mm，壓電層厚度lp=2 mm，釹鐵硼永磁體厚度ln=3 mm。氣隙中的余下部分用硬質(zhì)紙片填充。

由于PZT、永磁體、硬質(zhì)紙片的相對磁導(dǎo)率均為1，在磁路分析中將其一并等效為氣隙考慮，其磁路長度la=δ-2lm=16 mm。于是，整個(gè)磁路由磁環(huán)、Terfenol-D、氣隙三部分構(gòu)成。各部分材料的相對磁導(dǎo)率和磁路長度見表1。

表1 各部分材料的相對磁導(dǎo)率與磁路長度

Tab.1 Relative magnetic permeability and magnetic-path length of different parts

材料相對磁導(dǎo)率磁路長度/mm鐵氧體磁環(huán)1000242.3Terfenol-D[16]54氣隙116

根據(jù)安培環(huán)路定律，有

(1)

代值計(jì)算，可得磁路中由待測電流I產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度H滿足

(2)

對于磁電層合材料的低頻響應(yīng)分析，可采用等效電路法進(jìn)行[16]。對于工作在T-T模式下、結(jié)構(gòu)為長片形M-P-M層合的磁電材料來說，若不考慮低頻下的機(jī)械和電磁損耗，可以推導(dǎo)出材料的磁電電壓系數(shù)為

(3)

式中，t為磁電層合材料的總厚度，為6 mm；n為材料的層合比，即磁致伸縮層厚度占總厚度的比例，為66.6%。其余各參數(shù)為磁致伸縮材料或壓電材料的固有參數(shù)，其含義與值見表2。

表2 磁電材料的主要參數(shù)

Tab.2 Main parameters of the magnetoelectric laminate

結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)磁致伸縮層[17]壓磁系數(shù)d31,m/(Wb/N)2.65×10-9柔順系數(shù)sH11/(m2/N)125×10-12壓電層[18]壓電電壓系數(shù)g31,p/(V·m/N)13×10-3柔順系數(shù)sE11/(m2/N)16×10-12機(jī)電耦合系數(shù)k31,p0.35

代入數(shù)值，計(jì)算可得材料的磁電電壓系數(shù)約為8.538×10-3V·m/A。因此，整個(gè)大電流傳感器的電流測量靈敏度為

(4)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析

對大電流傳感器進(jìn)行電流實(shí)驗(yàn)，待測線路如圖4所示。由調(diào)壓器產(chǎn)生一個(gè)幅值可調(diào)的工頻電壓，接到變流器輸入端。變流器內(nèi)部為繞有多匝線圈的鐵心，其工作原理與變壓器原理類似，可在作為二次側(cè)的短路載流導(dǎo)線上產(chǎn)生高達(dá)幾百安的大電流。載流導(dǎo)線依次穿過鉗形電流表和準(zhǔn)確度為0.5級、額定電流比為750 A/5 A的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器。其中鉗形電流表用于待測電流的粗測，方便實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓；標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的輸出端接有阻值為2.13 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻絲，電阻絲兩端的電壓接入示波器，換算出當(dāng)前待測電流的精確值，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 電流實(shí)驗(yàn)線路接線圖Fig.4 Thephotograph of the experiment system

使用制得的大電流傳感器測量上述系統(tǒng)中載流導(dǎo)線上的電流。先讓載流導(dǎo)線從鐵氧體磁環(huán)的氣隙中嵌入，再在氣隙中置入硬質(zhì)紙片-永磁體-磁電層合材料的整體測量模塊，這樣即可在保持主線路閉合的情況下實(shí)現(xiàn)電流的測量。由大電流傳感器引出的一對輸出端接入示波器，示波器顯示的電壓值作為當(dāng)前電流的測量值。

控制調(diào)壓器，在載流導(dǎo)線上獲得峰峰值依次從10～500 A不等的電流，記錄標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓值，由此反推出來的電流標(biāo)準(zhǔn)值以及大電流傳感器給出的測量值。測量結(jié)果如表3和圖5所示。

表3 實(shí)驗(yàn)所得電壓電流數(shù)據(jù)

Tab.3 The voltage-current data from the experiment

標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓Upp(s)/V待測電流標(biāo)準(zhǔn)值Ipp(s)/A測量電壓Upp(m)/V0.16811.80.6460.33423.51.280.54438.32.120.76453.82.91.284.54.561.521075.761.981397.682.51769.842.9620811.93.3223413.63.9627916.14.2830117.45.6840023.57.2851329.6

注：下標(biāo)pp表示其值為峰峰值；(s)表示該值由標(biāo)準(zhǔn)電阻上測得或間接計(jì)算得到，作為標(biāo)準(zhǔn)值；(m)表示該值由大電流傳感器測得，作為測量值。下同。

圖5 大電流傳感器的電壓電流特性Fig.5 The voltage-current feature of the high-current sensor

待測電流標(biāo)準(zhǔn)值的換算公式為

(5)

由此可見，在測量幾安至幾百安范圍內(nèi)的工頻電流時(shí)，該電流傳感器的輸出電壓以及待測電流之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，電流測量靈敏度(即擬合直線的斜率)為0.058 5 V/A，這一結(jié)果與理論分析值0.052 8 V/A基本一致。

利用擬合直線給出的電流測量靈敏度，反推由該電流傳感器給出的電流測量值，并與待測電流標(biāo)準(zhǔn)值對比，計(jì)算電流測量值的相對誤差，見表4。圖6給出了標(biāo)準(zhǔn)電流-測量電流曲線，其中標(biāo)準(zhǔn)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)相等?？梢?，該電流傳感器給出的測量電流值與標(biāo)準(zhǔn)電流值之間的相對誤差均不超過5%。

表4 電流測量結(jié)果的相對誤差

Tab.4 The relative error of current measurement

標(biāo)準(zhǔn)電流Ipp(s)/A相對誤差(%)標(biāo)準(zhǔn)電流Ipp(s)/A相對誤差(%)11.8-2.57176-0.2123.5-2.922081.8938.3-1.212343.7253.8-3.912792.9984.5-3.793012.98107-4.084004.67139-1.685133.00

圖6 標(biāo)準(zhǔn)電流-測量電流曲線Fig.6 Thecurves of standard and measured current

實(shí)驗(yàn)中，相對誤差的主要來源有2個(gè)：①外界工頻電磁場干擾，較大的電磁干擾會(huì)直接作用于磁電層合材料上并使其產(chǎn)生電壓輸出，體現(xiàn)為正誤差；②磁路中待測電流的磁場可能無法完全通過磁環(huán)作用于磁電層合材料上，存在漏磁的情況，體現(xiàn)為負(fù)誤差。試驗(yàn)中，環(huán)境干擾主要來自于相鄰導(dǎo)線和變流器等設(shè)備產(chǎn)生的磁場，因此當(dāng)待測電流較小時(shí)，環(huán)境電磁干擾較小，誤差主要來源于帶氣隙磁環(huán)的漏磁效應(yīng)，故測量結(jié)果大多低于標(biāo)準(zhǔn)值，相對誤差為負(fù)；當(dāng)待測電流較大時(shí)，由于試驗(yàn)中自制變流器的屏蔽效果不佳，與傳感器的距離又相對不遠(yuǎn)，由其產(chǎn)生的外界工頻干擾磁場較強(qiáng)，可作用于磁電層合材料上產(chǎn)生電壓輸出，成為誤差的主要來源，故測量結(jié)果大多高于標(biāo)準(zhǔn)值，相對誤差為正。但總體而言，各電流下測量值與標(biāo)準(zhǔn)電流值的相對誤差均不大。

為了驗(yàn)證該電流傳感器的可靠性，對于相同的待測電流，實(shí)驗(yàn)中還移動(dòng)了電流傳感器的位置，從對內(nèi)、對外兩方面分別考察了測量位置對于測量結(jié)果的影響。

北京城市道路交通的發(fā)展代表了我國城市交通領(lǐng)域的現(xiàn)狀，為緩解北京交通擁堵問題，從2016年起北京市交通委員會(huì)連續(xù)兩年發(fā)布《北京市緩解交通擁堵行動(dòng)計(jì)劃》[1-2]，力求針對重點(diǎn)區(qū)域、突出問題，對癥下藥緩解交通擁堵.

1)當(dāng)載流導(dǎo)線處于磁環(huán)內(nèi)的不同位置時(shí)，示波器的輸出并沒有明顯的變化，證明測量結(jié)果對載流導(dǎo)線在磁環(huán)內(nèi)的相對位置變化不敏感。

2)當(dāng)電流傳感器處于主電路的不同位置時(shí)，示波器的輸出有微小變化。這主要是因?yàn)殡娏鱾鞲衅鞯谋举|(zhì)是對磁場的測量，帶氣隙的鐵氧體磁環(huán)對磁路的鎖閉作用有限，外界雜散磁場干擾可能會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。如圖7所示，在各個(gè)不同的電流下，當(dāng)電流傳感器從外部磁場相對簡單的A處移動(dòng)至外部磁場相對復(fù)雜的B處時(shí)，兩者的輸出有一定區(qū)別。以A處的測量電壓為參考，計(jì)算A、B兩處測量電壓之間的相對偏差，結(jié)果見表5。

圖7 外部磁場復(fù)雜程度不同的測量位置Fig.7 Separatemeasuring positions with different external magnetic field

Tab.5 The relative deviation of current measurement between position A and B

標(biāo)準(zhǔn)電流Ipp(s)/AA處測量電壓Upp(m,A)/VB處測量電壓Upp(m,B)/V相對偏差(%)11.80.6460.613-5.1123.51.281.280.0038.32.122.161.8953.82.92.900.0084.54.564.621.321075.765.912.601397.687.52-2.081769.8410.12.6420811.911.7-1.6823413.613.81.4727916.116.0-0.6230117.417.3-0.5740023.523.50.0051329.630.11.69

由表1可見，移動(dòng)大電流傳感器帶來的電流測量偏差在5.2%以下，且除第1個(gè)電流較小的數(shù)據(jù)點(diǎn)以外，其余電流下的相對偏差均在3%以下。證明大電流傳感器在主電路中的位置對測量結(jié)果雖有一定影響，但很不顯著。

圖8為在電流峰峰值301.4 A下的電流、電壓波形，其中，通道1為電流傳感器的輸出電壓，通道2為標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓，示波器上顯示的測量值均為峰峰值?？梢娫撾娏鱾鞲衅饕泊嬖诖倪M(jìn)之處。雖然測量裝置輸出的電壓信號(hào)與待測電流在幅值上具有良好的線性關(guān)系，但電壓輸出信號(hào)存在一定程度的畸變。

圖8 在電流峰峰值301.4 A下的電流、電壓波形Fig.8 Current and voltage waveforms under peak-peak value of 301.4 A

由圖8可見，電流傳感器的輸出電壓正半波存在輕微的平頂現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榇郎y電流產(chǎn)生的交流磁場較大，當(dāng)該磁場與直流偏置磁場方向一致時(shí)，磁電層合材料進(jìn)入輕度飽和區(qū)；而當(dāng)該磁場與直流偏置磁場方向相反時(shí)，磁電層合材料仍處于線性區(qū)。兩種不同情況下Terfenol-D的磁致伸縮系數(shù)略有差異，因此輸出的電壓波形出現(xiàn)單側(cè)輕微平頂?shù)默F(xiàn)象。但是僅從輸出電壓的幅值來看，仍然與待測電流幅值有著良好的線性關(guān)系。

此外，傳感器輸出的電壓信號(hào)在相位上有超前待測電流信號(hào)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象與理論分析是吻合的。利用等效電路法可以證明，在利用磁電層合材料檢測交流電流時(shí)，其電壓輸出確實(shí)將會(huì)在相位上略超前于待測電流[19]。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于圓片形磁電層合材料的大電流傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①便于安裝和維護(hù)，使用時(shí)不必對待測線路進(jìn)行斷電或改接，也不必對其額外供電；②輸出電壓與待測電流的幅值之間具有良好的線性關(guān)系，能夠較為準(zhǔn)確地測量從安培到百安培級別的工頻電流，其測量靈敏度的試驗(yàn)值為0.058 7 V/A，與理論分析結(jié)果基本匹配；③可靠性高，載流導(dǎo)線在磁環(huán)中的位置和磁環(huán)在主線路系統(tǒng)中的相對位置對測量結(jié)果均無顯著影響。

但是，該電流傳感器仍存在輸出波形略有畸變的缺陷。雖然這并不影響輸出電壓與待測電流幅值之間的線性關(guān)系，但是從波形上未能完全反映待測電流的真實(shí)情況。為了克服這一缺陷，可以考慮采用表面磁場強(qiáng)度稍小的永磁體來減小直流磁場偏置、或適當(dāng)增大氣隙以削弱交流磁場，用適度犧牲靈敏度的方法換取波形的真實(shí)可靠性。而對于輸出電壓和待測電流波形間存在相位差的現(xiàn)象，可以在傳感器的輸出端外加合適的補(bǔ)償電路，消除這一相位差。如此即可使傳感器的輸出電壓波形能夠完全正確地反映待測電流的情況，這也是未來繼續(xù)優(yōu)化該電流傳感器的一個(gè)方向。

另外在理論推導(dǎo)方面，在T-T模式長片型磁電層合材料磁電電壓公式[16]的基礎(chǔ)上，針對圓片形磁電層合材料進(jìn)行公式修正，以及在磁路分析中加入對漏磁效應(yīng)的考慮，以此獲得更真實(shí)的電流測量靈敏度理論值，力求進(jìn)一步縮小其與試驗(yàn)值間的誤差，也是本課題組正在研究的內(nèi)容之一。

[1] Fiebig M.Revival of the magnetoelectric effect[J].Journal of Physics D:Applied Physics，2005，38(8)：123-152.

[2] Zhai Junyi，Xing Zengping，Dong Shuxiang，et al.Magnetoelectric laminate composites：an overview[J].Journal of the American Ceramic Society，2008，91(2)：351-358.

[3] Nan C W，Bichurin M I，Dong Shuxiang，et al.Multiferroicmagnetoelectric composites：historical perspective，status，and future directions[J].Journal of Applied Physics，2008，103(3)：1101.

[4] 楊帆.磁致/壓電層合材料磁電特性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[5] 段純剛.磁電效應(yīng)研究進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展，2009,29(3)：215-238. Duan Chungang.Progress in the study of magnetoelectric effect[J].Progress in Physics，2009,29(3)：215-238.

[6] 王磊，葉井紅，楊成韜.磁電復(fù)合材料的制備及研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009,23(3)：98-101. Wang Lei，Ye Jinghong，Yang Chengtao.Preparation and research progress of magnetoelectric composites[J].Materials Review，2009，23(3)：98-101.

[7] 徐卓，劉小輝，屈紹波，等.磁電材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].稀有金屬材料與工程，2006,35(增刊2)：13-16. Xu Zhuo，Liu Xiaohui，Qu Shaobo，et al.Progress and prospect of research on magnetoelectric material[J].Rare Metal Materials and Engineering，2006，35(S2)：13-16.

[8] Dong Shuxiang，Li Jiefang，Viehland D.Vortex magnetic field sensor based on ring-type magnetoelectric laminate[J].Applied Physics Letters，2004，85(12)：2307-2309.

[9] Dong Shuxiang，Bai J G，Zhai Junyi，et al.Circumferential-mode，quasi-ring-type，manetoelectric laminate composite-a highly sensitive electric current and/or vortex magnetic field sensor[J].Applied Physics Letters，2005，86(18)：2506.

[10]Leung C M，Or S W，Zhang S Y，et al.Ring-type electric current sensor based on ring-shaped magnetoelectric laminate of epoxy-bonded Tb0.3Dy0.7Fe1.92short-fiber/NdFeB magnet magnetostrictive composite and Pb(Zr，Ti)O3piezoelectric ceramic[J].Journal of Applied Physics，2010，107(9)：D918，3pages.

[11]Zhang Jitao，Li Ping，Wen Yumei，et al.High-resolution current sensor utilizing nanocrystalline alloy and magnetoelectric laminate composite[J].Review of Scientific Instruments，2012，83(11)：115001.

[12]文超，于歆杰，李臻.一種用于電流檢測的長片形磁電層合材料[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(10)：26-30. Wen Chao，Yu Xinjie，Li Zhen.A long plate-shaped magnetoelectric laminate used for electric current measurement[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(10)：26-30.

[13]李淑英，王博文，周嚴(yán)，等.Terfenol-D/PZT/Terfenol-D 層狀復(fù)合磁電傳感器磁電效應(yīng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(5)：14-19. Li Shuying，Wang Bowen，Zhou Yan，et al.Magneto-electric effect of Terfenol-D/PZT/Terfenol-D laminate composite sensors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(5)：14-19.

[14]張納，王博文，王莉，等.磁致伸縮、壓電層狀復(fù)合磁電傳感器非線性動(dòng)態(tài)有限元模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(7)：146-152. Zhang Na，Wang Bowen，Wang Li，et al.Nonlinear dynamic finite element model for magnetostrictive/piezoelectric laminated composite magnetoelectric sensors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(7)：146-152.

[15]Or S W，Nersesssian N，Carman G P.Dynamic characterization of 1-3 type Terfenol-D/epoxy magnetostrictive composite[C]//43rd AIAA/ASME/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference，Denver，Colorado，2002：22-25.

[16]Dong Shuxiang，Zhai Junyi.Equivalent circuit method for static and dynamic analysis of magnetoelectric laminated composites[J].Chinese Science Bulletin，2008,53(14)：2113-2124.

[17]Engdahl G.Magnetostrictive materials handbook[M].New York：Academic Press，2000.

[18]青島國林壓電技術(shù)事業(yè)部.PZT-5壓電發(fā)電片主要性能參數(shù)[EB/OL].http：//www.china-piezoele.com，2011.

[19]于歆杰，吳天逸，李臻.基于Metglas/PFC磁電層狀復(fù)合材料的電能無線傳輸系統(tǒng)[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62(5)：058503. Yu Xinjie，Wu Tianyi，Li Zhen.Wireless energy transfer system based onmetglas/PFC magnetoelectric laminated composites[J].Acta Physica Sinica，2013，62(5)：058503.

A New Magnetoelectric Laminate Based High-Current Sensor

Lu Shihua Yu Xinjie Lou Guofeng

(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China)

A new type of high-current sensor is designed and developed in this paper.Its hardcore is a disc-shaped magnetoelectric laminate based on piezoelectric material PZT and magnetoelectric material Terfenol-D.Combined with the ferrite magnetic circular，the sensor can measure power-frequency current over the range of A～102A.The structure of this current sensor has the advantages of no-circuit-connection and no-extra-source-supply.Thus，it is convenient to install，maintain or uninstall.The experiment results illustrate that the sensor has an electric current sensitivity of 0.058 5 V/A，and the sensor shows good reliability.This new type of a high-current sensor has great potential of further researches and applications.

Magnetoelectric effect，magnetoelectric laminate material，high-current sensor

國家自然科學(xué)基金(50877039)和清華大學(xué)自主科研計(jì)劃資助項(xiàng)目。

2015-07-10 改稿日期2015-11-11

TM45

盧詩華 男，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線能量傳輸技術(shù)。

E-mail：sh-lu14@mails.tsinghua.edu.cn(通信作者)

于歆杰 男，1973年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槊}沖電源和無線能量傳輸技術(shù)。

E-mail：yuxj@tsinghua.edu.cn