吳 宇,楊愛超,歐正宇,魯彩江*,周 海,朱忍忍,高宏力

(1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院,南昌 330006;2.西南交通大學機械工程學院 機電測控系,成都 610036)

目前,利用磁場檢測為原理的非接觸式電流傳感器包括超導量子干涉設備(SQUID),霍爾器件和巨磁阻(GMR)元件等,但其中大多數都需要外部電源供電[1-2]。根據安培定律,在交流或直流載流導線周圍會激發(fā)出交流或直流渦流磁場,通過耦合渦流磁場,磁電傳感器可以用作電流傳感器[3-4]。與其他磁場傳感器相比,由壓電材料和磁致伸縮層組成的磁電層合傳感器由于其在室溫下磁場測量的高靈敏度和低成本而受到越來越多的研究關注[5-6]。目前已經開發(fā)了許多基于磁電層合材料的磁場傳感器來測量交流、直流或脈沖磁場。這些傳感器的線性響應具有大的動態(tài)范圍,并且受益于諧振增強,能在諧振頻率時具有較高的磁電系數。并且,將磁能轉換為電信號的磁電層合型電流傳感器不需要外部電源供電[7-10]。

2004年,Dong等人設計一種環(huán)形磁電層合材料Terfenol-D/PZT/Terfenol-D用于檢測環(huán)形磁場,磁場靈敏度高達10-9T;當磁場10-9T

先前的研究表明,磁電傳感器的靈敏度強烈依賴于直流偏置磁場[4-13]。通常,當施加偏置磁場時,磁電層合材料的磁電系數先隨著偏置磁場的增加而增加,在達到最大值之后下降。因此,存在最優(yōu)的偏置磁場使磁電系數最大。Leung等人開發(fā)了一種環(huán)形電流傳感器,該傳感器由環(huán)形壓電陶瓷、Terfenol-D、釹鐵硼(NdFeB)構成,釹鐵硼磁體用來滿足偏置磁場的需求,在頻率范圍1 Hz～30 kHz內,傳感器靈敏度大約為12.6 mV/A[15]。另外,2013年,廈門大學Shi等人設計了一種特殊磁路結構,并與磁電材料 Ni/PZT/Ni 進行層合,進而提出了一種偏置磁場可調的電流傳感器,該傳感器用于檢測工頻電流時,靈敏度為0.042 mV/A[16]。

雖然用釹鐵硼磁體來提供偏置磁場的方法能夠提高傳感器的靈敏度,但是依舊存在一些缺點,例如釹鐵硼等磁體的安裝明顯增加了傳感器的體積,產生的偏置磁場可能對載流電線和鄰近的傳感器造成干擾,增加噪聲源。另外,先前對磁電層合電流傳感器的研究表明,諧振狀態(tài)下的傳感器靈敏度遠大于非諧振狀態(tài)[17]。因此,可以通過在層合材料上添加質量塊,用改變質量塊質量或位置的方式來到達傳感器最優(yōu)諧振頻率,獲得更大的傳感器靈敏度。

因此,針對現有磁電式電流傳感器體積較大、靈敏度不高的問題,本文提出了一種基于自偏置磁-機-電耦合效應的電流傳感器,該傳感器核心敏感元件是SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT磁電層合材料,采用懸臂梁質量塊結構實現諧振頻率可調節(jié)的自供電高靈敏度電流傳感器,它具有大的零偏響應和頻率可調的特點,可以用于載流導線的交流電流測量。

1 傳感器結構

圖1中標出了SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合材料中各組分的相對位置。壓電材料為PZT-5(15 mm×6 mm×0.2 mm),沿厚度方向極化。磁致伸縮箔FeCuNbSiB(40 mm×6 mm×0.03 mm,由佛山市華信微晶金屬有限公司生產,國際標準1K101)具有約10,000的相對磁導率(f=1 kHz),和～6.4 A/m的低矯頑力和～2.7×10-6的弱飽和磁致伸縮系數,并沿長度方向磁化。SrFe12O19(SFO)帶(40 mm×6 mm×0.7 mm)具有大約 2 kOe 的大矯頑磁場,并且沿著它們縱向的預磁化。使用環(huán)氧樹脂粘合劑將SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合材料粘合在一起。測試的載流導線為銅芯,直徑為1.8 mm,銅芯外的絕緣層厚度為0.8 mm,被測載流導線位于磁電層合材料之下。

在外磁場作用下,FeCuNbSiB中的磁矩會從易磁化軸向外磁場的方向旋轉。SFO薄帶為磁致伸縮FeCuNbSiB箔片提供了所需的偏置磁場,這可以增加磁矩重新定向,使FeCuNbSiB產生磁致伸縮,進而對PZT板施加應力。由于壓電效應,在PZT板的兩個電極上能夠產生輸出電壓。

圖1 電流傳感器的示意圖

圖2 電流測試系統(tǒng)原理圖

2 實驗設置

電流測試系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。信號發(fā)生器(Tektronix AFG3021B)產生一個小的交流信號,并輸入功率放大器(200W,放大倍數為15.2)。功率放大器的輸出端串聯(lián)一個5.1 Ω電阻和被測載流導線。通過信號發(fā)生器,可以產生具有不同頻率和大小的交流電流信號。施加的直流偏置磁場(Hdc)由一對釹永磁體(NbFeB)產生。由高斯計測量,通過調整兩個NbFeB磁體的距離實現了直流偏置磁場從-100 Oe到100 Oe的不同值。傳感器的輸出電壓由示波器(TektronixModel TDS2012B)和鎖定放大器(SR-850)檢測。鎖定放大器的信噪比常數SNR=10。在實際應用中,可以使用微型鎖定放大器模塊來提高SFP的信噪比。

3 實驗結果和分析

圖3顯示了當Hdc=14 Oe和載流導線電流為1 A時,使用FeCuNbSiB/PZT層合材料的電流傳感器在電流頻率為255 Hz～285 Hz的范圍內的測量輸出電壓Vout。

圖3 當Hdc=14 Oe和載流導線電流為1 A時,FeCuNbSiB/PZT層合材料在電流頻率為255 Hz～285 Hz的范圍內的測量輸出電壓Vout

圖4 添加0.7 mm SFO帶與否下的FeCuNbSiB/PZT諧振輸出電壓Vr隨Hdc的變化結果

在272 Hz處觀察到由于到達諧振頻率,輸出電壓Vout達到最高224 mV。圖4顯示了在導線電流為1 A,添加0.7 mm厚度SFO帶下的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT與沒有添加SFO帶的FeCuNbSiB/PZT層合材料的諧振輸出電壓Vr隨直流偏置磁場Hdc的變化結果。通過圖中可以發(fā)現,在FeCuNbSiB/PZT層合材料中,添加合適厚度的SFO帶,偏置磁場為0 Oe時,可獲得較大的輸出電壓。

因為SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合材料中磁致伸縮層FeCuNbSiB獲得的有效偏磁場Hin是Hs(來自SFO)和Hdc(來自NbFeB)的組合,因此上述現象可歸因于SrFe12O19帶厚度增加帶來的磁場Hs增加。當僅有FeCuNbSiB/PZT層合物,Vr值在零偏置磁場下為5 mV,在最優(yōu)偏置磁場為14 Oe下為224 mV。當FeCuNbSiB/PZT層合材料添加0.7 mm的SrFe12O19帶時,觀察到最大的零偏電壓Vo,r為199.36 mV。雖然與沒有SrFe12O19帶的FeCuNbSiB/PZT層合材料最優(yōu)偏置磁場輸出電壓224 mV相比減少了11%。但是添加SFO帶后可以無需提供額外的偏置磁場,在Hdc=0 Oe的相同條件下添加SFO帶后的諧振輸出電壓199.36 mV相比沒有添加SFO帶的諧振輸出電壓5 mV增加了近40倍,這一特性可以很大程度上減少的傳感器的體積。

通過上述實驗,可以發(fā)現,在無需外部直流偏置磁場時,添加0.7 mm SrFe12O19帶的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合材料具有較大的輸出電壓。因此,使用SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合材料來測量50 Hz的交流電是比較合適的。

通過對傳感器的層合材料添加質量塊可以調整傳感器最優(yōu)諧振頻率達到被測電流的頻率。對于在層合懸臂結構自由端添加質量塊的傳感器,其諧振頻率可以由下式得出[18]。

(1)

式中:Y是層合懸臂結構的楊氏模量,w,t和l分別是懸臂的寬度、厚度和長度,Mq是自由端質量塊的質量(對于沒有質量塊的層合懸臂結構,Mq=0),mc是層合懸臂結構的質量?？梢酝ㄟ^調節(jié)質量塊來調整結構共振頻率。通過公式可以看出,隨著Mq的增加,fr單調減小。在實際的實驗中,通過對SrFe12O19帶厚度為0.7 mm的SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT層合結構的自由端添加3.4 g質量塊,共振頻率調整到了接近50 Hz(中國的電力線路頻率)。

圖5展示了在550 時間范圍內,SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT電流傳感器的感應輸出電壓在調整輸入電流幅值情況下的階躍變化,用以檢驗電流傳感器對50 Hz電流的小變化響應分辨率,直流偏置磁場被設定為0 Oe。實驗中,將SrFe12O19/CuNbNbSiB/PZT傳感器置于磁屏蔽室中,以減少環(huán)境噪聲的暴露。載流導線電流I=0.4 A,頻率為f=50 Hz。然后通過鎖定放大器測量PZT壓電材料上的感應輸出電壓用以檢驗電流的微小變化。在所有這些測量中,信噪比恒定保持在SNR=10(SR-850鎖定放大器)。

圖5 50 Hz電流小幅值變化下輸出電壓響應情況

從圖5中可以看出,電流信號變化小到I=0.01 A,傳感器仍然可以檢測。這表明,SrFe12O19/CuNbBSiB/PZT傳感器對50 Hz的小電流變化具有超高分辨率。

另外還對50 Hz頻率下不同幅值電流進行了測試,輸出諧振電壓Vr結果如表1所示。

表1 50 Hz頻率下不同幅值電流測量結果

圖6為在載流導線頻率為50 Hz時,電流范圍0.01 A～5.00 A下SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT傳感器的諧振輸出電壓特性圖。采用最小二乘法線性擬合,其最大偏差ΔLmax=5.8 mV,根據最大偏差與輸出滿量程值之比可得出線性度為±0.58%,從圖6中可以直觀看出,輸出電壓與電流有很好的近似線性的關系。根據線性擬合分析,電流靈敏度S(擬合直線的斜率)為198.91 mV/A。實驗結果表明該傳感器具有很高的檢測靈敏度,可以檢測的電流小至0.01 A。

圖6 諧振電壓輸出特性

4 結論

本文針對現有磁電式電流傳感器存在的問題,提出了一種基于自偏置磁-機-電耦合效應的電流傳感器,核心是采用SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT磁電層合材料,具有大矯頑場的硬磁材料SrFe12O19薄帶能夠提供偏置磁場作用于磁致伸縮材料FeCuNbSiB層,用以增加FeCuNbSiB層的磁矩重定向。

文中搭建了整個電流測試系統(tǒng),并進行了實驗,實驗結果表明,該電流傳感器具有非常好的靈敏度(198.91 mV/A)、線性度(±0.58%)和分辨率(可監(jiān)測電流小至0.01 A)。并且具有大的零偏響應,無需額外的偏置磁場減少了傳感器體積,另外采用的懸臂梁添加質量塊結構可實現諧振頻率的調節(jié)。因此所提出的新型電流傳感器具有非常大的潛力用于電力電纜中的電流監(jiān)測。