一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种带有C型磁环的基于磁电层状复合材料的交流电流传感器，属于交流电流传感器领域，该交流电流传感器为由C型磁环和位于该C型磁环缺口处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环和测量模块之间通过承托层形成可拆卸连接；其中，所述测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层；所述C型磁环和永磁体层的截面均完全覆盖磁电层合材料的截面。本传感器使用操作简单，无需改变待测线路的拓扑，可随时装卸，且为无源器件；本传感器输出电压与待测电流的幅值间具有良好线性关系，能够实现宽频带测量，且具有较好的抗干扰能力。

AC current sensor based on magnetoelectric laminated material with C type magnetic ring

The present invention discloses AC current sensor based on magnetoelectric laminated composite material with a C type ring, which belongs to the field of AC current sensor, a closed loop structure of the AC current sensor for C type magnetic structure and measuring module is located in the C type magnetic gap, between the C ring and the measurement module can be detachably connected the supporting layer is formed; among them, the measurement module is a layered structure, including the middle layer magnetoelectric composite material, and the magnetoelectric laminated materials along the thickness direction of symmetrical permanent magnet layer; cross section of the C type permanent magnet magnetic layer are completely covered with laminated magnetoelectric materials. The sensor has the advantages of simple operation, without changing the topology of cable to be detected, at any time for loading and unloading, and passive devices; has good linear relationship between the sensor output voltage and current measured amplitude, can realize the broadband measurement, and has good anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】
一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器
本专利技术涉及交流电流传感器领域，尤其涉及一种带有C型磁环的基于磁电层状复合材料的交流电流传感器。
技术介绍
在电流检测领域，最为常见的两种手段是采用互感线圈或霍尔电流传感器，然而它们各自都存在一些不足之处：互感线圈必须事先接入待测电路，当需要临时测量工作中的主电路时，必须先断开主电路，待互感线圈器接入主电路后再恢复工作，不利于安装和维护；霍尔电流传感器是有源器件，工作时要求外电源为其提供恒定的直流电流。此外，还可采用磁电层状复合材料制备电流传感器，该电流传感器本质上测量的是待测电流的磁场，且无需外部电源供电，在电路上可等效成无源二端流控电压源，因而不存在前述互感线圈和霍尔电流传感器的问题。近年来，利用磁电层状复合材料制作电流传感器的研究发展十分迅速。对于基于磁电层合材料的电流传感器而言，需要关注的指标包括电流检测的幅值范围、频率范围以及测量灵敏度，这三者决定了基于磁电层合材料的电流传感器的电流检测能力和应用场合。2004年，美国弗吉尼亚理工大学的董蜀湘等人制作并改进了一种环形结构的磁电层合材料，其由两层沿环形方向磁化的磁致伸缩材料(Terfenol-D)01和一层沿厚度方向极化的压电材料(PZT)02粘接成如图1所示的三明治结构,，可作为交流磁场和电流传感器。该电流传感器中磁电层合材料的直径为8mm，厚度为7.5mm，在10-8A到10-4A电流范围内具有0.7mV/mA的测量灵敏度[1]。2010年，香港理工大学的ChungMingLeung等人设计了一种用于交流电流检测的环形磁电层合材料，其也由两层沿环形方向磁化的磁致伸缩材料Terfenol-D和一层沿厚度方向极化的压电材料PZT粘接成三明治结构，其外径为12.5mm，内径为5mm，厚度为7.5mm，在0.01A到1A电流范围内具有12.6mV/A的测量灵敏度[2]。需要说明，测量灵敏度实际上反映了两点信息：传感器输出电压和待测电流之间特性曲线的斜率，以及传感器检测电流的分辨能力。测量灵敏度越大，则传感器电压电流特性曲线的斜率越大，传感器检测电流的分辨能力越高。在这些研究中，制成的基于环形磁电层合材料的电流传感器虽然都能够完成电流检测任务，具有较高的测量灵敏度，但存在两方面的不足：一是难以做成开口结构，而载流导线又必须从传感器环中穿心而过，这给传感器的安装和维护带来了一些不便，即在安装或维护传感器时不得不先断开主电路，再进行停电穿线作业；二是磁电层合材料的环形结构很大程度上限制了可测的电流范围，通常只能限定测量在1A以下的交流电流，在检测安到百安量级的电流时有所欠缺。[1]DongS,LiJ,ViehlandD.Vortexmagneticfieldsensorbasedonring-typemagnetoelectriclaminate[J].AppliedPhysicsLetters,2004,85(12):2307-2309.[2]LeungCM,OrSW,ZhangS,etal.Ring-typeelectriccurrentsensorbasedonring-shapedmagnetoelectriclaminateofepoxy-bondedTb0.3Dy0.7Fe1.92short-fiber/NdFeBmagnetmagnetostrictivecompositeandPb(Zr,Ti)O3piezoelectricceramic[J].JournalofAppliedPhysics,2010,107(9):9D-918D.
技术实现思路
为了在电流传感器的设计和实现方案中着眼于大电流检测，并充分考虑便于测量、安装和维护的要求，本专利技术提出了一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，其能够有效测量几安到几百安级别的交流电流，并在安装和维护的便捷性上具有一定的优势。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，该交流电流传感器为由C型磁环和位于该C型磁环缺口处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环和测量模块之间通过承托层形成可拆卸连接；其中，所述测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层；所述C型磁环和永磁体层的截面均完全覆盖磁电层合材料的截面。所述C型磁环采用相对磁导率大于1000的磁性材料制成。所述磁电层合材料平面呈圆形或者四边形。本专利技术的有益效果是：(1)高导磁材料制成的C型磁环套在待测通电导线外，可以起聚磁作用，将导线产生的交流磁场汇聚穿过圆片形磁电层合材料的厚度方向，有利于提高传感器的测量灵敏度；(2)便于安装和维护，使用时不必对待测线路进行断电或改接，也不必对其额外供电，属于无源器件；(3)在测量有效值700A以内的大电流时，输出电压波形与待测电流波形相吻合，输出电压与待测电流的幅值之间具有良好的线性关系，其测量灵敏度和已有的基于磁电层合材料的电流传感器的灵敏度均处于mV/A的数量级。由灵敏度和输出电压可以方便地推得待测电流值；(4)抗干扰能力较好，在侧端放置方式下，能够几乎完全屏蔽一定距离以外邻相导线产生的电磁干扰；(5)能够实现宽频带测量，在40Hz到1500Hz范围内有相对平坦的电压输出，既适用于智能家电等工频环境，也适用于谐波电流等高频场合。附图说明图1为文献[1]中的基于环形磁电层合材料的电流传感器的结构示意图；图2为本专利技术的三维结构示意图；图3为本专利技术实施例中圆片形磁电层合材料的结构示意图；图4为本专利技术实施例中磁致伸缩材料Terfenol-D的动态磁致伸缩系数曲线；图5为本专利技术实施例的电压电流特性曲线(765A以下)；图6为本专利技术实施例的频率特性曲线；图7为本专利技术实施例中邻相导线的不同放置情况示意图。图中，1.C型磁环，2.载流导线，3.磁致伸缩层，4.压电层，5.永磁体层，6.承托层，7.环氧树脂胶。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明如下：本专利技术提出的一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，整体结构如图2所示，该交流电流传感器为由C型磁环1和位于该C型磁环缺口(该缺口即为C型磁环的气隙)处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环1和测量模块之间通过承托层6形成可拆卸连接；其中，测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层5，所述C型磁环1和永磁体层5的截面均需完全覆盖磁电层合材料的截面。本专利技术交流电流传感器各组成部件的具体实现方式及功能详细说明如下：所述磁电层合材料平面呈圆形或者四边形，由磁致伸缩层(M)3、压电层(P)4、磁致伸缩层(M)3按顺序依次通过环氧树脂胶7粘合而成。本实施例的磁电层合材料整体呈圆柱状，如图3所示，磁致伸缩层3和压电层4均为圆片形，分别采用沿厚度方向磁化的稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和沿厚度方向极化的压电陶瓷片(PZT)制成，各层厚度均为2mm、直径均为2cm。制作工艺如下(该制作工艺为常规技术手段)：使用环氧树脂胶7将材料按M-P-M顺序依次层合粘合后，在85℃温度下烘烤6小时，待环氧树脂胶固化后，采用导电银胶在磁电层合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁电层状复合材料的交流电流传感器，其特征在于，该交流电流传感器为由C型磁环和位于该C型磁环缺口处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环和测量模块之间通过承托层形成可拆卸连接；其中，所述测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层；所述C型磁环和永磁体层的截面均完全覆盖磁电层合材料的截面。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁电层状复合材料的交流电流传感器，其特征在于，该交流电流传感器为由C型磁环和位于该C型磁环缺口处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环和测量模块之间通过承托层形成可拆卸连接；其中，所述测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层；所述C型磁环和永磁体层的截面均完全覆盖磁电层合材料的截面。2.如权利要求1所述的交流...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼国锋，于歆杰，卢诗华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11