[发明专利]采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量直流电流或直流电压的方法，更确切地说，是一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法。

背景技术

电流传感器已经广泛地用于现代电力电子系统中，在监控和保护电力系统方面起着非常重要的作用。测量电流的方法有很多，典型的有基于霍尔效应、磁通门、磁阻、光纤技术、欧姆电阻定律、引线电阻技术、罗果夫斯基线圈、电流互感器、偏振检测、干涉仪检测、磁感应等原理的方法。随着MEMS技术的发展以及电力电子模块集成化的趋势，新近又出现了基于压电微悬臂梁测量直流或是交流电流的方法。为了便于电流的数字控制和监控，电流信息需要转化为数字信号，但几乎所有根据这些方法制造的电流传感器的输出信号都是模拟信号，这就需要额外的模拟数字转换器。此外，在测定微小电流时，还需要对输出信号进行放大、滤波等处理，这不仅增加了传感器的体积，还增加了制造成本。谐振式传感器不仅具有高的稳定性和分辨率，而且它的输出即为准数字信号，采用这种原理制造的电流传感器很容易实现高集成、高效率以及更加复杂的电流控制技术，同时，准数字信号输出也为信号的长距离传输提供了有利条件。

目前，有报道的谐振式电流传感器为采用压电悬臂梁制作而成，可以实现0–20mA的直流电流测量，但是，压电悬臂梁本身也容易受到外界电场的干扰，影响测量结果的精度，而且这种传感器灵敏度较低（约为0.0025Hz/mA²）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，通过检测悬臂梁的谐振频率实现直流电流或直流电压的测量，以解决现有直流电流或直流电压测量方法输出为非数字信号或者输出灵敏度过低等缺点。

为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，将所述压阻式悬臂梁置于匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，所述悬臂梁上的激励线圈上施加有正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力发生往复振动，所述悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的偏置电流或偏置电压由恒流源或恒压源提供，当惠斯通电桥的偏置电流为I₁或偏置电压为V₁时，所述惠斯通电桥的输出电压为U₁；通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合得到悬臂梁的谐振频率；重复上述步骤，确定电流工作方程f=aI²+b或电压工作方程f=aV²+b中的参数a和b，即可通过该悬臂梁测量未知直流电流或未知直流电压的大小。

一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，包括以下步骤：

（1）将该悬臂梁置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，然后通过第一和第二焊盘给悬臂梁上的激励线圈提供一个正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力将会发生往复振动；

（2）悬臂梁的振动通过置于悬臂梁根部的压阻惠斯通电桥感知，由一恒流源或恒压源通过第三、第四、第六和第七焊盘供给惠斯通电桥偏置电流为I₁或偏置电压为V₁时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘测量惠斯通电桥的输出U₁；

（3）改变输入的交流电压的频率，悬臂梁的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即可得到悬臂梁的谐振频率为f₁；

（4）重复步骤（2）和（3），改变输入的偏置电流为I₂或偏置电压为V₂，此时测得悬臂梁的谐振频率为f₂；

（5）根据以上测量结果以及电流工作方程f=aI²+b或电压工作方程f=aV²+b，确定电流或电压工作方程中的待定参数a和b；当该悬臂梁（11）用于某未知直流电流或直流电压的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流或直流电压大小。

作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁。

作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，其固支条件为单端固支，或双端固支或者四周固支。