[发明专利]一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，属传感器技术领域。

背景技术

漏电流测量已经成为许多应用的重要功能，比如电力网的输电线。特别是需要测量绝缘子接地端的大波动的漏电流。因此，需要一种高灵敏度、大动态范围的电流传感器来监测漏电流。最近几十年，一些研究报导了多种电流传感结构：电磁式电流互感器、罗氏线圈、光学电流互感器等。

具有铁芯的电磁式电流互感器在继电保护和电流测量中一直占主导地位，因其采用铁磁材料和复杂的线圈绕组，频带窄；测量电流很大时，铁芯会产生磁饱和，测量波形严重畸变，动态范围小。罗氏线圈是空芯的，因而无磁饱和现象，所以它具有较大的动态范围和较宽的测量频带；但是当测量电流较小时（小于100A）它的感应输出信号很小，导致较小的信噪比，因此罗氏线圈不适合测量小电流。光学电流传感器具有很强的抗干扰能力和理论上无限宽的带宽，但是它需要额外的供能或电源系统，并且结构复杂。

发明内容

本发明的目的是，针对现有漏电流测量存在的问题，本发明提出一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，以实现较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。

实现本发明的技术方案是，一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器包括压电/弹性金属矩形鼓、一对永磁铁、基座和若干支撑体。一对永磁铁分别与压电/弹性金属矩形鼓的上下两面通过倒四棱台形的刚性支撑体粘合；倒四棱台形的刚性支撑体的大面朝永磁铁，倒四棱台形的刚性支撑体的小面朝压电/弹性金属矩形鼓；位于下面的永磁铁的另一面粘结在基座上。

所述压电/弹性金属矩形鼓由压电片、弹性金属片和连接体组成；所述连接体由相同形状的两个独立的长方体端部相连构成；两片相同的弹性金属片的两端分别粘合固定在刚性连接体的上下表面的两端，压电片则粘合在弹性金属片之上的中间部位。所述支撑体的横截面为长方形，最小横截面的宽度小于压电片的宽度。所述压电/弹性金属矩形鼓上下两面的支撑体、永磁体处同一垂直轴线，与压电/弹性金属矩形鼓的中心轴线重合。

压电/弹性金属矩形鼓中安装的金属弹性片大小及间距可调。

本发明中连接体为长方体结构，由非导磁金属材料制成。

本发明中，弹性金属片为长方形的铍青铜片，其长宽与连接体一致；压电片为长方形的PZT-8片，其宽度与弹性金属片的宽度相同，长度为弹性金属片长度的１/4—1/2。

本发明中，永磁铁采用钕铁硼（NdFeB）材料；永磁体极性及数量可根据需要进行调节。

本发明中支撑体采用的是刚性四棱台形金属结构，该支撑体上下两面的面积大小差异越大，则通过永磁铁作用在矩形鼓上的应力增强越大，从而压电片电压输出越大、传感器灵敏度也越高。压电/弹性金属矩形鼓与永磁铁之间的支撑体上下面面积比可调。

本发明在在永磁铁和压电/弹性金属矩形鼓之间通过倒四棱台形的刚性支撑体粘合，以保证永磁铁在电线电流安培力作用下产生的振动信号能够高效地传递到压电换能元件压电片上。当永磁铁感受到外部交变磁场时，永磁铁驱动压电/弹性金属矩形鼓的弹性金属片振动，该振动通过胶层传递到压电片；压电片感应振动应力产生电信号输出。

本发明的有益效果是，本发明采用压电/弹性金属矩形鼓作为传感元件，可以实现较大动态范围、高灵敏度、良好稳定性电流测量。与单端悬臂梁结构比较，矩形鼓为双端弹性固定，具有更好的测量稳定性；与电流互感器比较，具有更大的动态范围；与电流互感器、罗氏线圈、光学电流互感器比较，具有更高的灵敏度。本发明在永磁铁和压电/弹性金属矩形鼓之间的支撑体采用的是刚性四棱台形金属结构，该支撑体上下两面的面积大小差异越大，则通过永磁铁作用在矩形鼓上的应力增强越大，从而压电片电压输出越大、传感器灵敏度也越高。本发明在永磁铁的相吸位置设计增强了压电/弹性金属矩形鼓受到的初始应力，增强了压电输出和传感器灵敏度。

本发明可应用于用于较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中压电/弹性金属矩形鼓的横截面图；

图３是本发明中压电/弹性金属矩形鼓的俯视图；

图中：1-1为第一永磁铁；1-2为第二永磁铁；2-1为第一支撑体；2-2为第二支撑体；3-1为第一弹性金属片；3-2第二弹性金属片；4-1为第一连接体；4-2为第二连接体；5-1为第一压电片；5-2为第二压电片；6为基座。

具体实施方式