[发明专利]一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器

说明书

本发明公开了一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器，包括：压电晶体基片、布置于压电晶体基片上的叉指换能器及布置在叉指换能器一侧的第一反射器和布置在叉指换能器另一侧的第二反射器；叉指换能器的电极、第一反射器和第二反射器的栅极为磁致伸缩材料。当外部通电导线引起的电磁场发生变化时，电极和栅极产生ΔE效应和磁致伸缩效应，使电极和栅极的弹性模量和尺寸发生改变，引起声表面波传播速度的变化，改变谐振频率。通过对接收到的声表面波传感器谐振后产生的回波信号进行解调，利用信号的频率信息来评价电流变化，以此实现无线无源的电流传感器。

技术领域

本发明涉及声表面波传感器领域，尤其涉及一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器。

背景技术

电流传感器在电力系统控制保护和监控中起着至关重要的作用。如今，电力系统中电网电压等级不断提高、容量不断增大，使得高灵敏度、高可靠性、抗电磁干扰性好的电流传感器成为其当下的发展需求。

为应对现有电流传感器凸显的瓶颈问题，Leonhard Reindl和R.Steindl等提出将一种无线问询的延迟线结构声表面波(Surface acoustic wave:SAW)器件与磁阻效应相结合的新型电流检测技术。所谓磁阻效应是在外磁场中半导体磁敏感材料受到与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛仑兹力的作用，电子流动的方向发生改变，使路径加长，从而使得磁敏材料阻值增大。图1是这种新型SAW电流传感器的结构原理图，雷达通过天线发射电磁波信号，并通过连接SAW反射型延迟线叉指换能器(IDT)的天线所接收，并被IDT转换成沿压电基片表面传播的SAW，该声波又被设置于声波传播方向的反射器所反射。连接磁敏电阻的反射器阻抗及反射率由于磁敏电阻器的磁敏效应而发生相应变化，进而导致在反射器上反射声波的传播特性发生变化，并通过IDT重新转换成为电磁波通过天线发射出去并为雷达所接收。通过分析SAW器件时域响应特性即可提取出电流场的变化信息。这种传感器表现出快速响应、结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点，特别是可以实现无线无源的电流检测手段，大大提高了系统安全性。

但是从实验报道情况来看，这种基于磁阻效应的SAW电流检测技术在灵敏度与温度稳定性等方面还遇到一些突出问题，首先，基于磁阻效应的磁敏材料在大电流检测中由于较大的磁滞因而磁场敏感度不够高、线性度较差，SAW检测器以时域幅度响应作为传感量，导致了电流检测精度不尽如人意；此外，缺乏环境温度变化的补偿方法、物理功能结构的优化设计以及传感机理模型的系统性认知，因此，目前SAW电流检测技术离实用化距离甚远。

声表面波传感器以其独特优点如高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低，具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低，而且可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。近年来，单端对SAW谐振器因其简单结构以及高品质因子(Q值)与低损耗等特点开始在各种声表面波传感器之中获得较大应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于解决现有问题。

为了达到上述目的，本发明实施例公开了一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器，包括：压电晶体基片21、布置于压电晶体基片21上的叉指换能器22及布置在叉指换能器22一侧的第一反射器23和布置在叉指换能器22另一侧的第二反射器24；其中，叉指换能器22的电极、第一反射器23和第二反射器24的栅极为磁致伸缩材料。

当外部通电导线引起的电磁场发生变化时，电极和栅极产生ΔE效应和磁致伸缩效应，使电极和栅极的弹性模量和尺寸发生改变，引起声表面波传播速度的变化，改变谐振频率。

一个实例中，磁致伸缩材料包括：铁钴、铁镍以及TbDyFe超磁致伸缩合金。