无源被动非接触电流感测机理及测量方法研究

发布时间：2020-06-04 11:17

【摘要】：随着IOT(Internet of things)的快速发展,2025年IOT在制造业的产值将达到2.5万亿美元、IOT装置数量将达到208亿。在IOT使用与推广过程中,传感器除了其性能上的要求外,在功能上也提出了新的需求。在智慧电网、智慧城市、智慧家庭对大量节点的电流监测应用与使用过程中,传感节点暴露出了一些问题,引起相关科研机构与企业的广泛关注。当前的各型电流传感器,很大一部分在外部电源或内置电池直接供能的前提下,才能保证对被测电流的信息采集、信号处理和有线或无线传输的功能实现,但两种供能形式都将面临着不可回避的问题,供电问题已在一定程度上成为限制了电流传感器应用与推广的重要因素。本论文着眼于IOT节点无源传感领域,探索无源化、微型化的MEMS电流传感节点,旨在系统全面地给出基于压电材料的悬臂梁电流传感器的感测基础理论与方法,进一步拓展电流传感器对多种形式电流检测的响应规律,探索出一条满足IOT传感节点需求的电流传感器设计与工艺基本准则。主要研究内容及方法的概括如下:提出了对双芯载流导线无源被动非接触检测的电流传感器的两种基本构型——压电式与声表面波式悬臂梁感测结构。本论文综合考虑传感器加工制造难易程度、成本等因素,最终确定了带有微磁铁的压电悬臂梁结构作为无源电流传感器的最终方案;分析了被测单芯、双芯载流导线磁场、磁场梯度分布规律,对微型磁铁在磁场的作用下受力进行分析研究,得到磁场力的分布状态,确定带有微磁铁悬臂梁结构与导线的最优位置关系;研究压电材料在d_(31)、d_(33)工作模式下,电流传感器电极的布置形式,结合电极分布面积选择了输出电荷较大的d_(31)工作模式;建立电流传感器的机电耦合模型,研究多层压电结构的中性层位置对电荷输出的影响规律,并确定了压电层的设计准则;通过构建磁场力作用下的静态与动态输出模型,研究电流传感器的振动模态对输出电荷的抵消效应,发现在一阶模态下,压电层具有最大的电荷输出。分析了家用电器的典型信号形式及规律,确定了典型电流的变化特征区域;提出了对直流电流、矩形方波电流的测量方法,突破压电式电流传感器仅能测量交流电流的局限性,极大地拓展了压电式无源电流传感器对其他电流形式测量的范围。针对直流电流,通过测量直流电流加载段的阶跃信号带来的响应,实现对直流电流的测量。基于单位脉冲响应的杜哈梅积分,首次提出了直流载荷下的电流传感器响应理论模型;在理论上解释了直流电流实测波形的特征,给出了求解直流电流值的方法;对矩形方波电流信号特征进行研究,发现矩形方波信号为两反向阶跃信号在不同触发点的叠加形式,求解得到了方波电流载荷下的响应通解,发现了方波信号下悬臂梁输出响应的规律,提出了测量方波信号的方法,研究了阻尼等参数对信号测量响应的影响机制;在研究交流电流激励时,求解获得了通解下的响应,经过分析发现在传感器的初始响应阶段存在三种叠加响应,前两项为非稳态响应带来的振荡输出,主要包括初始条件引起的自由衰减振动与电流激励引起的简谐振动,第三项为测量时激励电流引起的的稳态响应,而电流传感器在稳态响应条件下才可测量的准确的电流响应,经过研究发现增大阻尼可以使传感器快速进入稳态响应,但会降低传感器的灵敏度;提出了通过压电分割理论提高灵敏度的方法,该方法将一整片压电片分割为多片,进行串联、并联连接。在串联连接时,理论模型表明,其电压可以比未分割的整片压电片的电压提高n倍;在并联连接时,理论模型表明,其分割前后的输出电压没有变化。本论文设计了十片压电片的高灵敏度电流传感器结构,研究了压电层厚度与输出电压的关系;加工制造了电流传感器样机。根据压电悬臂梁传感器结构特征设计了一套的MEMS工艺流程,对传感器加工制造的悬臂梁样机各层厚度进行了检测,对分割后的各片压电片极化效果进行了测试分析,探究了各工艺流程对极化效果的影响机制。搭建了传感器样机测试平台,确定了传感器的测试方案与方法,探究了传感器在被测导线的x、z方向不同位置下的输出响应,分析了因磁铁不对称造成的测量误差;测量了交流电流激励下的输出响应曲线与灵敏度曲线,分析了传感器进入非线性区域的原因,测试了多片压电片串联、并联条件下的输出响应,分析了样机输出响应与理论值产生差异的原因;测量了直流电流与矩形方波电流下的传感器输出响应,得到了响应与输出的线性曲线。本论文对无源电流传感器的研究与开发将为IOT电流传感节点无源化提供可借鉴的新想法、新思路、新技术。
【图文】：

原理图,互感器,原理图

面向 IOT 电流传感节点的主要问题及新需求。长期以来电流互感器(current transformer)广泛应用于对电力系统电流监测环节，电磁式电流互感器是基于同一个铁芯，通过铁芯两侧的互感线圈实现感应线圈对被测端线圈电流的测量，因此两侧互感线圈的通过中间铁芯实现感应与测量分离，并且通过两侧线圈数的配比可以实现对大电流很好的监测[18]，可实现电气隔离，确保工作人员安全。在对电流互感器使用过程中，电流互感器还存在一定问题，由于原理带来的测量参量单一，仅能测量交流信号，无法对直流、暂态信号进行测量[19]；传感器结构尺寸较大安装在有空间要求的场合有一定局限性；如图 1.1 所示为典型互感器原理图，当通入单一方向交流电流时在另一侧产生感应电流，但通入形成回路的双芯载流导线时，在铁芯中磁通量为相互抵消无法实现对双芯载流导线进行测量，，而当前在一些家庭用电设备中都采用单相三线制导线，在测量中需要将导线拆分测量，不利于传感器安装与电器使用安全，另外检测设备成本较高；

示意图,罗氏线圈,基本原理,示意图

第 1 章绪论上的。其输出信号形式为电流对时间的微分。通过对输出的电就可以反求出真实被测电流。罗氏线圈可对电流进行实时测量不发生饱和的特点，特别适用交流高频大电流测量，图 1.2 所本原理示意图，当原边被测电流 Ic发生变化时，罗氏线圈输出t会发生相应的变化。由于原理限制在测量过程中罗氏线圈只能法对直流电流进行测量，同时在双芯载流导线测量时，产生相生抵消无法对双线进行测量[21]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

【参考文献】