技术领域

本发明涉及一种基于通电导体受压形变、 并采用压电器件测量导体形变的电流传感 器， 在供电和变电设备的电流测量和控制方面具有 特殊用途， 也可广泛用于工业产品和设 备的电流测量、 控制、 校准以及过流保护和监控， 包括铁路机动车辆瞬时电流检测以及金 属冶炼和化工等行业大电流的测量、 控制与保护。

背景技术

电流传感和测量是工程技术以及科学研究中广 泛涉及的一个研究课题， 如供电和变电 设备的电流测量和控制， 工业产品和设备的电流测量、 控制、 校准以及过流保护和监控。 目前传统的电流传感器有电表、 基于霍尔效应的电流传感器和基于法拉第效应 的光纤电流 传感器。 传统电表使用简单、 但需要与通电导体串联使用， 而且测量电流小； 基于霍尔效 应的电流传感器的结构简单、 但温度特性不佳， 受温度漂移的影响大、 大电流导致铁芯磁 饱和； 基于法拉第效应的光纤电流传感器受电磁干扰 小、 但受温度漂移的影响大， 且结构 复杂， 成本较高， 目前市场还少见成熟的光纤电流传感器。 上述三种电流传感器均为有源 传感器， 工作时需要供电。 发明内容

本发明提供一种基于通电导体受压形变的压电 式电流传感器， 釆用压电器件测量导体 形变和导体电流。 通电导体形变测量的压电式电流传感器为一种 无源电流传感器。 本发明 提供的电流传感器具有结构简单、 高绝缘隔离、 受电磁干扰小、 温度特性好的特点。 这种 新型电流传感器的测量范围广、 响应时间短， 可以检测传统电流传感器所不能检测的大电 流值， 为高功率供电和变电设备的电流测量和控制提 供一种可靠技术手段。

本发明的目的是通过如下途径实现的：

压电式电流传感器包括通电导体、压电材料、 电极和绝缘外壳，通电导体形变产生的压 力通过绝缘外壳传递至压电材料并在压电材料 上形成预压力， 压电材料产生的电压信号由 电极和信号引线引出。

本发明还可包括信号处理及显示系统， 将压电材料产生的电压信号由电极和信号引线 引出并传输至信号处理及显示系统。 本发明还可通过连接件将通电导体与绝缘外壳 固定连接。

本发明的压电式电流传感器可以是由通电导体 、 压电材料、 电极、 绝缘外壳、连接件、 信号引线和信号处理及显示系统组成， 由连接件将通电导体形变产生的压力通过绝缘 外壳 传递至压电材料并在压电材料上形成预压力， 压电材料产生的电压信号由电极和信号弓 I线 引出并传输到信号处理及显示系统 （参见图 2)。

更进一步的， 通电导体由铁磁导体材料构成。

更进一步的， 由压电材料和电极组成的压电器件可为单层结 构或串联组成的多层结 构。

本发明的压电式电流传感器还可不需要连接件 ， 将绝缘外壳设置成环形， 通电导体套 装固定于绝缘外壳中心处。 （参见图 3 )。 由压电材料和电极组成的压电器件可为单层环 状 结构或串联组成的多层环状结构， 柱型通电导体形变产生的压力通过绝缘外壳传 递至单层 或多层环状压电器件。

本发明的原理如下：

本发明的原理是基于通电导体受压形变、 并采用压电器件测量导体形变的电流传感 器。设电流 I通过半径为 a的无限长圆柱形导线。 柱形导线内的电流密度 J为 Ι/(π& ² )。 电 流产生的磁场 Η平行于截面并垂直于柱体径向 r， 如图 1所示。 根据安培环路定理， 传导 电流产生的磁场 Η为：

H =丄 (r=a),

取一小夹角为 δθ的扇形截面， 单位长度扇形截面所受的洛伦兹压力 F为：

式中 Β为磁感应强度 （Β=μοΗ， μο为真空磁导率）。 洛伦兹力 F的方向平行于柱形导线的 径向并指向轴心。 柱体表面的压强 f为：

压强的大小正比于电流的平方 I ² ， 反比于柱体的截面积 7ra ² 。 作用于单位长度柱体外表面 的洛伦兹压力 P为：

如果圆柱形导线为铁磁材料 (Fe， Co, Ni及其合金)， 则磁导率 μ为 μ=μο^ 式中 ^为相对磁 导率。 一般金属导体的相对磁导率为 μ^1。 由于铁磁材料的相对磁导率很高 (对于纯铁， μ^5000) , 因此电流通过铁磁材料引起的形变很大。 电流通过单位长度铁磁材料柱体外表 面所产生的洛伦兹压力为： πα

在电流作用下， 柱体产生的径向变化 δ _Γ 为：

式中 β为导体的压缩系数。 对于纯铁， β=6.135χ 10· ¹² (m ² N)。 由上式估算的径向变化的数 值为： Sr = -2xl(T ¹⁵ I ² (m)。 如果通电电流为 1000 A，则径向变化值为 2 nm。 通过大电流的 导体都会受到很大的压力。 洛伦兹力使柱形导线产生形变。 压强和形变的大小正比于电流 的平方 I ² 。设交变电流的频率为 f， 则导线形变的频率为 2f。交变电流的频率一般为 50 Hz 或 60 Hz， 因此导线形变的频率为 100 Hz或 120 Hz， 处于声频范围内。 通过探测柱体表面 的压强或形变即可测量通过圆柱形导线的电流 。 本发明采用压电器件探测柱体表面的形 变。通过提取压电器件产生的频率为 2f的电压信号即可探测通过圆柱形导线的电流� �� 由于 交变电流的频率为 f， 因此新型电流传感器受传导电流的电磁干扰小 。 在 2f频率处， 压电 器件产生的电压信号幅值 V与交变电流和瞬变脉冲电流 I之间的关系为：

I = kV，

式中 k为比例常数。 当一已知交变电流通过导体时测量压电器件产 生的电压信号、 确定比 例常数为 k， 并完成对系统的标定。 压电器件的响应时间短、 动态范围广， 因此新型电流 传感器可以在大的动态范围内测量高频交变电 流和瞬变的脉冲电流。 附图说明

下面结合附图对本发明作进一歩详细说明：

图 1为圆柱形通电导体受力分析示意图；

图 2为连接于通电导体电流传感器的结构示意图� �

图 3为连接于通电导体为铁磁材料的电流传感器� �结构示意图。 具体实施例

实施例 1

通电导体形变测量的电流传感器由通电导体 1、 压电材料 2、 电极 3、 绝缘外壳 4、 连 接件 5、 信号引线 6和信号处理及显示系统 7组成， 如图 2所示。 由连接件 5将通电导体 1形变产生的压力通过绝缘外壳 4传递至压电材料 2并在压电材料 2上形成预压力， 压电 材料产生的电压信号由电极 3和信号引线 6引出并传输到信号处理及显示系统 7。 压电材 料可为晶体材料（a-Si0 ₂ ， ZnO, LiNb0 ₃ ， LiTa0 ₃ , A1P0 ₄ ， BaTi0 ₃ 等），陶瓷材料（BaTi0 ₃ -陶 瓷， PZT等）， 髙分子压电材料 (PVDF等）。 由压电材料 2和电极 3组成的压电器件可为单层 结构或串联组成的多层结构。 绝缘外壳 4可选择机械和绝缘性能好的 Α1Λ-陶瓷或酚醛树 脂等绝缘材料。在 2f频率处， 压电器件产生的电压信号幅值 V与频率为 f 的交变电流和瞬 变脉冲电流 I之间的关系为 I=kV, 式中 k为比例常数。 当一己知交变电流 Ir通过通电导体 1时， 设压电器件产生的电压信号的测量值为 Vr， 则比例常数为： k=Ir/Vr。 系统标定之后， 交变电流和瞬变脉冲电流 I与压电器件产生的电压信号 V之间的关系为： I=IrV/Vr。

实施例 2

通电导体形变测量的电流传感器由通电铁电导 体 1、压电材料 2、 电极 3、绝缘外壳 4、 信号引线 6和信号处理及显示系统 7组成， 如图 3所示。 绝缘外壳 4呈环形， 通电铁电导 体 1套装固定于绝缘外壳中心处。 通电铁电导体形变产生的压力通过绝缘外壳 4传递至压 电材料 Ί ·、 压电材料产生的电压信号由电极 3和信号引线 6引出并传输到信号处理及显示 系统 7。 压电材料可为晶体材料（α-SiO" ZnO, LiNbO:(， A1P(¾, BaTiO,等），陶瓷材料（BaTi0 ₃ - 陶瓷， PZT 等）， 高分子压电材料 (PVDF等）。 由压电材料 2和电极 3组成的环状压电器件可 为单层结构或串联组成的多层结构。 绝缘外壳 4可选择机械和绝缘性能好的 Α1Λ-陶瓷或 酚醛树脂等绝缘材料。 柱型铁电导体 1和环状压电器件呈紧配合连接并在压电器件 2上形 成预压力。 由于铁磁材料的相对磁导率很高 (对于纯铁， μ^5000)， 因此电流通过铁磁材料 引起的形变很大。 电流通过单位长度铁磁材料柱体外表面所产生 的洛伦兹压力为： Ρ = 。

3π

在电流作用下， 柱体产生的径向变化 δ _Γ 为： =— βμ。μ

6π ， 式中 β为导体的压缩系数。 对于纯铁， 10· ¹² (m ² /N)。 由上式估算的径向变化的数 值为： δΓ = -2χ1(Τ ¹⁵ Ι ² (m)。 如果通电电流为 1000 Α,则径向变化值为 2 nm。 通过大电流的 导体都会受到很大的压力。 压电器件产生的电压信号幅值 V与交变电流和瞬变脉冲电流 I 之间的关系为 I=kV, 式中 k为比例常数， 当一已知电流 Ir通过导体 1时设压电器件产生的 电压信号的测量值为 Vr， 则比例常数为： k=Ir/Vr。 系统标定之后， 交变电流和瞬变脉冲电 流 I与压电器件产生的电压信号 V之间的关系为： I=IrV/Vr。

在本发明中由于压电材料为高阻抗材料， 因此可以实现通电导体与电流传感器的高绝 缘隔离。 如果采用石英压电晶体的 AT切片制成压电器件， 则压电器件和电流传感器的温 度性能稳定、 受温度漂移的影响小。 新型电流传感器是通过提取压电器件产生的频 率为 2f 的电压信号来探测通过导线的电流。 由于交变电流的频率为 f， 因此新型电流传感器受传 导电流的电磁干扰小。 压电器件的响应时间短、 动态范围广， 因此新型电流传感器可以在 大的动态范围内测量高频交变电流和瞬变的脉 冲电流。 本发明提供的电流传感器具有结构 简单、 体积小、 高绝缘隔离、 受电磁干扰小、 温度特性好的特点。