一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器

摘要

本发明涉及一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，所述声表面波电流传感器包括：压电基片、设置于压电基片上的第一延迟线及第二延迟线、相移器、放大器、混频器及设置于第二延迟线的叉指换能器之间的磁致伸缩合金薄膜。其中，该声表面波电流传感器还包括覆盖于压电基片表面的SiO2薄膜。本发明通过采用一种平行同向设置的双延迟线型结构，具有较高的检测灵敏度、良好的温度稳定性及易实施性，有效地解决了目前电流传感器存在的检测灵敏度低、检测精度低、稳定性差及不易实施的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及声学技术领域，特别涉及一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器。

背景技术

高灵敏度、高分辨率、良好稳定性及可靠性的高性能电流检测技术研究在智能电网线路检测、电力冶金、轨道交通中供电安全预警与救援及工业自动化中电源继保等领域具有重要意义。现代电力系统向大容量、高压电、小型紧凑以及输配电系统自动化的发展方向，电流传感器在电力系统控制保护和监控中起到了枢纽作用，因此，现代电网的发展对电流传感器不仅提出了小型化、高可靠及稳定性的要求，还要求它具有高低压全隔离、抗电磁干扰性好、宽频带、无铁磁饱和以及灵敏度高等特点。目前成熟应用于电流检测的传感器技术主要有霍尔型与光纤型两种。

基于霍尔效应的霍尔型电流检测技术以其精度高、线性度好和快速响应等优点，在国内外电流传感领域占有主导地位。其基本原理如图1(a)所示，霍尔元件放置于磁芯开口气隙处，当导体有电流通过时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的感应磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，经过外围电路对电压信号进行检测分析得到导体电流的大小。这种检测技术已经广泛应用于UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。

光纤式电流传感器的基本原理是利用法拉第磁光效应，这种电流传感器具有高灵敏度、传感探头无需供电以及良好的稳定性等特点，其基本原理如图1(b)所示，由磁光材料制作的光纤环绕在通电导线上，通过光学调制器和接收处理终端测量光波在通过光纤时，其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。目前光纤式电流传感器在输电线网检测、变电站监测以及工业自动化电源继保中得到了部分应用。

但是这两种技术的电流传感器在实际应用中面临了一些亟待解决的瓶颈问题：第一，由于自身的构造结构原因，霍尔电流传感器需要外加电源，通过外围信号放大及处理等电路将传感器信号输送到智能设备端，这就无法避免因电源供电影响，高低压及交直流电路干扰影响等降低霍尔电流传感器的检测性能；第二，检测精度容易受到由于霍尔元件本身的不稳定导致的偏移电流以及温度漂移的影响；第三，由于利用原边导线的电磁场原理，传感器附件外部电流、导线距离、传感器形状以及结构屏蔽性都影响到了传感器的抗干扰性；第四，存在着体积较大，绝缘困难以及输出端不能开路等问题，虽然光纤电流传感器不存在供电绝缘的问题，但其输出灵敏度受外接温度、光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大，并且实际应用时，组建通信网络需要铺设大量光纤路网，无论从传感器自身还是从工程施工的角度都存在极大的困难，同时光学调制器和接收处理终端精密度高，技术难度较大，系统搭建成本很高；第五，随着输电线网及工业生产的智能化传感器网络的发展，为保证能够及时检测定位故障源，对于传感器的定位与识别要求越来越高，虽然霍尔传感器与光纤传感器也逐步加入ZigBee等无线模块，但也增加了供电问题并影响了系统的稳定性；第五，由于霍尔传感器与光纤传感器自身材料构成的原因，环境温度的变化会导致测量结果出现漂移和偏差，灵敏度降低，整体温度稳定性较差。即使目前已对霍尔和光纤传感器加入温度补偿电路或调整光学元件结构达到一定的温度稳定性，但从系统总体构成及实现上又增加了复杂度，导致系统整体稳定性同样受到影响。

2000年，德国弗莱堡大学的Leonhard Reindl和R.Steindl等人将声表面波技术与磁阻效应结合应用于电流测量中，目前已经实验获得了在-800A到800A的大电流检测范围内检测精度为5％的无线无源基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器。但是从目前的实验报道来看，这种声表面波与磁阻效应结合的电流检测技术在灵敏度与温度稳定性等方面遇到一些瓶颈问题。首先，基于磁阻效应的磁敏材料在大电流检测中磁场敏感度不够高，传感器采用声表面波器件时，域幅度响应作为传感量，导致电流检测的灵敏度及精度均不高。此外，此电流检测技术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，导致此种技术离实用化距离甚远。

发明内容

本发明的目的是针对现有电流传感器存在的灵敏度低、稳定性差及不易实施的缺陷，设计了一种具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，提高了电流检测的灵敏度、精度及稳定性，使声表面波技术较为容易实施。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，该基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器包括：

压电基片、设置于压电基片上的第一延迟线及第二延迟线、相移器、放大器、混频器及设置于第二延迟线的叉指换能器之间的磁致伸缩合金薄膜，其中：

第一延迟线、第二延迟线分别构成第一振荡环路和第二振荡环路的一部分；第一振荡环路和第二振荡环路的输出经所述混频器混频；其中，在外部电流产生磁场的作用下，磁致伸缩合金薄膜发生磁致伸缩应变和ΔE效应，使得薄膜尺寸和弹性模量发生改变，导致声表面波延迟线振荡频率发生变化，进而使得混频输出频率发生改变。

进一步地，所述压电基片表面设置一层SiO₂薄膜。

进一步地，所述压电基片绕y方向旋转128°切割并沿x方向传播，材质为LiNbO₃。

进一步地，所述第一延迟线的叉指换能器及第二延迟线的叉指换能器均采用单向单相结构，4个所述叉指换能器的叉指对之间均设置有反射电极；所述叉指对由两个宽度为1/8λ_x的电极组成，两个所述电极之间间距为1/8λ_x，所述反射电极的宽度为1/4λ_x，且所述反射电极与其相应的叉指对的边缘距离为3/16λ_x，反射电极的材质为厚度为1％～1.5％λx的铝。其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_x＝v/f，v为声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述第一延迟线/第二延迟线的振荡频率。

进一步地，所述第一延迟线的第一叉指换能器的反射电极设置于所述第一叉指换能器的叉指对的右侧，所述第一延迟线的第二叉指换能器的反射电极设置于所述第二叉指换能器叉指对的左侧，所述第二延迟线与所述第一延迟线具有相同的结构。

进一步地，所述第一延迟线的第一叉指换能器采用梳状结构，所述第一叉指换能器上的梳齿与所述第三叉指换能器上的梳齿之间的中心间距与所述第二叉指换能器的长度相等，所述第一叉指换能器与所述第二叉指换能器之间的中心间距与所述第一叉指换能器的长度相同，所述第二延迟线与所述第一延迟线具有相同的结构。

进一步地，，所述第一叉指换能器的梳齿之间填充电极的宽度及边缘间距均为1/8λ_x，所述第二延迟线与所述第一延迟线具有相同的结构，其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_x＝v/f，v为所述声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述第一延迟线/第二延迟线的振荡频率。

进一步地，，所述磁致伸缩合金薄膜采用膜厚为300～700nm的铁镍合金(Fe:49％，Ni:51％)。

进一步地，所述磁致伸缩合金薄膜与其两侧的第一叉指换能器及第二叉指换能器之间的边缘间隔均为N×λ_x，其中，N为整数，取值为3到10之间，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_x＝v/f，v为所述声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述第一延迟线/第二延迟线的振荡频率。

进一步地，所述磁致伸缩合金薄膜沿x方向的长度为w，沿y方向的长度为0.5w，其中，w为所述第一叉指换能器的声孔径，所述第一延迟线的叉指指换能器及所述第二延迟线的叉指指换能器的声孔径均相同。

进一步地，所述磁致伸缩合金薄膜中心间距的高度小于所述第一叉指换能器/所述第二叉指换能器/所述第三叉指换能器/所述第四叉指换能器的声孔径。

进一步地，所述第一叉指换能器及第三叉指换能器的长度均为100～600λ_x；所述第二叉指换能器及第四叉指换能器的长度均为30～100λ_x，其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_x＝v/f，v为所述声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述第一延迟线/第二延迟线的振荡频率。

本发明实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器采用平行且同向的双延迟线差分结构，采用LiNbO₃为压电基片，采用SiO₂薄膜改善压电基片的温度稳定性，并采用磁致伸缩合金薄膜来响应电流，具有较高的检测灵敏度、良好的温度稳定性及易实施性，有效地解决了目前电流传感器存在的检测灵敏度低、温度稳定性差及不易实施的问题。

附图说明

图1(a)为霍尔型电流传感器立体结构示意图；

图1(b)为光纤型电流传感器立体结构示意图；

图1(c)为无线无源基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器立体结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器立体结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的第一叉指换能器/第二叉指换能器/第三叉指换能器/第四叉指换能器的平面结构示意图；

图4(a)为本发明一实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的第一延迟线的幅频响应曲线示意图；

图4(b)为本发明一实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的第一延迟线的相频响应曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。

下面以图2为例说明本发明一实施例提供的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的具体结构组成及工作过程。

如图2所示，本发明一实施例提供的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器包括：一块压电基片(图中未标出)、设置于压电基片表面的第一延迟线和第二延迟线、相移器5、放大器6、混频器11、分布于第一延迟线和第二延迟线两端的吸声胶(图中未标出)、覆盖于第一延迟线和第二延迟线表面的SiO₂薄膜1及设置于第二延迟线的叉指换能器之间的磁致伸缩合金薄膜2。

其中，压电基片为具有高压电系数的绕y方向旋转128°切割且沿x方向传播的LiNbO₃压电基片。第一延迟线的叉指换能器及第二延迟线的叉指换能器均采用单向单相结构，第一延迟线的叉指换能器和第二延迟线的叉指换能器均采用铝电极且电极膜厚为1％～1.5％λ_x。磁致伸缩合金薄膜2采用膜厚为500nm的铁镍合金(Fe:51％，Ni:49％)。磁致伸缩铁镍合金薄膜2沿x方向的长度为w，y方向的长度为0.5w。其中，w为第一延迟线和第二延迟线的叉指换能器的声孔径。所述铁镍合金薄膜与其两侧的两个叉指换能器之间的边缘间隔均为N×λ_x，N为整数，取值为3到10之间,其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长。该磁致伸缩薄膜尺寸结构的设计，主要是为了增大薄膜的磁致伸缩效应，改善传感器的灵敏度，并改善传感器在电流增大和减小时响应的一致性。

其中，SiO₂薄膜1作为温度补偿层，利用两种温度系数相反的特点来降低本发明实施例提供的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器本身的温度系数，从而达到提高该声表面波电流传感器温度稳定性的目的。

该声表面波电流传感器的具体工作过程如下：

S1：第一延迟线的第二叉指换能器7将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片表面传播；

S2：第一延迟线的第一叉指换能器4接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号；

S3：转换后的电信号经过第一相移器5将相位移动后再经第一放大器6放大；

S4：经过一定的时间延迟后，放大后的电信号传输给混频器11(延迟时间t的大小取决于基片材料的声表面波的相速度v及第一叉指换能器4和第二叉指换能器7之间的间距L，即t＝L/v)；

S5：第二延迟线与第一延迟线同步工作，工作过程与步骤(1)-(3)相同(由于第二延迟线中设置了铁镍合金薄膜，其工作产生的振荡频率与第一延迟线工作产生的振荡频率有所不同)；

S6：混频器11计算并输出第一延迟线的振荡频率与第二迟线的振荡频率的差(滤掉不需要的频率分量)；

S7：根据混频器11输出的振荡频率，显示终端显示所要检测的电流值(电流值I＝kf，k为一个常数，其值与所选择的磁致伸缩合金薄膜有关，f为混频器11输出的振荡频率)。

如图2所示的声表面波电流传感器，第一延迟线的第一叉指换能器4的长度为130λ_x，并分为4组，每组包含梳齿和梳齿之间分布的接地假指，梳齿的长度为10λ_x，接地假指的长度为1/8λ_x。第一延迟线的第二叉指换能器7的长度为40λ_x。第一叉指换能器4与第二叉指换能器7之间的中心距离为60λ_x。在第一延迟线和第二延迟线表面覆盖用于温度补偿和叉指保护的SiO₂薄膜，膜厚为300nm。第一延迟线的两叉指换能器之间分布有磁致伸缩铁镍合金薄膜，膜厚为500nm，薄膜沿x方向长度为50λ_x，y方向长度为50λ_y。磁致伸缩铁镍合金薄膜与延迟线的第一叉指换能器和第二叉指换能器的边缘间距均为5λ_x，薄膜的分布大小为50λ_x×50λ_y。第一延迟线的声孔径为60λ_y。此外，该基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的第二延迟线与第一延迟线的结构相同，在同一压电基片上平行且同向设置。这样，就获得了一种新型基于图形化磁致伸缩薄膜的声表面波电流传感器，所制备样品的面积大小为10mm×5mm，这种情况下该声表面波电流传感器工作所产生的振荡频率为80MHz。

其中，磁致伸缩合金薄膜2也可以为其他具有相同作用的磁致伸缩合金薄膜。铁镍合金具有较为理想的单晶磁致伸缩常数(约300×10^-6)，不含稀土元素，价格低廉并具有良好的韧性，可以承受拉应力和剪应力，适用于压应力或拉应力条件且能承受振动的应用场合，磁致伸缩合金薄膜2的厚度会直接影响到基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的检测灵敏度，通过理论分析和实验验证最优膜厚应为500nm。

其中，磁致伸缩合金薄膜2这种长宽比结构设计主要是为了增大薄膜的磁致伸缩效应，增大电流传感器的灵敏度，并改善电流传感器在电流增大和减小时响应的一致性。该磁致伸缩合金薄膜2的长宽比直接影响到其磁致伸缩效应和磁滞现象，合金薄膜2的磁致伸缩系数与其长宽比成正比，磁致伸缩合金薄膜的磁滞效应与其长宽比成反比。长宽比如果过小，磁致伸缩效应不明显，如果太大，则会增加磁致伸缩合金薄膜的磁滞现象，进而影响电流传感器在电流增大和减小时响应的一致性，因而采用上述最优结构。

其中，LiNbO₃压电基片具有较高的声波速度，声波速度可达3979m/s，该压电基片的压电耦合系数为5.4％，可以改善基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的损耗与信噪比性能，提高基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的灵敏度。

如图2所示的声表面波电流传感器，第一叉指换能器4及第三叉指换能器8均采用梳状结构，即第一叉指换能器4叉指换能器及第三叉指换能器8被周期性的抽走部分叉指对，分成了若干组(从2到5组不等)被称为梳齿的结构单元。针对第一延迟线而言，梳齿之间的中心间隔与第二叉指换能器7的长度相等，同时第一叉指换能器4和第二叉指换能器7之间的中心间距与第一叉指换能器4的长度相同；针对第二延迟线而言，梳齿之间的中心间隔与第二叉指换能器7的长度相等，同时第二叉指换能器7和第一叉指换能器4之间的中心间距与第一叉指换能器4的长度相同。同时，在第一延迟线的第一叉指换能器的梳齿之间填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x，同样，第二延迟线的第一叉指换能器的梳齿之间也填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x，以保持在声传播路径上声波速度的均一性。

其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_x＝v/f，v为所述声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述第一延迟线/第二延迟线的振荡频率。第一延迟线和所述第二延迟线的振荡频率近似相等，对λ_x的值的大小影响较小。

采用该梳状结构主要用于实现声表面波器件通带内只有一个相位周期，即在器件通带内满足振荡器起振条件的相位对应频率点只有一个，从而提高振荡器的频率的稳定性。

如图2所示的声表面波电流传感器的第一叉指换能器4的长度及宽度、第二叉指换能器7的长度及宽度、第三叉指换能器8的长度及宽度、第四叉指换能器8的长度、接地假指的长度、反射电极的宽度及叉指对的电极宽度等均不是固定不变的，仅当采用铁镍合金作为磁致伸缩薄膜时适用，当磁致伸缩薄膜的材质变化时，相应的第一叉指换能器4的长度及宽度、第二叉指换能器7的长度、第三叉指换能器8的长度及宽度、第四叉指换能器8的长度及宽度、接地假指的长度、反射电极的宽度及叉指对的电极宽度等都相应要改变。

如图3所示，第一延迟线的第一叉指换能器4、第二叉指换能器7和应用于第二延迟线的第三叉指换能器8及第四叉指换能器3均由叉指对310和分布于叉指对310之间的反射电极311构成。叉指对的电极宽度均为1/8λ_x，且相应的电极之间间距均为1/8λ_x，反射电极311的宽度均为1/4λ_x，且反射电极311与叉指对310的边缘距离均为3/16λ_x。考虑到本发明优选的实施例提供的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器采用绕竖直方向旋转128°切割且沿水平方向传播的LiNbO₃压电基片，且第一延迟线和第二延迟线的叉指换能器均采用铝电极，在第一延迟线的第一叉指换能器4和第二延迟线的第三叉指换能器8中，反射电极311置于叉指对310的右边。与之相反的是，第一延迟线的第二叉指换能器7和第二延迟线的第四叉指换能器3中，反射电极311置于叉指对310的左侧。

从图4中可以看出，本发明实施例提供的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器具有低损耗(损耗小于6dB)和单一振荡模式的特点，也就是说，在作为振荡器的频率控制元中，如果该电流传感器在最低损耗时对应的频率点满足振荡器起振要求，则对应的相位为A。如果相位偏移180度到B和V频率点，此时B和V频率点对应的电流传感器的损耗比A点对应频率点的损耗大10dB，这就使B和V对应频率点不能满足振荡要求，从而使得该电流传感器可以稳定地在A点起振，实现了电流传感器的单一振动模式。

本发明实施例提供的一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器采用平行且同向的双延迟线差分结构，采用LiNbO₃为压电基片，采用SiO₂薄膜改善压电基片的温度稳定性，并采用磁致伸缩合金薄膜来响应电流，消除了外界环境特别是温度的影响，具有较高的检测灵敏度、良好的温度稳定性及易实施性，有效地解决了目前电流传感器存在的检测灵敏度低、温度稳定性差及不易实施的问题。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、VD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。