一种基于倒置微带天线的电流检测装置及其检测方法

1.本发明属于测量和天线技术领域，涉及一种基于倒置微带天线的电流检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.随着国家在用电普及方面的大力投入，架设的各种线路长度已经达到数百万千米，电气设备形式种类多、数量大，广泛的分布在各种复杂地理环境中，要实现所有线路及电气设备状态的实时有效的监控，难度非常大。所以提出一种高效、智能的电网监测手段具有重要意义。
3.物联网技术利用各种先进传感感知技术、互联网云技术结合人工智能算法与自动化技术融合而成，是未来信息技术重点突破的主要方向，蕴藏着非常大的理论与技术创新空间，为当前一些迫切要解决的社会、工业、农业问题提供了一条新的解决途径与手段[4]。基于物联网技术将大量无线传感监测节点嵌入、植入到系统的物体中，可为各类系统绘制出全方位的运行状态视图，大大提高监测覆盖范围和故障点的定位精准度。因此开发一种同时具备电流检测以及信号传输的电流检测装置对于电网的实时有效监控尤为重要。
[0004]
现有技术中的电流检测装置，主要有电容式电流传感器、悬臂梁谐振式电流传感器、霍尔电流传感器、全光纤电流传感器、磁通门电流传感器、罗氏线圈电流传感器、巨磁阻电流传感器等，存在着结构复杂、难以加工、成本高、等问题，并且无法发实现信号的无线传输，会使整个电流监测系统变得复杂。
[0005]
自从出现实用微带天线以来,这一印刷电路天线发展之快令人瞩目。微带天线通过贴片天线，介质基板和接地板组成，其结构简单，具有常规天线所没有的独特优点，如剖面薄,体积小,重量轻,造价低等。近年来，微带天线已经得到了广泛的是应用，其已大量用于约100mhz至100ghz的宽广频域上,包括卫星通信、雷达、遥感、导弹遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线电设备等。微带天线在传感和信号传输领域具有巨大的研究潜力。但传统微带天线通过贴附与物体表面，跟随物体发生形变，从谐振频率的偏移中获取信息，这种应用于传感的方法不仅存在着应变传递带来的误差，同时天线贴片还会因为应力疲劳带来误差，减少的微带天线的使用寿命。


技术实现要素：

[0006]
为了克服上述为题，本发明提供了一种基于倒置微带天线的电流检测装置及其检测方法；倒置微带天线的接地板与天线贴片之间存在一个空气腔，该方法主要用于倒置微带天线对电流的无线检测与无线传输梁的上表面的永磁体在导线周围的磁场中受到磁力，力传递到金属梁上使其发生变形，改变梁与天线贴片之间空气腔的厚度，使倒置微带天线的谐振频率会随之发生偏移。该基于倒置微带天线的电流检测装置可以实现电流的检测以及信号的无线传输。倒置微带天线与传统的微带天线相比，消除了应变传递中的误差和天线贴片的应力疲劳带来的误差，使用寿命更长。
[0007]
一种基于倒置微带天线的电流检测装置，包括永磁体1、倒置微带天线、封装8和上端盖9，其中倒置微带天线由金属接地板2、天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4、微带线5、两个支撑体6和介质基板7组成，上端盖9固定连接在封装8顶部，将封装8盖合，并使得封装8顶部的封装半圆柱形槽802与上端盖9底部的上端盖半圆柱形槽901扣合形成完整的圆柱形槽，封装8内开有方形孔801，方形孔801底部固定有介质基板7，天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5从前往后依次沉积或贴附在介质基板7的顶面后端，金属接地板2底部的前后两端分别通过支撑体6连接在介质基板7上，且天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5位于金属接地板2和介质基板7之间，金属接地板2的上表面固定有永磁体1。
[0008]
所述的天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5为一个整体，且材料相同，并且天线贴片3对应的是金属接地板2的中心位置。
[0009]
所述金属接地板2的下表面与天线贴片3之间形成一个空气腔。
[0010]
所述天线贴片3的形状为矩形、圆形、梯形或正多边形。
[0011]
所述金属接地板2、天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5材质均为金属良导体，包括铜、银或金。
[0012]
所述的介质基板7为绝缘材料。
[0013]
所述上端盖9通过其上的定位柱902与封装8上的定位孔803实现定位。
[0014]
一种基于倒置微带天线的电流检测方法，包括下列步骤：
[0015]
步骤一，通过圆柱形槽将电流检测装置固定在被测电缆上；
[0016]
步骤二，被测电缆中的电流产生的磁场使永磁体1受力，金属接地板2随之发生弯曲，使金属接地板2的下表面与天线贴片3之间的空气腔厚度发生变化；当空气腔厚度在一定范围内发生变化时，倒置微带天线的谐振频率会随之发生单调的偏移，建立空气腔厚度与倒置微带天线谐振频率的函数模型，模型如下：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022]
[0023]
δl＝h(ξ1ξ3ξ5/ξ4)
[0024][0025][0026][0027]
ξ4＝1+0.0377tan-1
[0.067(w/h)
1.456
]
×
{6-5exp(0.036(1-∈r))}
[0028]
ξ5＝1-0.218exp(-7.5w/h)
[0029][0030]
其中：fr表示倒置微带天线的谐振频率；c表示光速；l表示贴片天线3的长度；w表示贴片天线3的宽度；δl表示倒置微带天线的长度补偿值；h表示空气腔的厚度；h2表示倒置微带天线的总厚度；∈
eff
表示倒置微带天线的有效介电常数；∈
r1
表示空气的相对介电常数；∈
r2
表示介质基板7的有效介电常数；q1表示通过共形映射所求出的空气腔占整个辐射空间的空间占比；q2表示通过共形映射所求出的介质基板7占整个辐射空间的空间占比；w
ef
表示天线贴片7的有效宽度；v
∈
介质基板通过共形映射后的厚度；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4和ξ5为无量纲的中间变量；∈r表示倒置微带天线中介质基板7的相对介电常数；
[0031]
将上述建立的空气腔厚度与倒置微带天线谐振频率的函数模型记为：
[0032]fr
＝f(h)
[0033]
步骤三，永磁铁1受力时，金属接地板2与天线贴片3不再是平行的，沿金属接地板2的长度方向，各点处挠度是不完全相同的，将金属接地板2长度方向中点处的挠度带入空气腔厚度变化与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型fr＝f(h)中，即令h＝ν，建立金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型：
[0034]fr
＝f(ν)
[0035]
上式中v表示金属接地板2长度方向中点处的挠度；
[0036]
步骤四，根据毕奥—萨伐尔定律分析长直导线感应磁场强度和磁场梯度在空间中的分布，利用微元法研究永磁体1在磁场中的受力，建立被测电缆中被测电流与永磁体1受力的函数模型：其中br为永磁体1剩余磁通量，v为永磁体1体积，μ0为真空磁导率，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体1质心并垂直于永磁体1上表面的直线为z轴、以通过永磁体1质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标；
[0037]
再将永磁体1和金属接地板2当作一个整体进行受力分析，建立金属接地板2长度方向中点处挠度和永磁体1受力的函数模型，如下：
[0038][0039]
其中ν为金属接地板2长度方向中点处挠度；e为金属接地板2的弹性模量；i为金属接地板2的横截面对弯曲中性轴的惯性矩；l为金属接地板2的长度；
[0040]
步骤五，令ν＝ki0，建立金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型计算被测电流的大小，模型如下：
[0041]fr
＝f(ki0)
[0042]
其中：
[0043][0044]
在直流双芯电缆中：i1＝-i2；|i1|＝|i2|＝|i0|；
[0045]
本发明的有益效果：
[0046]
(1)使用寿命长：传统微带天线作为传感器是通过贴附与物体表面，跟随物体发生形变，从谐振频率的偏移中或许信息。但本发明中的倒置微带天线是通过金属接地板的变形，使金属接地板与天线贴片之间的空气腔厚度发生变化，从而使天线的谐振频率发生偏移进行传感。金属接地板的力学性能要优于通过沉积附着在介质基板上天线贴片的力学性能，所以本发明可以避免天线贴片还会因为应力疲劳带来误差，增加的微带天线的使用寿命。
[0047]
(2)信号无线传输：现有技术中的电流检测装置，如霍尔电流传感器无法实现信号的无线传输，这会使整个电流监测系统非常复杂。本发明是基于倒置微带天线的电流监测装置，其不仅可以进行电流的检测，还可以进行信号的无线传输，节省电流监测系统中用于信号传输的线路，对整个系统的搭建带来巨大的便利。
附图说明
[0048]
图1为本发明基于倒置微带天线的电流检测装置的轴测图；
[0049]
图2为本发明的一个实施例的总体结构的有局部剖视的主视图；
[0050]
图3为本发明的一个实施例的总体结构沿a-a面剖视图；
[0051]
图4为本发明的一个实施例的检测单元结构的轴测图；
[0052]
图5为本发明的一个实施例的检测单元结构的分解示意图；
[0053]
图6为本发明检测双芯电缆电流的原理图；
[0054]
图7为本发明中倒置微带天线谐振频率随空气腔厚度变化偏移的回波损耗s11曲线图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1至图5所示，一种基于倒置微带天线的电流检测装置，包括永磁体1、倒置微
带天线、封装8和上端盖9，其中倒置微带天线由金属接地板2、天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4、微带线5、两个支撑体6和介质基板7组成，螺钉10将上端盖9通过螺钉10固定连接在封装8顶部，将封装8盖合，并使得封装8顶部的封装半圆柱形槽802与上端盖9底部的上端盖半圆柱形槽901扣合形成完整的圆柱形槽，实现对被测电线的定位和夹紧，封装8内开有方形孔801，方形孔801底部固定有介质基板7，天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5从前往后依次沉积或贴附在介质基板7的顶面后端，金属接地板2底部的前后两端分别通过支撑体6连接在介质基板7上，且天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5位于金属接地板2和介质基板7之间，金属接地板2的上表面固定有永磁体1。
[0058]
具体说倒置微带天线的介质基板7的下表面与方形孔801的下表面固定连接，倒置微带天线的天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5沉积或贴附在介质基板7上，金属接地板2其两端固定于两个支撑体6上，两个支撑体6的另一端与介质基板7连接，金属接地板2的上表面固定有永磁体1，使金属接地板2下表面与天线贴片3之间形成一个空气腔。
[0059]
所述的天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5为一个整体，且材料相同，并且天线贴片3对应的是金属接地板2的中心位置。
[0060]
所述金属接地板2的下表面与天线贴片3之间形成一个空气腔。
[0061]
所述天线贴片3的形状为矩形、圆形、梯形或正多边形。
[0062]
所述金属接地板2、天线贴片3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5材质均为金属良导体，包括铜、银或金。
[0063]
所述的介质基板7为绝缘材料。
[0064]
所述上端盖9通过其上的定位柱902与封装8上的定位孔803实现定位。
[0065]
一种基于倒置微带天线的电流检测方法，包括下列步骤：
[0066]
步骤一，通过圆柱形槽将电流检测装置固定在被测电缆上；即将被测电缆套置并夹紧在圆柱形槽内，实现对被测电线的定位和夹紧；
[0067]
步骤二，如图6所示，被测电缆中的电流产生的磁场使永磁体1受力，金属接地板2随之发生弯曲，使金属接地板2的下表面与天线贴片3之间的空气腔厚度发生变化；当空气腔厚度在一定范围内发生变化时，倒置微带天线的谐振频率会随之发生单调的偏移，研究空气腔厚度变化与倒置微带天线谐振频率偏移之间的内在联系，建立空气腔厚度与倒置微带天线谐振频率的函数模型，模型建立过程如下：
[0068][0069][0070]
[0071][0072][0073][0074]
δl＝h(ξ1ξ3ξ5/ξ4)
[0075][0076][0077][0078]
ξ4＝1+0.0377tan-1
[0.067(w/h)
1.456
]
×
{6-5exp(0.036(1-∈r))}
[0079]
ξ5＝1-0.218exp(-7.5w/h)
[0080][0081]
其中：fr表示倒置微带天线的谐振频率；c表示光速；l表示贴片天线3的长度；w表示贴片天线3的宽度；δl表示倒置微带天线的长度补偿值；h表示空气腔的厚度；h2表示倒置微带天线的总厚度(金属接地板2上表面到介质基板7下表面之间的距离)；∈
eff
表示倒置微带天线的有效介电常数；∈
r1
表示空气的相对介电常数(通过上文公式计算得到)；∈
r2
表示介质基板7的有效介电常数；q1表示通过共形映射所求出的空气腔占整个辐射空间的空间占比；q2表示通过共形映射所求出的介质基板7占整个辐射空间的空间占比；w
ef
表示天线贴片7的有效宽度；v
∈
介质基板通过共形映射后的厚度；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4和ξ5为无量纲的中间变量；∈r表示倒置微带天线中介质基板7的相对介电常数(材料特定属性，通过查阅手册获得)；
[0082]
将上述建立的空气腔厚度与倒置微带天线谐振频率的函数模型记为：
[0083]fr
＝f(h)
[0084]
步骤三，永磁铁1受力时，金属接地板2与天线贴片3不再是平行的，沿金属接地板2的长度方向，各点处挠度是不完全相同的，而天线贴片3正上方对应的是金属接地板2的中心部分，金属接地板2的中心部分在变形过程中曲率较小，所以将该部分近似为平面，并将金属接地板2长度方向中点处的挠度带入空气腔厚度变化与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型fr＝f(h)中，即令h＝v，建立金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线
谐振频率偏移的函数模型：
[0085]fr
＝f(ν)
[0086]
上式中ν表示金属接地板2长度方向中点处的挠度；(f(ν)方程式同步骤二中f(h)，仅仅改变了自变量)
[0087]
步骤四，根据毕奥—萨伐尔定律分析长直导线感应磁场强度和磁场梯度在空间中的分布，利用微元法研究永磁体1在磁场中的受力，建立被测电缆中被测电流与永磁体1受力的函数模型：其中br为永磁体1剩余磁通量，v为永磁体1体积，μ0为真空磁导率，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体1质心并垂直于永磁体1上表面的直线为z轴、以通过永磁体1质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标；
[0088]
再将永磁体1和金属接地板2当作一个整体进行受力分析，建立金属接地板2长度方向中点处挠度和永磁体1受力的函数模型，模型建立过程如下：
[0089]
双芯的被测电缆内部有一根火线和一根零线，它们的电流方向相反，如图6所示。
[0090]
单根导线周围的磁场强度h0如下式：(指的是被侧电缆中的单根导线)
[0091][0092]
单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量h
z0
为：
[0093][0094]
双芯电缆在z轴方向的合成磁场强度hz：
[0095][0096]
双芯电缆内部零线电流i1＝-i0，火线的电流i2＝i0。
[0097]
其中μ0为真空磁导率，r为空间中任意一点到单根导线的径向距离，i0为被测电缆的电流，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体1质心并垂直于永磁体1上表面的直线为z轴、以通过永磁体1质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，i0为被测电缆中的电流；
[0098]
单根导线在z轴方向的磁场梯度为：
[0099][0100]
双芯电缆在z轴方向的合成磁场梯度为：
[0101][0102]
双芯电缆对永磁体1产生的z轴方向的磁场力fz为：
[0103][0104]
通过计算fz的最优解可知，对于双芯电缆，当z轴为零线与火线的对称轴时，永磁体1受到的合成磁场力fz有最大值，如图6所示。为了提高灵敏度，本发明在z轴为零线与火线的对称轴时建立电磁场模型，这一位置可以通过使被测电缆与装置发生相对转动，到达使输出电流最大的位置以实现标定。
[0105]
此时零线的截面中心在坐标系下的坐标为x1＝-r0,z1＝a；
[0106]
此时火线的截面中心在坐标系下的坐标为x2＝r0,z1＝a；
[0107]
其中r0为被测电缆内每一芯的半径，a为永磁体1的质心与封装8和上端盖9的接触面之间的垂直距离，br为永磁体1剩余磁通量，v为永磁体1体积；
[0108]
金属接地板2长度方向中点处挠度和永磁体1受力的函数如下：
[0109][0110]
其中ν为金属接地板2长度方向中点处挠度；e为金属接地板2的弹性模量；i为金属接地板2的横截面对弯曲中性轴的惯性矩；l为金属接地板2的长度；
[0111]
步骤五，根据金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型、电缆中被测电流与永磁体1受力的函数模型和金属接地板2长度方向中点处挠度和永磁体1受力的函数模型，建立电缆中被测电流与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型计算被测电流；即令ν＝ki0，建立金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型计算被测电流，模型如下：
[0112]fr
＝f(ki0)
[0113]
其中：
[0114][0115]
在直流双芯电缆中：
[0116]
i1＝-i2[0117]
|i1|＝|i2|＝|i0|
[0118]
则将金属接地板2长度方向中点处的挠度与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型fr＝f(ν)中
[0119]fr
＝f(ki0)
[0120][0121]
(f(ν)方程式同步骤二中f(h)，仅仅改变了自变量)
[0122]
在本发明中，调整被测电缆与传感器的相对位置，使其符合图6所示的检测原理图，则k取：
[0123][0124]
其中i0为被测电缆中的电流。
[0125]
进而通过倒置微带天线谐振频率的偏移得出电缆中被测电流的大小。
[0126]
实施例2
[0127]
本实施例所述的一种基于倒置微带天线的电流检测装置中检测单元的介质基板7材料选用rogers rt/duroid 6006材料，尺寸57.8mm
×
12mm
×
1.6mm(长
×
宽
×
厚)，天线贴片3采用铜，尺寸9.7mm
×
6.4mm
×
0.05mm(长
×
宽
×
厚)，金属接地板2材料选择铜，尺寸57.8mm
×
12mm
×
0.2mm(长
×
宽
×
厚)，且采用1/4波长馈电，馈电装置波长阻抗转换器4尺寸4.85mm
×
1.20mm
×
0.05mm，微带线5尺寸19.2mm
×
2.98mm
×
0.05mm，天线贴片3光刻在介质基板7上，金属接地板2、支撑体6和介质基板7通过强力胶进行粘接。将整个传感器通过sma接口和同轴电缆连接到矢量网络分析仪上，通过向传感器发送微波调频信号并接收从传感器反射回来的向后散射信号，从向后散射信号中提取传感器的谐振频率。如图7所示为倒置微带天线谐振频率随空气腔厚度变化偏移的回波损耗s11曲线图，倒置微带天线的谐振频率随空气腔厚度的变化，发生单调的偏移。根据电缆中被测电流与倒置微带天线谐振频率偏移的函数模型，通过倒置微带天线谐振频率的偏移得出电缆中被测电流的大小。