被动激励自供电无线非接触电流传感测量装置及测量方法与流程

本发明属于传感、电力系统领域，尤其涉及一种基于硅悬臂梁变形带动压电材料测量电流的MEMS传感芯片及其测量方法。

背景技术：

伴随着我国高压、特高压工程以及全球化智慧城市、智慧家庭的发展需求，需要对某些关键高压设备、地下电缆、封闭密闭环境下的电量进行在线监测和故障预诊断、状态监测及报警等要求，以保证、保障重要关键电力系统应用设备的安全、准确运行，防非计划停运，避免造成社会重大损失。当前传统能效和电气安全监测系统存在较大局限性，主要分为以下几方面：(1)检测系统设备成本高、无法实现传感节点的大范围布置。(2)对于封闭环境及高压特高压危险环境下需要外部供电或单独提供电源，对检测系统的维护使用提出严苛要求，特别是大范围推广应用时，更换电源、检修等维护成本过高。(3)安装复杂，通常需要接入被测电路或者将导线拆分测量，破坏了电路的安全性、大大增加了安装过程中难度。

下面以几种测量方法为例进行说明，霍尔、磁通门、磁阻效应电流传感器，测量单元需要外部电源供电、测量时需要将被测导线拆分，安装复杂；电阻分流器只能测量直流，测量时需要直接接入被测系统，无法进行电气隔离，安装复杂。电流互感器测量单元需要外部电源，测量时需要将被测导线拆分，安装复杂；光纤电流传感器测量系统复杂，需要光源、外部电源，成本高昂，因此开发出一种可实现无线、无源被动非接触式电流检测系统将有助于智能城市的构建与高危险环境故障预诊断、状态监测。

技术实现要素：

本发明提供一种被动激励自供电无线非接触电流传感测量装置及测量方法，可实现无线、无源、非接触、可直接应用于单线、双线的电流测量与能量采集的传感装置。

本发明采取技术方案是：

4根连接螺栓将V型上夹块、V型下夹块固定于调整台表面，传感测量采集芯片放置于调整齿条安装槽内，调整齿条与调整齿轮啮合，调整齿轮两轴端套有滚动轴承一、滚动轴承二，滚动轴承一固定于调整台内，滚动轴承二固定于轴承端盖内，通过轴承端盖压紧滚动轴承二并以螺钉固定，调整齿轮一端与微调手轮固定连接，调整齿条表面有调整箭头，调整台表面有标尺；

所述传感测量采集芯片结构是：包括支撑壳体和封装压板，中间感测硅微悬臂梁、两侧能量采集悬臂梁一、能量采集悬臂梁二的一端与硅支撑基座连接成为一整体，三个微磁铁分别与中间感测硅微悬臂梁、两侧能量采集悬臂梁一、能量采集悬臂梁二的另一端上表面固定连接；

所述感测硅微悬臂梁上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层二、中间压电层二、下Pt/Ti层二；

所述能量采集悬臂梁一上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层一、中间压电层一、下Pt/Ti层一；

所述能量采集悬臂梁二上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层三、中间压电层三、下Pt/Ti层三；

硅支撑基座上表面溅射有Au电极一、Au电极二、Au电极三，上Pt/Ti层一与Au电极一通过Cu导线一相连，上Pt/Ti层二与Au电极二通过Cu导线二相连，上Pt/Ti层三与Au电极三通过Cu导线三相连；下Pt/Ti层一、Au电极三通过溅射导线串联连接，硅支撑基座下表面溅射有能量采集悬臂梁输出Au电极四、Au电极五、感测硅微悬臂梁下电极一、下电极二；Au电极一与Au电极五、Au电极二与下电极二、下Pt/Ti层二与下电极一、下Pt/Ti层三与Au电极四分别通过电极导电柱导通；

PCB板上的存储模块电极一与Au电极五连接、存储模块电极二与Au电极四连接，存储模块电极一和存储模块电极二与能量处理模块连接，能量处理模块与直流电容连接，直流电容分别现信号处理器、信号放大器、编码芯片、微带天线连接，感测硅微悬臂梁下电极一、下电极二分别与信号处理电极一、信号处理电极二连接，信号处理电极一、信号处理电极二分别与信号处理器连接。

一种被动激励自供电无线非接触电流传感测量方法，其中：

(一)、测量单根导线时包括以下步骤：

步骤(1)固定导线：将单根导线放置于V型下夹块上，通过V型上夹块压紧导线，并以连接螺栓固定两夹块；

(2)计算最优位置：根据被测导线半径a、V型夹块90°V口及V口顶点距离调整台尺寸L1，根据45°方向为最佳测量位置与能量采集最优位置，通过几何关系即当zm和xm相等时，其中zm：导线中心与调整台间的距离，xm：传感器芯片磁铁与导线中心在调整台投影的距离；xm＝L单，根据市场现有系列导线半径ai，可以得到为了方便对准以导线中心平移H并作为0基准刻度线，将计算好的导线线径下的距离Li在调整台一侧刻画标尺，通过调整齿条上的箭头与对应的导线线径提示刻度线对准即可；

(3)根据确定的距离L，调整微调手轮以导线中心处为基准将处于中心处的芯片调整L距离即可实现对准；

(4)对准后，可实现测量与能量采集，当通入交流电流I时，被测电压为：

(二)、测量双根导线时包括以下步骤：

步骤(1)固定导线：将导线放置于V型下夹块上，通过V型上夹块压紧导线，并以螺栓固定两夹块；

步骤(2)计算最优位置，基于原理有双根导线最优位置在导线中心处，根据被测导线半径a、V型夹块90°V口及V口顶点距离调整台尺寸L1，可计算出双根导线与磁铁距离L双；据市场现有一系列导线半径ai，可以得到

步骤(3)调整微调手轮将调整齿条上的箭头对刻度线基准即可；

步骤(4)对准后，可实现测量与能量采集，当通入交流电流I时，被测电压为：

Ep为压电层的杨氏模量；zp为压电层中心与中性层中心的距离；Lm为压电层长度；l为悬臂梁长度；Ei为对应的各层杨氏模量；Ii为对应的各层惯性矩；Ai为各层材料的截面积；Zi为各层中心与中性层中心的距离；d31为压电系数；wE为压电材料宽度；a为单根导线半径；Br为磁铁剩余磁通量；Cp为压电材料的电容值；Cother为导线等连接电路电容值，在此忽略不计；Li为不同导线半径至调整台内传感磁铁距离；V为微型磁块体积。

本发明的有益效果：

1、本发明可实现单根导线、双跟导线的非接触式测量，实现传感器与被测导线的电气隔离特别是在高压电气领域，大大提高安全性，基于非接触式测量与V型夹块夹具可以实现快速安装拆解，系统可循环使用，方便对旧的电力系统改造升级，降低改造成本。

2、本发明可实现对于封闭环境及高压特高压危险环境下需要外部供电或单独提供电源，对检测系统的维护使用提出严苛要求，特别是大范围推广应用时，更换电源、检修等维护成本过高。

3、本发明通过分二层结构设计将测量采集模块与能量存储无线发射模块集成可大大降低芯片尺寸，测量采集模块悬臂梁阵列及其表面压电层、电极均通过MEMS工艺方式进行制造，可极大降低成本，可实现电网节点的大范围低成本应用。

4、本发明中设计三根奇数阵列，阵列中间悬臂梁上磁铁与两侧悬臂梁上磁铁放置的磁极方向相反，在受到电流驱动时，中间感测悬臂梁表面磁体受到两侧悬臂梁对称磁场力，进而防止阵列间扰动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是发明的主视图及剖切视图；

图3是传感采集芯片中的测量采集模块图；

图4是传感采集芯片中的能量存储无线发射模块图；

图5是传感采集芯片中测量采集模块与能量存储无线发射模块电极连接关系图；

图6是传感采集芯片封装结构图；

图7是单根导线坐标系下磁场梯度分布图图；

图8是两根导线坐标系下磁场梯度空间分布图；

图9是磁铁与单根导线位置关系图；

图10是磁铁与双根导线位置关系图；

图11是单根导线45°方向测量点关系图；

图12是雷电流下传感器输出响应图。

具体实施方式

4根连接螺栓14将V型上夹块1、下夹块2固定于调整台3表面，传感测量采集芯片5放置于调整齿条7安装槽内，调整齿条7与调整齿轮12啮合，调整齿轮12两轴端套有滚动轴承一11、滚动轴承二13，滚动轴承一11固定于调整台3内，滚动轴承二13固定于轴承端盖8内，通过轴承端盖8压紧滚动轴承二13并以螺钉15固定，调整齿轮12一端与微调手轮9固定连接，调整齿条7表面有调整箭头6，调整台3表面有标尺4；

传感测量采集芯片5结构是：包括支撑壳体538和封装压板539，中间感测硅微悬臂梁529、两侧能量采集悬臂梁一502、能量采集悬臂梁二536的一端与硅支撑基座512连接成为一整体，三个微磁铁501分别与中间感测硅微悬臂梁529、两侧能量采集悬臂梁一502、能量采集悬臂梁二536的另一端上表面固定连接；

所述感测硅微悬臂梁529上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层二530、中间压电层二533、下Pt/Ti层二508；

所述能量采集悬臂梁一502上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层一503、中间压电层一532、下Pt/Ti层一506；

所述能量采集悬臂梁二536上表面有自上而下的三层结构：上Pt/Ti层三531、中间压电层三513、下Pt/Ti层三511；

硅支撑基座512上表面溅射有Au电极一505、Au电极二507、Au电极三509，上Pt/Ti层一503与Au电极一505通过Cu导线一504相连，上Pt/Ti层二530与Au电极二507通过Cu导线二534相连，上Pt/Ti层三531与Au电极三509通过Cu导线三535相连；下Pt/Ti层一506、Au电极三509通过溅射导线510串联连接，最终在通过两侧的输出Au电极一505、下Pt/Ti层三511为系统供电；

硅支撑基座512下表面溅射有能量采集悬臂梁输出Au电极四514、Au电极五517、感测硅微悬臂梁下电极一515、下电极二516；Au电极一505与Au电极五517、Au电极二507与下电极二516、下Pt/Ti层二508与下电极一515、下Pt/Ti层三511与Au电极四514分别通过电极导电柱537导通，

PCB板528上的存储模块电极一518与Au电极五517连接、存储模块电极二521与Au电极四514连接，存储模块电极一518和存储模块电极二521与522能量处理模块连接，522能量处理模块与直流电容523连接，直流电容523分别现信号处理器524、信号放大器525、编码芯片526、微带天线527连接，感测硅微悬臂梁下电极一515、下电极二516分别与信号处理电极一519、信号处理电极二520连接，信号处理电极一519、信号处理电极二520分别与信号处理器524连接；

根据提出的传感原理单根导线在与感应磁铁磁极45°方向有最大的磁场梯度，即传感芯片的最大灵敏度与能量采集输出最大位置；双跟导线在两根导线中心处包含最大的磁场梯度，即传感芯片的最大灵敏度与采集能量输出最大位置；基于以上原理提出一种可实现单根、双跟导线与传感采集芯片位置调整的对准装置，其特征在于通过上下V型夹块夹紧被测(单根、双跟)导线，下夹块固定于调整台表面，传感测量采集芯片放置于调整齿条安装槽内，调整齿条与调整齿轮啮合，调整齿轮两端轴套有滚动轴承并固定于调整台内，调整齿轮一端轴与微调手轮通过螺纹连接，通过锁紧螺钉实现定位与联动，根据对于单根导线线径与夹块位置关系，可以解算出45°方向传感芯片放置的位置点；对于双跟导线，需对准两根导线中心位置点，通过微调手轮调节调整齿条表面对准箭头与调整台表面标尺实现芯片磁铁位置调整。

导通后能量采集悬臂梁采集的能量通过Au电极四514、Au电极五517与存储模块电极一518、存储模块电极二521将能量输入到能量处理模块522，能量处理模块522内集成有整流电路、滤波电路、稳压电路，处理后的直流电流最后存贮到直流电容523中，直流电容523在将能量供给到信号处理器524、信号放大器525、编码芯片526、微带天线527；

导通后感测硅微悬臂梁采集的电流信号通过感测硅微悬臂梁下电极一515、下电极二516与信号处理电极一519、信号处理电极二520将信号输送到信号处理器524中进行模数转换，经信号放大器525进行信号放大处理，再经编码芯片526编码，送入微带天线527发送电流信息。

一种被动激励自供电无线非接触电流传感测量方法，其中：

(一)、测量单根导线时包括以下步骤：

步骤(1)固定导线：将10导线放置于下V型夹块上2，通过上V型夹1压紧导线，并以连接螺栓14固定两夹块；

(5)计算最优位置：根据被测10导线半径a、V型夹块90°V口及下V口2顶点距离调整台3尺寸L1，根据45°方向为最佳测量位置与能量采集最优位置，通过几何关系即当zm(导线10中心与调整台3间的距离)和xm(传感器芯片磁铁501与导线中心10在调整台3投影的距离)相等时；xm＝L单，根据市场现有系列导线半径ai，可以得到为了方便对准以导线中心平移H并作为0基准刻度线，将计算好的导线线径下的距离Li在调整台3一侧刻画标尺4，通过调整齿条上的箭头与对应的导线线径提示刻度线对准即可；

(6)根据确定的距离L，调整微调手轮以导线中心处为基准将处于中心处的芯片调整L距离即可实现对准；

(7)对准后，可实现测量与能量采集，当通入交流电流I时，被测电压为：

(二)、测量双根导线时包括以下步骤：

步骤(1)固定导线：将导线放置于下V型夹块上，通过上V型夹块压紧导线，并以螺栓固定两夹块；

步骤(2)计算最优位置，基于原理有双根导线最优位置在导线中心处，根据被测导线半径a、V型夹块90°V口及V口顶点距离调整台尺寸L1，可计算出双根导线与磁铁距离L双；据市场现有一系列导线半径ai，可以得到

步骤(3)调整微调手轮将调整齿条上的箭头对刻度线基准即可；

步骤(4)对准后，可实现测量与能量采集，当通入交流电流I时，被测电压为：

Ep为压电层的杨氏模量；zp为压电层中心与中性层中心的距离；Lm为压电层长度；l为悬臂梁长度；Ei为对应的各层杨氏模量；Ii为对应的各层惯性矩；Ai为各层材料的截面积；Zi为各层中心与中性层中心的距离；d31为压电系数；wE为压电材料宽度；a为单根导线半径；Br为磁铁剩余磁通量；Cp为压电材料的电容值；Cother为导线等连接电路电容值(在此忽略不计)；Li为不同导线半径至调整台内传感磁铁距离；V为微型磁块体积。

传感采集机理由交流电流在输电线导线内电芯产生交变磁场与感测悬臂梁结构表面磁感应单元发生相互作用发生弯曲变形，梁的形变驱动表面的压电材料产生输出电压、电流，对电压、电流的幅值测量实现对电流的检测，基于导线激发出的磁场与传感采集装置的磁铁可以实现非接触式测量；自供电机理基于芯片内部拾振悬臂梁，由被测交流电导线产生的交流磁场驱动带有压电材料的拾振悬臂梁阵列，实现对整个测量系统的供电。

本发明可直接应用于单线、双线测量的电流测量采集机制如下：

单根导线在通电过程中会在空间中激发出环绕导线的磁感应强度，单根导线周围的磁场强度公式：

磁感应元件受到的磁场力使硅微悬臂梁表面压电层发生变形，变形后根据压电效应产生输出电压，进而测出被测电流，电流通过磁场驱动表面附有的压电层的悬臂梁产生的输出电压推导公式如下：

单根导线周围的磁场强度公式

如图7所示坐标系下导线磁场分布为

坐标系下导线在z方向磁场分量为

导线在z轴方向磁场梯度

即空间点在x＝a处时梯度为零，因此在导线中心处无法驱动悬臂梁，而在如图7所示当导线沿着方向时导线(即45°方向)沿z方向磁场梯度最大可以作为传感器测量点与能量采集点；

磁铁在磁场受力公式为

沿z＝±x±a方向z轴方向受力为

因此在测量单根导线时悬臂梁表面磁铁位置放置于与x轴45度方向z≥r；

其中H为通电导线激发出的磁场强度，I为被测电流，Br为磁铁剩余磁通量，V为磁体体积；

当测量双根导线时，如图8所示双根在通电过程中在空间产生叠加的磁场；

右侧导线磁场强度为

左侧侧导线磁场强度为

右侧导线磁场强度在z轴方向分量

左侧导线磁场强度在z轴方向分量

两根导线在z轴方向的合成磁场强

其中：x、z为以双根导线中心建立的坐标系内任意一点坐标，a为导线半径，I为通电导线电流。

对左侧、右侧导线在z轴方向磁场强度以及z轴方向的合成磁场求导可得相应磁场梯度磁场力公式如下：

左侧导线在z轴方向磁场梯度

右侧导线在z轴方向磁场梯度

两根导线在z轴方向叠加磁场梯度

磁铁在磁场受力

磁铁在两根磁场叠加情况下受力为

磁铁在两根中心处磁场叠加情况下受力为

其中Br为永磁铁剩余磁通量、V为磁铁体积、Fz为任意位置磁场力通用公式、Fz(0,z)为两根导线中心处z位置处磁场力。

当磁铁受到向上或向下的磁场力时，悬臂梁向上或向下运动进而导致悬臂梁表面压电片发生变形

x轴方向应力公式如下：

电位移D＝d31σ

产生的输出电荷为

电压值为带入以上结果有：

输出电压为

其中：σ为悬臂梁受到磁场作用下产生的应变；Ep为压电层的杨氏模量；zp为压电层中心与中性层中心的距离；Lm为压电层长度；l为悬臂梁长度；Ei为对应的各层杨氏模量；Ii为对应的各层惯性矩；Ai为各层材料的截面积；Zi为各层中心与中性层中心的距离；d31为压电系数；D为电位移动；w为压电材料宽度；a为单根导线半径；Br为磁铁剩余磁通量；Cp为压电材料的电容值；Cother为导线等连接电路电容值。

图9所示为测量单根导线时，磁铁处于导线45°方向时，带入磁场力有传感器测得的输出电压值V、输出功率P为：

如图11所示当传感器芯片对准到导线45°方向时，需要将传感器芯片平移xm(传感器芯片磁铁与导线中心在调整台投影的距离)与zm(导线中心与调整台间的距离)相等的距离即可实现，根据现有导线线径带入公式为了方便对准以V口在调整台投影中心平移H并作为0基准刻度线，将计算好的导线线径下的距离Li在调整台一侧刻画标尺，通过调整齿条上的箭头与对应的导线线径提示的刻度线对准即可。

如图10所示测量双根导线中心处时，磁铁放置于传感器测得的输出电压值V、输出功率P为：

当测量双根导线时，因双根导线中心与V口中心重合，调整时将箭头对准标尺中心0处即可。

如图12所示，实例中采用电流传感采集芯片测量高压特高压线受雷击的输出响应，磁铁置于单根45°方向、双根通电导线中心处，导线中电流分为两种成分，一种是自身高压线路的交流电、另一部分是雷击高压线路产生的雷击电流，其中高压线路中的电流可达到1KA左右产生的是连续平稳50Hz交变磁场，而雷电流的在几毫秒内瞬间峰值可达到几十KA左右，雷击电流产生的磁场为瞬间冲击磁场，叠加的磁场驱动悬臂梁发生振动，传感器测量电压值U叠包含两部分高压线产生的幅值电压与雷击电流产生的幅值电压，因此减去在雷击前T时刻的传感器的输出电压UT作为基准值，即可测出雷击电流值U雷，

电流传感器U雷＝U叠-UT。