CN114325061A - 一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电流测量技术领域，具体涉及一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法；包括悬臂梁、永磁体、微换能器、质量块、封装、端盖、锁紧机构和电路部分；对电流检测装置的各阶模态频率进行标定，确定被测电缆的芯数，被测电缆接入电流检测装置，旋转锁紧机构手柄，完成被测电缆的固定；当被测电缆中有电流通过时，经过电路部分的输出电压与被测电缆中通过的被测电流幅值呈线性关系，并按给定公式计算被测电流：本发明可用于测量多种交流频率电流，且适用于各种内部结构的线缆，具有结构简单，无需单独配备电源，无需导线拆分，检测范围大，安装方便等特点。
Description
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，具体涉及一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法。
背景技术
在多种电学参量的测量中，电流是最基础也是最重要的参量之一，针对电流的不同特征进行实时动态监控，在电网建设、用电安全、设备保护等方面具有重要的意义。
频率是电流的重要指标，电网频率的波动不仅会降低电能质量，影响用电器的正常运行，严重时甚至会危害发电机的正常工作，造成“频率崩溃”现象；在新能源领域高速发展的今天，电力系统复杂性不断提高，诸如风电、光电等新能源并网对电网的稳定性提出了更高要求。对电流频率波动的实时监控，及时预警，在保护人身财产安全方面具有重要作用。
电流检测装置需要电源供电，如果单独配备电源，不仅会提高制造成本，设计结构复杂，且难以维护保养，无法长期用于诸如高空或地下等极端环境的电流测量。因此，开发一种无需外界电源驱动的电流检测装置，在拓宽应用场景方面具有重要意义。
现有的电流检测装置，主要有霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、罗氏线圈电流传感器、电容式电流传感器、巨磁阻式电流传感器、谐振式电流传感器等，存在加工难度大、结构复杂、体积较大、应用范围小、能耗较高等问题。基于压电悬臂梁结构开发的谐振式电流传感器，无需借助外界电源驱动，无需导线拆分，但只能在谐振频率处获得最大输出，因而检测范围受限，只能在检测某个固定频率的电流信号时有高灵敏度。
因此，在保证无需单独配备电源、不破坏电缆整体结构等特点的情况下，开发一种可用于实时检测多种频率的电流检测装置是本领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法，用于测量多种交流频率电流，且适用于各种内部结构的线缆，具有结构简单，无需单独配备电源，无需导线拆分，检测范围大，安装方便等特点。
一种用于多种交流频率的电流检测装置，包括悬臂梁1、永磁体2、微换能器3、质量块4、封装5、端盖6、锁紧机构7、电路部分9；其中端盖6前侧壁的底部设有第一半圆孔601，端盖6顶端两侧分别设有螺纹孔，封装5前侧壁的顶部设有第二半圆孔501，端盖6固定在封装5上，将封装5盖合，且使得第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成圆形通孔；封装5左侧壁内设有通孔502，封装5左侧壁内侧设有方形凹槽503，且通孔502与方形凹槽503连通，方形凹槽503下方的封装5左侧壁内侧设有长条形凹槽504，悬臂梁1一端固定在封装5内部的长条形凹槽504内，且悬臂梁1的上表面固定有微换能器3、永磁体2和质量块4，电路部分9固定在封装5的内表面；
所述锁紧机构7包括手柄701、压线板702、限位柱703、锁紧螺帽704，其中限位柱703位于通孔502和方形凹槽503内，压线板702位于封装5内，且压线板702的一端穿入方形凹槽503并贴合在限位柱703上方，手柄701依次旋入端盖6顶端左侧的螺纹孔、封装5上的通孔502、压线板702和限位柱703，再穿出限位柱703并通过通孔502从封装5底部伸出，在封装5底部通过锁紧螺帽704实现手柄701的紧固。
所述的悬臂梁1为直线型、弯折型、一维变截面型、U型或T型。
所述的悬臂梁1为层合结构，多层依次罗列放置，每一层均包括两片基板101和一片压电层102，其中每两片基板101之间设有一片压电层102，且压电层102之间串联连接；基板101和压电层102的数目关系为：压电层102的数目为n，基板101的数目为n+1，悬臂梁1的总层数为2n+1。
所述微换能器3包括从上到下依次连接的上电极301、压电薄膜302和下电极303，压电薄膜302的材料为石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料。
所述的永磁体2为正方体、长方体或圆柱体，且永磁体2设置在第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔下方。
所述的质量块4为正方体、长方体或圆柱体，安置在悬臂梁1的任意位置。
所述电路部分9包括主处理器，储能电路，信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口和报警电路；其中，计数器电路和信号采样电路用于接收微换能器3的电压输出，计数器电路和信号采样电路分别与主处理器连接，主处理器同时分别与通信电路与接口以及报警电路连接，储能电路用于接收悬臂梁1上压电层102的电压输出，同时分别与信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口，报警电路连接。
一种应用上述多种交流频率的电流检测装置的电流检测方法，包括下列步骤：
步骤一，对电流检测装置的各阶模态频率进行标定：
电流检测装置的各阶模态频率为
其中，kn和mn分别为装置的各阶等效质量和等效刚度；
在电流检测装置的各阶模态频率ωn附近，以0.8ωn到1.5ωn的频率范围，通过微换能器3的电极输入扫频信号进行升频扫描，激励加速度为ad cosχt；通过调整质量块4在悬臂梁1上的位置，使电流检测装置的各阶模态频率与待测电流的预估频率范围相同；
步骤二，根据具体工作条件，确定被测电缆的芯数；
步骤三，被测电缆通过第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔接入电流检测装置内，将端盖6与封装5扣合；旋转锁紧机构7的手柄701，使锁紧机构7的压线板702逐渐向被测电缆端靠近，直到压线板702与被测电缆接触；再将定位螺栓8通过端盖6右端的螺纹孔旋入，完成被测电缆的固定；
步骤四，当被测电缆中有电流通过时，电流产生的磁场使永磁体2受力，悬臂梁1随之振动，微换能器3的输出电压随之改变，经过电路部分9的输出电压与被测电缆中通过的被测电流幅值呈线性关系；
步骤五，以第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔的圆心所在垂直于封装5前侧壁的直线为轴，转动封装5，直到电路部分9的输出电压Uout达到最大，此时被测电缆中电流的幅值I0按下式计算：
I0＝KSUout
其中交流电缆Ks：
其中，k1为悬臂梁1中主梁的刚度，CS为微换能器3的固有电容，θ为微换能器3的机电耦合系数，μ为悬臂梁1的主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω1，ω为被测电流的角频率，ω1为悬臂梁1的一阶模态频率，ζ1和ζ2为悬臂梁3的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁3的一二阶模态频率之比，μ0为真空磁导率，Br为永磁体2的剩余磁通量，V为永磁体2的体积，以通过永磁体2质心并垂直于永磁体2上表面的直线为z轴、以通过永磁体2质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分9的输出电压Uout最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆零线与火线芯数，t为时间，φi为被测电缆内部第i芯的初相位。
本发明的有益效果：
1.检测范围大：本发明提出的电流检测装置及其检测方法，响应范围取决于悬臂梁的各阶固有频率范围，与其他谐振式电流传感器相比，本发明可以检测不同频率的待测电流，响应范围更大；并且，可以通过改变悬臂梁结构及其相关参数，进一步增大响应范围；
2.应用范围广：本发明提出的电流检测装置及其检测方法，无需破坏电缆保护层，无需进行导线拆分，检测对象除三相四芯外，还可以检测单芯、双芯、三相五芯等各种电缆电流；
3.无需电源供电：本发明提出的电流检测装置及其检测方法，通过在悬臂梁结构上集成压电层，无需额外配置电源；通过设计优化电路部分，降低整体功耗，实现系统的自供电，可应用于深埋和高空等难以维护的场合以及无线传感节点网络。
附图说明
图1为本发明用于多种频率的压电式电流检测装置的结构示意图；
图2为本发明用于多种频率的压电式电流检测装置的侧视图；
图3为本发明用于多种频率的压电式电流检测装置的俯视图；
图4为本发明的一个实施例中用于多种频率的压电式电流检测装置的内部结构示意图；
图5为本发明的悬臂梁层合结构总层数为3时，悬臂梁的结构示意图；
图6为本发明用于多种频率的压电式电流检测装置中微换能器的结构示意图；
图7为本发明用于多种频率的压电式电流检测装置电路部分的电路总体框图；
图8为本发明的悬臂梁为T型时，内部检测单元的结构示意图；
图9为本发明的悬臂梁数目为n时，内部检测单元的结构示意图；
图10为本发明的一个实施例中，当被测电缆为单相双芯时，电流检测装置的检测原理图；
图11为本发明的一个实施例中，当被测电缆为三相五芯时，电流检测装置的检测原理图；
图12为本发明的一个实施例用于多种频率的压电式电流检测装置中悬臂梁的集总参数模型。
具体实施方式
一种用于多种交流频率的电流检测装置，包括悬臂梁1、永磁体2、微换能器3、质量块4、封装5、端盖6、锁紧机构7、电路部分9；其中端盖6前侧壁的底部设有第一半圆孔601，端盖6顶端两侧分别设有螺纹孔，封装5前侧壁的顶部设有第二半圆孔501，端盖6固定在封装5上，将封装5盖合，且使得第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成圆形通孔；封装5左侧壁内设有通孔502，封装5左侧壁内侧设有方形凹槽503，且通孔502与凹槽503连通，方形凹槽503下方的封装5左侧壁内侧设有长条形凹槽504，悬臂梁1一端固定在封装5内部的长条形凹槽504内，且悬臂梁1的上表面固定有微换能器3、永磁体2和质量块4，电路部分9固定在封装5的内表面；
所述锁紧机构7包括手柄701、压线板702、限位柱703、锁紧螺帽704，其中限位柱703位于通孔502和方形凹槽503内，压线板702位于封装5内，且压线板702的一端穿入方形凹槽503并贴合在限位柱703上方，手柄701依次旋入端盖6顶端左侧的螺纹孔、封装5上的通孔502、压线板702和限位柱703，再穿出限位柱703并通过通孔502从封装5底部伸出，在封装5底部通过锁紧螺帽704实现手柄701的紧固。
所述的悬臂梁1为直线型、弯折型、一维变截面型、U型或T型。
所述的悬臂梁1为层合结构，多层依次罗列放置，每一层均包括两片基板101和一片压电层102，其中每两片基板101之间设有一片压电层102，且压电层102之间串联连接；即每两层结构中上层底部的基板101放置在下层顶部的基板101上；基板101和压电层102的数目关系为：压电层102的数目为n，基板101的数目为n+1，悬臂梁1的总层数为2n+1。
所述的悬臂梁1的数目为1,2,3······直到n，且每个悬臂梁1上都设置永磁体2和质量块4。
所述微换能器3包括从上到下依次连接的上电极301、压电薄膜302和下电极303，压电薄膜302的材料为石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料。
所述的永磁体2为正方体、长方体或圆柱体，且永磁体2设置在第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔下方。
所述的质量块4为正方体、长方体或圆柱体或不规则形状，能够安置在悬臂梁1的任意位置。
所述电路部分9包括主处理器，储能电路，信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口和报警电路；其中，其中计数器电路和信号采样电路用于接收微换能器3的电压输出，计数器电路和信号采样电路分别与主处理器连接，主处理器同时分别与通信电路与接口以及报警电路连接，储能电路用于接收悬臂梁1上压电层102的电压输出，同时分别与信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口，报警电路连接。电压信号一为微换能器3的电压输出，用于检测被测电流，电压信号二为悬臂梁1上压电层102的电压输出，用于为电路部分9供能。
一种应用上述多种交流频率的电流检测装置的电流检测方法，包括下列步骤：
步骤一，对电流检测装置的各阶模态频率进行标定：
电流检测装置的各阶模态频率可以近似计算为
其中，kn和mn分别为装置的各阶等效质量和等效刚度；质量块4的位置不同kn和mn这两个参数都会变化，从而使模态频率发生变化；
在电流检测装置的各阶模态频率ωn附近，以0.8ωn到1.5ωn的频率范围，通过微换能器3的电极输入扫频信号进行升频扫描，激励加速度为ad cosχt；通过调整质量块4在悬臂梁1上的位置，使电流检测装置的各阶模态频率与待测电流的预估频率范围大致相同；
步骤二，根据具体工作条件，确定被测电缆的芯数；
步骤三，被测电缆通过第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔接入电流检测装置内，将端盖6与封装5扣合；旋转锁紧机构7的手柄701，使锁紧机构7的压线板702逐渐向被测电缆端靠近，直到压线板702与被测电缆接触；再将定位螺栓8通过端盖6右端的螺纹孔旋入并压紧在被测电缆上方，完成被测电缆的固定；
步骤四，当被测电缆中有电流通过时，电流产生的磁场使永磁体2受力，悬臂梁1随之振动，微换能器3的输出电压随之改变，经过电路部分9的输出电压与被测电缆中通过的被测电流幅值呈线性关系；
步骤五，以第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔的圆心所在垂直于封装5前侧壁的直线为轴，缓慢转动封装5，直到电路部分9的输出电压Uout达到最大，此时被测电缆中电流的幅值I0可通过电路部分9的输出电压与电流检测装置的参数获得，按下式计算：
I0＝KSUout
其中交流电缆Ks：
其中，k1为悬臂梁1中主梁的刚度，CS为微换能器3的固有电容，θ为微换能器3的机电耦合系数，μ为悬臂梁1的主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω1，ω为被测电流的角频率(为市电频率，可以通过电路部分9的计数器电路进行测量)，ω1为悬臂梁1的一阶模态频率，ζ1和ζ2为悬臂梁3的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁3的一二阶模态频率之比，μ0为真空磁导率，Br为永磁体2的剩余磁通量，V为永磁体2的体积，以通过永磁体2质心并垂直于永磁体2上表面的直线为z轴、以通过永磁体2质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分9的输出电压Uout最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆零线与火线芯数，t为时间，φi为被测电缆内部第i芯的初相位。
实施例1
一种用于多种交流频率的电流检测装置，如图1-4和图8所示，包括悬臂梁1、永磁体2、微换能器3、质量块4、封装5、端盖6、定位螺栓8和电路部分9；其中端盖6前侧壁的底部设有第一半圆孔601，端盖6顶盖上设有螺纹孔，封装5前侧壁的顶部设有第二半圆孔501，端盖6通过锁紧机构7固定在封装5上，将封装5盖合，且使得第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成圆形通孔；悬臂梁1固定在封装5的通孔502的凹槽内，且悬臂梁1的上表面贴有微换能器3，如图6所示，微换能器3包括从上到下依次设置并连接的上电极301，压电薄膜302，下电极303，悬臂梁1上表面固定有永磁体2和质量块4，
在封装5的内表面固定有电路部分9；
所述锁紧机构7包括手柄701、压线板702、限位柱703、锁紧螺帽704，其中封装5左侧壁内设有通孔502，限位柱703位于通孔502内，压线板702位于封装5内，且压线板702的左端穿入通孔502与限位柱703上方贴合，手柄701依次旋入端盖6顶端左侧的螺纹孔、封装5上的通孔502、压线板702和限位柱703，再穿出限位柱703并通过通孔502从封装5底部伸出，在封装5底部通过锁紧螺帽704实现手柄701的固定；
如图7所示，所述电路部分9包括主处理器，储能电路，信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口，报警电路；其中，电压信号1为微换能器的电压输出，用于检测被测电流，电压信号2为悬臂梁1上压电层102的电压输出，用于为电路部分9供能。
如图5所示，所述的悬臂梁1为层合结构，上下表面为基板101，每两片基板101之间为压电层102，两者的数目关系为：压电层102的数目为n，基板101的数目为n+1，悬臂梁1的总层数为2n+1。
所述的悬臂梁1为直线型、弯折型、一维变截面型、U型或T型。
所述的悬臂梁1的数目为1,2,3······直到n。
所述微换能器3的材料包括石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料。
所述的永磁体2形状为正方体、长方体或圆柱体，且安置在圆形通孔正下方。
所述的质量块4形状为正方体、长方体、圆柱体或不规则形状，且安置在悬臂梁1的任意位置。
如图10所示，一种用于上述多种交流频率的电流检测装置的检测方法，包括下列步骤。
步骤1，对电流检测装置的各阶模态频率进行标定：
电流检测装置的各阶模态频率可以近似计算为
其中，kn和mn分别为装置的各阶等效质量和等效刚度。
在电流检测装置的各阶模态频率ωn附近，以0.8ωn到1.5ωn的频率范围，通过微换能器3的电极输入扫频信号进行升频扫描，激励加速度为ad cosχt；通过调整质量块4在悬臂梁1的位置，使电流检测装置的各阶模态频率与待测电流的频率范围大致相同；
步骤2，根据具体工作条件，确定被测电缆的芯数；
步骤3，被测电缆通过第一半圆孔601和第二半圆孔501扣合在一起形成的圆形通孔接入电流检测装置内，将端盖6与封装5扣合；旋转锁紧机构7的手柄701，使锁紧机构7上的限位柱703上的压线板702逐渐向被测电缆端靠近，直到压线板702与被测电缆接触；将定位螺栓8通过端盖6的螺纹孔旋入半圆形穿入孔601，完成被测电缆的固定；
步骤4，当被测电缆中有电流通过时，电流产生的磁场使永磁体2受力，悬臂梁1随之振动，微换能器3的输出电压随之改变，经过电路部分9的输出电压与被测电流幅值呈线性关系；
步骤5，以圆形通孔的圆心为轴，缓慢转动封装5，直到输出电压达到最大，此时输出电流即为被测电缆中电流的幅值；被测电缆中电流的幅值通过电路部分9的输出电压与电流检测装置的参数获得，按下式计算：
I0＝KSUout
其中交流电缆Ks：
其中，k1为悬臂梁1中主梁的刚度，CS为微换能器3的固有电容，θ为微换能器3的机电耦合系数，μ为悬臂梁1的主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω1，ω为被测电流的角频率(为市电频率，可以通过电路部分9的计数器电路进行测量)，ω1为悬臂梁1的一阶模态频率，ζ1和ζ2为悬臂梁3的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁3的一二阶模态频率之比，μ0为真空磁导率，Br为永磁体2的剩余磁通量，V为永磁体2的体积，以通过永磁体2质心并垂直于永磁体2上表面的直线为z轴、以通过永磁体2质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分9的输出电压Uout最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆零线与火线芯数，t为时间，φi为被测电缆内部第i芯的初相位。
以下公式用于计算永磁体在芯数为n的被测电缆产生磁场下受到的力：
单根导线周围的磁场强度公式
单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量为
对于对称负载下的交流电流，芯数为n的被测电缆内部第i芯为零线或地线时，电流ii＝0，被测电缆内部第i芯为火线时，电流
芯数为n的被测电缆在z轴方向的合成磁场强度
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为单根导线的电流，x、z为以通过永磁体2质心并垂直于永磁体2上表面的直线为z轴、以通过永磁体2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、yi为电路部分9的输出电压Uout最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆的芯数，I0为被测电缆内部电流的幅值，ω为被测电缆内部为交流电流时电流的角频率，t为时间，φi为被测电缆内部第i芯的初相位。
单根导线在z轴方向的磁场梯度为
芯数为n的被测电缆在z轴方向的合成磁场梯度为
单根导线对永磁体产生的z轴方向的磁场力为
芯数为n的被测电缆对永磁体产生的z轴方向的合成磁场力为
其中Br为永磁体剩余磁通量，V为永磁体2的体积。
以下公式用于计算压电层3经电路部分9的电压输出：
悬臂梁1与压电层3的运动微分方程可表示为：
该式经由Laplace变换，联立，解耦，可得V的解析式如下：
其中，k1为悬臂梁1中主梁的刚度，CS为压电层3的钳位电容，θ为压电层3的机电耦合系数，μ悬臂梁3主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω1，ω为待测交流电流的角频率，ω1为悬臂梁3的一阶固有频率，ζ1和ζ2为悬臂梁3的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁3的固有频率之比。
以上参数均为已知量，根据电流与压电层3经电路部分9的输出电压的关系
I0＝KSUout
代入Fz，化简可得
实施例2
与实施例1相同，区别在于所述悬臂梁1为T型。如图9所示，悬臂梁1为T型对称结构。与图4相比，该结构增加了横截面的沿圆形通孔轴向的长度。该悬臂梁1根部固定在封装5的长条形凹槽504内，上表面贴有微换能器3，上表面固定有永磁体2和质量块4。本实施例中电流检测装置与实施例1中的电流检测装置的基本检测原理是相同的，其集总参数模型与图12一致。
实施例3
与实施例1相同，区别在于所述悬臂梁1的数目为n。如图9所示，悬臂梁1为沿封装侧壁细凹槽排布的阵列结构，上表面贴有微换能器3，上表面固定有形状为长方体的永磁体2和质量块4。本实施例中电流检测装置与实施例1中的电流检测装置的基本检测原理是相同的，其集总参数模型与图12一致。
实施例4
与实施例1相同，区别在于悬臂梁1的层合结构为7层，该层合结构粘贴方式与实施例1相同，其中压电层102为3层，基板101为4层。每个压电层102之间的连接方式为，一层的下电极与另一层的上电极连接。
实施例5
与实施例1相同，区别在于被测电缆为三相五芯，如图11所示。被测电缆包含三根火线，一根零线，一根地线。电流检测装置的结构与基本原理与实施例1相同。
Claims (8)
1.一种用于多种频率的电流检测装置，其特征在于包括悬臂梁(1)、永磁体(2)、微换能器(3)、质量块(4)、封装(5)、端盖(6)、锁紧机构(7)、电路部分(9)；其中端盖(6)前侧壁的底部设有第一半圆孔(601)，端盖(6)顶端两侧分别设有螺纹孔，封装(5)前侧壁的顶部设有第二半圆孔(501)，端盖(6)固定在封装(5)上，将封装(5)盖合，且使得第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成圆形通孔；封装(5)左侧壁内设有通孔(502)，封装(5)左侧壁内侧设有方形凹槽(503)，且通孔(502)与方形凹槽(503)连通，方形凹槽(503)下方的封装(5)左侧壁内侧设有长条形凹槽(504)，悬臂梁(1)一端固定在封装(5)内部的长条形凹槽(504)内，且悬臂梁(1)的上表面固定有微换能器(3)、永磁体(2)和质量块(4)，电路部分(9)固定在封装(5)的内表面；
所述锁紧机构(7)包括手柄(701)、压线板(702)、限位柱(703)、锁紧螺帽(704)，其中限位柱(703)位于通孔(502)和方形凹槽(503)内，压线板(702)位于封装(5)内，且压线板(702)的一端穿入方形凹槽(503)并贴合在限位柱(703)上方，手柄(701)依次旋入端盖(6)顶端左侧的螺纹孔、封装(5)上的通孔(502)、压线板(702)和限位柱(703)，再穿出限位柱(703)并通过通孔(502)从封装(5)底部伸出，在封装(5)底部通过锁紧螺帽(704)实现手柄(701)的紧固。
2.根据权利要求1所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的悬臂梁(1)为直线型、弯折型、一维变截面型、U型或T型。
3.根据权利要求2所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的悬臂梁(1)为层合结构，多层依次罗列放置，每一层均包括两片基板(101)和一片压电层(102)，其中每两片基板(101)之间设有一片压电层(102)，且压电层(102)之间串联连接；基板(101)和压电层(102)的数目关系为：压电层(102)的数目为n，基板(101)的数目为n+1，悬臂梁(1)的总层数为2n+1。
4.根据权利要求3所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述微换能器(3)包括从上到下依次连接的上电极(301)、压电薄膜(302)和下电极(303)，压电薄膜(302)的材料为石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的永磁体(2)为正方体、长方体或圆柱体，且永磁体(2)设置在第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔下方。
6.根据权利要求5所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述的质量块(4)为正方体、长方体或圆柱体，能够安置在悬臂梁(1)的任意位置。
7.根据权利要求6所述的一种用于多种交流频率的电流检测装置，其特征在于所述电路部分(9)包括主处理器，储能电路，信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口和报警电路；其中，其中计数器电路和信号采样电路用于接收微换能器(3)的电压输出，计数器电路和信号采样电路分别与主处理器连接，主处理器同时分别与通信电路与接口以及报警电路连接，储能电路用于接收悬臂梁(1)上压电层(102)的电压输出，同时分别与信号采样电路，计数器电路，通信电路与接口，报警电路连接。
8.一种用于多种交流频率的电流检测装置的电流检测方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤一，对电流检测装置的各阶模态频率进行标定：
电流检测装置的各阶模态频率为
其中，kn和mn分别为装置的各阶等效质量和等效刚度；
在电流检测装置的各阶模态频率ωn附近，以(0).(8)ωn到(1).(5)ωn的频率范围，通过微换能器(3)的电极输入扫频信号进行升频扫描，激励加速度为ad cosχt；通过调整质量块(4)在悬臂梁(1)上的位置，使电流检测装置的各阶模态频率与待测电流的预估频率范围相同；
步骤二，根据具体工作条件，确定被测电缆的芯数；
步骤三，被测电缆通过第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔接入电流检测装置内，将端盖(6)与封装(5)扣合；旋转锁紧机构(7)的手柄(701)，使锁紧机构(7)的压线板(702)逐渐向被测电缆端靠近，直到压线板(702)与被测电缆接触；再将定位螺栓(8)通过端盖(6)右端的螺纹孔旋入，完成被测电缆的固定；
步骤四，当被测电缆中有电流通过时，电流产生的磁场使永磁体(2)受力，悬臂梁(1)随之振动，微换能器(3)的输出电压随之改变，经过电路部分(9)的输出电压与被测电缆中通过的被测电流幅值呈线性关系；
步骤五，以第一半圆孔(601)和第二半圆孔(501)扣合在一起形成的圆形通孔的圆心所在垂直于封装(5)前侧壁的直线为轴，转动封装(5)，直到电路部分(9)的输出电压Uout达到最大，此时被测电缆中电流的幅值I(0)按下式计算：
I0＝KSUout
其中交流电缆Ks：
其中，k1为悬臂梁(1)中主梁的刚度，CS为微换能器(3)的固有电容，θ为微换能器(3)的机电耦合系数，μ为悬臂梁(1)的主梁与副梁的等效质量的比值，Ω＝ω/ω1，ω为被测电流的角频率，ω1为悬臂梁(1)的一阶模态频率，ζ1和ζ2为悬臂梁(3)的一阶、二阶阻尼比，α为悬臂梁(3)的一二阶模态频率之比，μ为真空磁导率，Br为永磁体(2)的剩余磁通量，V为永磁体(2)的体积，以通过永磁体(2)质心并垂直于永磁体(2)上表面的直线为z轴、以通过永磁体(2)质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分(9)的输出电压Uout最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆零线与火线芯数，t为时间，φi为被测电缆内部第i芯的初相位。
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|---|---|---|---|
| CN202210037613.7A CN114325061A (zh) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | 一种用于多种频率的压电式电流检测装置及其检测方法 |
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