【摘要】：隨著IOT(Internet of things)的快速發(fā)展,2025年IOT在制造業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到2.5萬億美元、IOT裝置數(shù)量將達(dá)到208億。在IOT使用與推廣過程中,傳感器除了其性能上的要求外,在功能上也提出了新的需求。在智慧電網(wǎng)、智慧城市、智慧家庭對大量節(jié)點的電流監(jiān)測應(yīng)用與使用過程中,傳感節(jié)點暴露出了一些問題,引起相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)的廣泛關(guān)注。當(dāng)前的各型電流傳感器,很大一部分在外部電源或內(nèi)置電池直接供能的前提下,才能保證對被測電流的信息采集、信號處理和有線或無線傳輸?shù)墓δ軐崿F(xiàn),但兩種供能形式都將面臨著不可回避的問題,供電問題已在一定程度上成為限制了電流傳感器應(yīng)用與推廣的重要因素。本論文著眼于IOT節(jié)點無源傳感領(lǐng)域,探索無源化、微型化的MEMS電流傳感節(jié)點,旨在系統(tǒng)全面地給出基于壓電材料的懸臂梁電流傳感器的感測基礎(chǔ)理論與方法,進(jìn)一步拓展電流傳感器對多種形式電流檢測的響應(yīng)規(guī)律,探索出一條滿足IOT傳感節(jié)點需求的電流傳感器設(shè)計與工藝基本準(zhǔn)則。主要研究內(nèi)容及方法的概括如下:提出了對雙芯載流導(dǎo)線無源被動非接觸檢測的電流傳感器的兩種基本構(gòu)型——壓電式與聲表面波式懸臂梁感測結(jié)構(gòu)。本論文綜合考慮傳感器加工制造難易程度、成本等因素,最終確定了帶有微磁鐵的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)作為無源電流傳感器的最終方案;分析了被測單芯、雙芯載流導(dǎo)線磁場、磁場梯度分布規(guī)律,對微型磁鐵在磁場的作用下受力進(jìn)行分析研究,得到磁場力的分布狀態(tài),確定帶有微磁鐵懸臂梁結(jié)構(gòu)與導(dǎo)線的最優(yōu)位置關(guān)系;研究壓電材料在d_(31)、d_(33)工作模式下,電流傳感器電極的布置形式,結(jié)合電極分布面積選擇了輸出電荷較大的d_(31)工作模式;建立電流傳感器的機(jī)電耦合模型,研究多層壓電結(jié)構(gòu)的中性層位置對電荷輸出的影響規(guī)律,并確定了壓電層的設(shè)計準(zhǔn)則;通過構(gòu)建磁場力作用下的靜態(tài)與動態(tài)輸出模型,研究電流傳感器的振動模態(tài)對輸出電荷的抵消效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在一階模態(tài)下,壓電層具有最大的電荷輸出。分析了家用電器的典型信號形式及規(guī)律,確定了典型電流的變化特征區(qū)域;提出了對直流電流、矩形方波電流的測量方法,突破壓電式電流傳感器僅能測量交流電流的局限性,極大地拓展了壓電式無源電流傳感器對其他電流形式測量的范圍。針對直流電流,通過測量直流電流加載段的階躍信號帶來的響應(yīng),實現(xiàn)對直流電流的測量。基于單位脈沖響應(yīng)的杜哈梅積分,首次提出了直流載荷下的電流傳感器響應(yīng)理論模型;在理論上解釋了直流電流實測波形的特征,給出了求解直流電流值的方法;對矩形方波電流信號特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)矩形方波信號為兩反向階躍信號在不同觸發(fā)點的疊加形式,求解得到了方波電流載荷下的響應(yīng)通解,發(fā)現(xiàn)了方波信號下懸臂梁輸出響應(yīng)的規(guī)律,提出了測量方波信號的方法,研究了阻尼等參數(shù)對信號測量響應(yīng)的影響機(jī)制;在研究交流電流激勵時,求解獲得了通解下的響應(yīng),經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在傳感器的初始響應(yīng)階段存在三種疊加響應(yīng),前兩項為非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)帶來的振蕩輸出,主要包括初始條件引起的自由衰減振動與電流激勵引起的簡諧振動,第三項為測量時激勵電流引起的的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),而電流傳感器在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)條件下才可測量的準(zhǔn)確的電流響應(yīng),經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)增大阻尼可以使傳感器快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng),但會降低傳感器的靈敏度;提出了通過壓電分割理論提高靈敏度的方法,該方法將一整片壓電片分割為多片,進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)連接。在串聯(lián)連接時,理論模型表明,其電壓可以比未分割的整片壓電片的電壓提高n倍;在并聯(lián)連接時,理論模型表明,其分割前后的輸出電壓沒有變化。本論文設(shè)計了十片壓電片的高靈敏度電流傳感器結(jié)構(gòu),研究了壓電層厚度與輸出電壓的關(guān)系;加工制造了電流傳感器樣機(jī)。根據(jù)壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)特征設(shè)計了一套的MEMS工藝流程,對傳感器加工制造的懸臂梁樣機(jī)各層厚度進(jìn)行了檢測,對分割后的各片壓電片極化效果進(jìn)行了測試分析,探究了各工藝流程對極化效果的影響機(jī)制。搭建了傳感器樣機(jī)測試平臺,確定了傳感器的測試方案與方法,探究了傳感器在被測導(dǎo)線的x、z方向不同位置下的輸出響應(yīng),分析了因磁鐵不對稱造成的測量誤差;測量了交流電流激勵下的輸出響應(yīng)曲線與靈敏度曲線,分析了傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域的原因,測試了多片壓電片串聯(lián)、并聯(lián)條件下的輸出響應(yīng),分析了樣機(jī)輸出響應(yīng)與理論值產(chǎn)生差異的原因;測量了直流電流與矩形方波電流下的傳感器輸出響應(yīng),得到了響應(yīng)與輸出的線性曲線。本論文對無源電流傳感器的研究與開發(fā)將為IOT電流傳感節(jié)點無源化提供可借鑒的新想法、新思路、新技術(shù)。
【圖文】：

面向 IOT 電流傳感節(jié)點的主要問題及新需求。長期以來電流互感器(current transformer)廣泛應(yīng)用于對電力系統(tǒng)電流監(jiān)測環(huán)節(jié)，電磁式電流互感器是基于同一個鐵芯，通過鐵芯兩側(cè)的互感線圈實現(xiàn)感應(yīng)線圈對被測端線圈電流的測量，因此兩側(cè)互感線圈的通過中間鐵芯實現(xiàn)感應(yīng)與測量分離，并且通過兩側(cè)線圈數(shù)的配比可以實現(xiàn)對大電流很好的監(jiān)測[18]，可實現(xiàn)電氣隔離，確保工作人員安全。在對電流互感器使用過程中，電流互感器還存在一定問題，由于原理帶來的測量參量單一，僅能測量交流信號，無法對直流、暫態(tài)信號進(jìn)行測量[19]；傳感器結(jié)構(gòu)尺寸較大安裝在有空間要求的場合有一定局限性；如圖 1.1 所示為典型互感器原理圖，當(dāng)通入單一方向交流電流時在另一側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但通入形成回路的雙芯載流導(dǎo)線時，在鐵芯中磁通量為相互抵消無法實現(xiàn)對雙芯載流導(dǎo)線進(jìn)行測量，，而當(dāng)前在一些家庭用電設(shè)備中都采用單相三線制導(dǎo)線，在測量中需要將導(dǎo)線拆分測量，不利于傳感器安裝與電器使用安全，另外檢測設(shè)備成本較高；

第 1 章 緒論上的。其輸出信號形式為電流對時間的微分。通過對輸出的電就可以反求出真實被測電流。羅氏線圈可對電流進(jìn)行實時測量不發(fā)生飽和的特點，特別適用交流高頻大電流測量，圖 1.2 所本原理示意圖，當(dāng)原邊被測電流 Ic發(fā)生變化時，羅氏線圈輸出t會發(fā)生相應(yīng)的變化。由于原理限制在測量過程中羅氏線圈只能法對直流電流進(jìn)行測量，同時在雙芯載流導(dǎo)線測量時，產(chǎn)生相生抵消無法對雙線進(jìn)行測量[21]。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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5 祝志祥;陳新;馬光;陳保安;韓鈺;鄧元;史永明;;無源傳感器的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J];智能電網(wǎng);2015年03期

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本文編號：2696305