[發明專利]采用磁激勵諧振壓阻式懸臂梁測量直流電流或直流電壓的方法

有效

• 申請號: 201310143552.3
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103245819A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 蔣莊德;張桂銘;趙立波;徐龍起;趙玉龍;王苑;王久洪;苑國英
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明涉及一種測量直流電流或直流電壓的方法，更確切地說，是一種采用磁激勵諧振壓阻式懸臂梁測量直流電流或直流電壓的方法。

背景技術

電流傳感器已經廣泛地用于現代電力電子系統中，在監控和保護電力系統方面起著非常重要的作用。測量電流的方法有很多，典型的有基于霍爾效應、磁通門、磁阻、光纖技術、歐姆電阻定律、引線電阻技術、羅果夫斯基線圈、電流互感器、偏振檢測、干涉儀檢測、磁感應等原理的方法。隨著MEMS技術的發展以及電力電子模塊集成化的趨勢，新近又出現了基于壓電微懸臂梁測量直流或是交流電流的方法。為了便于電流的數字控制和監控，電流信息需要轉化為數字信號，但幾乎所有根據這些方法制造的電流傳感器的輸出信號都是模擬信號，這就需要額外的模擬數字轉換器。此外，在測定微小電流時，還需要對輸出信號進行放大、濾波等處理，這不僅增加了傳感器的體積，還增加了制造成本。諧振式傳感器不僅具有高的穩定性和分辨率，而且它的輸出即為準數字信號，采用這種原理制造的電流傳感器很容易實現高集成、高效率以及更加復雜的電流控制技術，同時，準數字信號輸出也為信號的長距離傳輸提供了有利條件。

目前，有報道的諧振式電流傳感器為采用壓電懸臂梁制作而成，可以實現0–20mA的直流電流測量，但是，壓電懸臂梁本身也容易受到外界電場的干擾，影響測量結果的精度，而且這種傳感器靈敏度較低（約為0.0025Hz/mA²）。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種采用磁激勵諧振壓阻式懸臂梁測量直流電流或直流電壓的方法，通過檢測懸臂梁的諧振頻率實現直流電流或直流電壓的測量，以解決現有直流電流或直流電壓測量方法輸出為非數字信號或者輸出靈敏度過低等缺點。

為了克服現有方法的缺點，本發明提供一種采用磁激勵諧振壓阻式懸臂梁測量直流電流或直流電壓的方法，將所述壓阻式懸臂梁置于勻強磁場中，勻強磁場的方向沿著懸臂梁的長度方向，所述懸臂梁上的激勵線圈上施加有正弦交流電壓，懸臂梁受到交變的電磁力發生往復振動，所述懸臂梁的振動通過壓阻惠斯通電橋感知，所述壓阻惠斯通電橋的偏置電流或偏置電壓由恒流源或恒壓源提供，當惠斯通電橋的偏置電流為I₁或偏置電壓為V₁時，所述惠斯通電橋的輸出電壓為U₁；通過改變正弦交流電壓的頻率改變懸臂梁的振動頻率，當正弦交流電壓的頻率等于懸臂梁的固有頻率時發生諧振，通過正弦交流電壓的頻率與懸臂梁的輸出電壓之間對應關系曲線擬合得到懸臂梁的諧振頻率；重復上述步驟，確定電流工作方程f=aI²+b或電壓工作方程f=aV²+b中的參數a和b，即可通過該懸臂梁測量未知直流電流或未知直流電壓的大小。

一種采用磁激勵諧振壓阻式懸臂梁測量直流電流或直流電壓的方法，包括以下步驟：

（1）將該懸臂梁置于外界勻強磁場中，勻強磁場的方向沿著懸臂梁的長度方向，然后通過第一和第二焊盤給懸臂梁上的激勵線圈提供一個正弦交流電壓，懸臂梁受到交變的電磁力將會發生往復振動；

（2）懸臂梁的振動通過置于懸臂梁根部的壓阻惠斯通電橋感知，由一恒流源或恒壓源通過第三、第四、第六和第七焊盤供給惠斯通電橋偏置電流為I₁或偏置電壓為V₁時，使用鎖相放大器通過第五和第八焊盤測量惠斯通電橋的輸出U₁；

（3）改變輸入的交流電壓的頻率，懸臂梁的振動頻率隨之發生改變但等于交流電壓頻率，當輸入電壓的頻率等于懸臂梁的固有頻率時將會發生諧振，通過輸入的交流電壓的頻率以及采集鎖相放大器的輸出數據，進行擬合即可得到懸臂梁的諧振頻率為f₁；

（4）重復步驟（2）和（3），改變輸入的偏置電流為I₂或偏置電壓為V₂，此時測得懸臂梁的諧振頻率為f₂；

（5）根據以上測量結果以及電流工作方程f=aI²+b或電壓工作方程f=aV²+b，確定電流或電壓工作方程中的待定參數a和b；當該懸臂梁（11）用于某未知直流電流或直流電壓的測量時，根據測得的諧振頻率f，以及參數a和b，即可計算出該未知直流電流或直流電壓大小。

作為本發明的優選實施例，所述的壓阻式懸臂梁，是矩形懸臂梁或三角形懸臂梁或梯形懸臂梁。

作為本發明的優選實施例，所述的壓阻式懸臂梁，其固支條件為單端固支，或雙端固支或者四周固支。