本發(fā)明涉及超磁致伸縮材料傳感技術(shù)以及電渦流位移傳感技術(shù)，屬于電力系統(tǒng)計量與保護領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電流互感器是電力系統(tǒng)建設(shè)和運行的重要一次設(shè)備，為系統(tǒng)地控制和保護提供準(zhǔn)確可靠的測量信息，其運行可靠性和測量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。隨著輸電技術(shù)的快速發(fā)展，超特高壓輸電工程日益增多，電力系統(tǒng)的運行狀況需要被牢牢的掌控，這就需要更先進更符合要求的電流傳感器來完成這項任務(wù)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，近年來科研人員把目光主要聚焦到了研究新型光學(xué)電流傳感器。按其所應(yīng)用的材料來劃分，目前系統(tǒng)中應(yīng)用且研究較多的光學(xué)電流傳感器主要分為三種。一種是以重火石玻璃為代表的傳感器，另一種是以光纖作為傳感材料的傳感器。這兩種材料都具有法拉第旋光特性，即將該材料置于由輸電線路所產(chǎn)生的磁場中，讓一束線偏振光通過該材料，由于法拉第旋光效應(yīng)，在材料中的線偏振光角度將發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與磁場強度呈線性關(guān)系。因此可以通過探測出射光偏轉(zhuǎn)角度監(jiān)測電流強度。第三種是由光纖布拉格光柵與gmm棒結(jié)合起來構(gòu)成的光學(xué)電流傳感器。其機理是：將gmm與光纖布拉格光柵沿棒方向粘貼在一起從而同步兩種材料的應(yīng)變，通過測量光柵的波長偏移量，反推其應(yīng)變大小，從而獲得產(chǎn)生磁場的待測直流電流的大小。

然而這三種光學(xué)電流傳感器共同的不足之處有三點：一是測量精度的溫度漂移問題是光學(xué)電流傳感器的世界技術(shù)難題；二是整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，除了光的雙折射對輸出結(jié)果有影響，光電設(shè)備本身也會對最后的數(shù)字信號結(jié)果產(chǎn)生影響；三是傳感器的輸出終端都是數(shù)字信號，只能通過數(shù)字信號對輸電線路進行監(jiān)測，發(fā)生故障無法直接進行保護動作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的電流傳感器采用光學(xué)元件并需要配備光電設(shè)備，影響輸出結(jié)果、以及發(fā)生故障時無法直接進行保護的問題，提供一種基于磁場傳感的電流傳感裝置。

本發(fā)明所述的一種基于磁場傳感的電流傳感裝置包括磁場傳感單元(1)和位移傳感單元(2)；

所述磁場傳感單元(1)包括gmm棒(1-1)和輸出棒(1-2)，所述gmm棒(1-1)用于感應(yīng)輸電線路的磁場而產(chǎn)生軸向伸縮，從而將應(yīng)變傳遞給輸出棒(1-2)；

所述位移傳感單元(2)包括探頭線圈(2-1)、激勵信號源(2-2)、交流電橋(2-3)、信號解調(diào)電路(2-4)以及低通濾波電路(2-5)；

所述激勵信號源(2-2)用于產(chǎn)生正弦激勵信號，該信號通過交流電橋(2-3)加載到探頭線圈(2-1)的兩端；

探頭線圈(2-1)用于感應(yīng)gmm棒產(chǎn)生的軸向伸縮，其產(chǎn)生的感應(yīng)信號依次經(jīng)過信號解調(diào)電路(2-4)放大以及低通濾波電路(2-5)濾波后輸出。

gmm是具有磁致伸縮特性的材料，因摻雜有稀土元素，并在磁場作用下，該材料相比于傳統(tǒng)的鐵基以及鎳基磁致伸縮材料有相對較大的長度和體積變化，故稱之為稀土超磁致伸縮材料。在工程上，利用這個特性，能將電能和磁能高效的轉(zhuǎn)化為機械能，抑或?qū)C械能高效的轉(zhuǎn)化為電能。

磁致伸縮材料主要有三大類：鎳和鎳基合金(ni,ni-co)，壓電陶瓷材料(pzt)和稀土超磁致伸縮材料(giantmagnetostrctivematerial簡稱gmm)。鐵磁材料在外加磁場作用下發(fā)生長度或體積變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮。gmm是在室溫和低磁場下有很大磁致伸縮系數(shù)的三元稀土鐵化合物，典型材料為tbxdy1-xfe2-y，這種材料已實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。由于gmm的磁致伸縮系數(shù)比傳統(tǒng)磁致伸縮材料大約2個數(shù)量級，因此被稱為稀土超磁致伸縮材料。

gmm是一種新型高效的磁(電)——機械能量轉(zhuǎn)換材料，與ni和pzt相比，具有優(yōu)越的性能：(1)在室溫下的磁致伸縮應(yīng)變量，是ni磁致伸縮應(yīng)變的40～50倍，是pzt電致伸縮應(yīng)變的4～20倍；(2)能量轉(zhuǎn)換密度高，是ni的400～500倍，是pzt的10～25倍；(3)響應(yīng)速度快，響應(yīng)速度一般在幾十毫秒以下，甚至達到微秒級；(4)輸出力大，帶載能力強；(5)磁機耦合系數(shù)大，電磁能—機械能轉(zhuǎn)換效率高，一般可達72％。

以超特高壓輸電線路為激勵磁場源，磁場傳感單元利用超磁致伸縮棒的磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)對輸電系統(tǒng)母線磁場的傳感功能；電渦流傳感單元中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭端部線圈中產(chǎn)生交變磁場，處于該磁場中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，導(dǎo)體表面就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。因此當(dāng)被測體(磁場傳感單元的輸出棒)靠近這一磁場時，則在此被測體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。

與此同時，被測體上的電渦流產(chǎn)生交變磁場方向與高頻振蕩電流在探頭端部線圈中產(chǎn)生交變磁場方向相反，使探頭線圈中電流大小和相位都發(fā)生了變化，即探頭線圈的阻抗發(fā)生了變化，用探頭線圈阻抗的變化來反映被測體的渦流效應(yīng)。

當(dāng)被測體與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭線圈等效阻抗也發(fā)生變化，阻抗的變化引起振蕩電壓的變化，振蕩電壓經(jīng)過信號調(diào)理解調(diào)之后處理轉(zhuǎn)化成電壓(電流)變化，最終完成位移-線圈等效阻抗-電壓的轉(zhuǎn)換。

其基本工作原理是：當(dāng)探測線圈通以高頻交流電時，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，處在交變磁場范圍里面的導(dǎo)體將感應(yīng)出渦流。導(dǎo)體中的渦流產(chǎn)生與線圈磁場方向相反的磁場，線圈磁場和渦流磁場的相互作用，改變探測線圈的阻抗。當(dāng)距離改變時，線圈與目標(biāo)導(dǎo)體的磁場耦合強度發(fā)生改變，線圈的阻抗隨之改變，因此通過測量線圈的阻抗即可獲得目標(biāo)導(dǎo)體的位移信息。

本發(fā)明不存在光學(xué)元件，因此能夠有效避免溫度漂移問題；不需要光電設(shè)備，不會對輸出結(jié)果產(chǎn)生影響；最終輸出信號為模擬信號，可通過模擬信號對輸電線路進行監(jiān)測，發(fā)生故障時可直接進行保護動作。

附圖說明

圖1為實施方式一所述的電流傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中3表示超特高壓輸電系統(tǒng)母線；

圖2為實施方式二所述的磁場傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施方式二中預(yù)應(yīng)力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施方式三中激勵信號源的原理框圖；

圖5為實施方式四中交流電橋的電路圖；

圖6為實施方式五中信號解調(diào)電路的電路圖；

圖7為實施方式六中低通濾波電路的電路圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于磁場傳感的電流傳感裝置，包括磁場傳感單元(1)和位移傳感單元(2)；

所述磁場傳感單元(1)包括gmm棒(1-1)和輸出棒(1-2)，所述gmm棒(1-1)用于感應(yīng)輸電線路的磁場而產(chǎn)生軸向伸縮，從而將應(yīng)變傳遞給輸出棒(1-2)；

所述位移傳感單元(2)包括探頭線圈(2-1)、激勵信號源(2-2)、交流電橋(2-3)、信號解調(diào)電路(2-4)以及低通濾波電路(2-5)；

所述激勵信號源(2-2)用于產(chǎn)生正弦激勵信號，該信號通過交流電橋(2-3)加載到探頭線圈(2-1)的兩端；

探頭線圈(2-1)用于感應(yīng)gmm棒產(chǎn)生的軸向伸縮，其產(chǎn)生的感應(yīng)信號依次經(jīng)過信號解調(diào)電路(2-4)放大以及低通濾波電路(2-5)濾波后輸出。

如圖1所示，gmm棒(1-1)與輸電系統(tǒng)母線垂直設(shè)置，gmm棒(1-1)與輸出棒(1-2)同軸固定。當(dāng)輸電線路有電流流過時，gmm棒就能夠感應(yīng)輸電線路的磁場而產(chǎn)生軸向的伸縮，從而將產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞給輸出棒(1-2)，由輸出棒(1-2)向位移傳感單元(2)的探頭線圈(2-1)輸出。

位移傳感單元(2)的工作原理是：由于電磁感應(yīng)的作用，輸出棒(1-2)端面的電渦流產(chǎn)生的交變磁場與高頻振蕩電流在探頭線圈(2-1)內(nèi)產(chǎn)生的交變磁場方向相反，兩個交變磁場相互作用，線圈等效阻抗因為磁場的變化也會相應(yīng)變化。當(dāng)gmm棒(1-1)與探頭線圈(2-1)之間的距離發(fā)生變化時，導(dǎo)致振蕩電路的振蕩頻率改變，線圈阻抗的變化直接表現(xiàn)為電壓的變化，根據(jù)該電壓的變化可以得到輸電系統(tǒng)母線的電流。

具體實施方式二：結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的電流傳感裝置的進一步限定，本實施方式中，所述磁場傳感單元(1)還包括預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)、偏執(zhí)磁場機構(gòu)、外殼(1-4)和底座(1-5)；

底座(1-5)和預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)分別固定在外殼(1-4)兩端；gmm棒(1-1)和偏執(zhí)磁場機構(gòu)位于由底座(1-5)、預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)和外殼(1-4)所圍成的空間內(nèi)部；

gmm棒(1-1)固定在底座(1-5)上；偏執(zhí)磁場機構(gòu)包括永磁鐵(1-6)和固定永磁鐵(1-6)用的永磁鐵架，所述永磁鐵(1-6)環(huán)繞在gmm棒(1-1)周圍；

輸出棒(1-2)的一端固定在gmm棒(1-1)的端面上，另一端穿過預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)，輸出棒(1-2)上固定有擋片(1-2-1)，所述擋片(1-2-1)位于預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)內(nèi)部；

預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)包括預(yù)緊彈簧(1-3-1)、擰緊螺母(1-3-2)和外罩(1-3-3)，擰緊螺母(1-3-2)與外罩(1-3-3)的一端螺紋連接，預(yù)緊彈簧(1-3-1)被壓縮在擋片(1-2-1)與擰緊螺母(1-3-2)之間。

本實施方式中，永磁鐵環(huán)繞在gmm棒周圍，用于提供偏置磁場，以消除gmm動態(tài)應(yīng)用下的倍頻效應(yīng)，并移動其工作點至輸出特性曲線的線性區(qū)域，以提高裝置的精度。

圖3所示為預(yù)應(yīng)力機構(gòu)(1-3)，其外罩(1-3-3)的左端面固定在圖2中外殼(1-4)的右端，主要由擰緊螺母(1-3-2)和預(yù)緊彈簧(1-3-1)組成，擰緊螺母(1-3-2)用來調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力的大小，從而來選擇合適的預(yù)應(yīng)力大小，提高gmm的輸出性能和其抗拉強度。

具體實施方式三：結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一和二所述的電流傳感裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的激勵信號源(2-2)采用dds信號源實現(xiàn)。

如圖4所示，采用mcu控制dds，dds產(chǎn)生的信號經(jīng)放大器放大，然后通過交流電橋(2-3)加載到探頭線圈(2-1)上。

要電流傳感裝置工作，需要有信號施加在探頭線圈(2-1)上，這樣才會在被測體(輸出棒(1-2))中產(chǎn)生渦流，為后續(xù)電路提供可處理的響應(yīng)信號。

激勵信號源(2-2)用于產(chǎn)生電流傳感裝置所需要的1mhz的正弦激勵信號，所述正弦激勵信號需通過放大電路放大到需要的幅值。本實施方式采用設(shè)計簡便、頻率和幅值穩(wěn)定性都極佳的dds信號源作為激勵信號源，同時設(shè)計了一個高性能的功率放大器(pa)來驅(qū)動探頭線圈(2-1)及其它電橋元件。整個激勵信號源(2-2)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

具體實施方式四：結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一至三所述的電流傳感裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的交流電橋(2-3)包括參考線圈m、第一采樣電阻和第二采樣電阻；

探頭線圈(2-1)、參考線圈m、第一采樣電阻rs1和第二采樣電阻rs2依次首尾連接，形成閉合回路；

激勵信號源(2-2)輸出端的兩個端子分別連接探頭線圈(2-1)和參考線圈m的公共端、以及第一采樣電阻和第二采樣電阻的公共端；

參考線圈m和第一采樣電阻的公共端與探頭線圈(2-1)和第二采樣電阻的公共端之間的電勢差為所述流電橋(2-3)的輸出信號。

交流電橋(2-3)結(jié)構(gòu)如圖5所示，探頭線圈(2-1)相當(dāng)于在交流電橋(2-3)中接入的探測線圈，交流電橋(2-3)能夠產(chǎn)生響應(yīng)信號并分離響應(yīng)信號。響應(yīng)信號的分離是指輸出電壓中的虛部和實部實現(xiàn)了分離，實部代表電感變化量，虛部代表電阻變化量。由于實部(與激勵信號源(2-2)的輸出信號成0度相位差)代表響應(yīng)信號的電感變化，在通過測量電感變化量來獲取輸出棒(1-2)的位移信息時只需要用交流電橋(2-3)的激勵電壓作參考信號即可，而無需90度移相，進一步簡化了電流傳感裝置的信號處理電路，有利于提高其分辨率和穩(wěn)定性。

具體實施方式五：結(jié)合圖6說明本實施方式，本實施方式是對實施方式四所述的電流傳感裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的信號解調(diào)電路(2-4)包括第一差動放大器、鎖定放大器和第二差動放大器；

第一差動放大器的同相輸入端連接參考線圈m和第一采樣電阻的公共端，第一差動放大器的反相輸入端連接探頭線圈(2-1)和第二采樣電阻的公共端；

第一采樣電阻和第二采樣電阻的公共端連接鎖定放大器的參考信號輸入端，第一差動放大器的輸出端連接鎖定放大器的檢測信號輸入端；

鎖定放大器的輸出端連接第二差動放大器的同相輸入端，第二差動放大器的反相輸入端用于接入?yún)⒖茧妷盒盘?，第二差動放大器的輸出端作為所述信號解調(diào)電路(2-4)的輸出端。

信號解調(diào)電路(2-4)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由用于放大交流電橋信號的第一差動放大器、實現(xiàn)相敏檢波的鎖定放大器、以及一個帶增益和偏置調(diào)節(jié)的第二差動放大器構(gòu)成?；谔厥怆姌虿顒臃糯蠛屯芥i定放大原理，本實施方式設(shè)計實現(xiàn)了用于處理渦流傳感信號的信號解調(diào)電路(2-4)，用于測量線圈的阻抗變化并將其轉(zhuǎn)換為位移信息。

具體實施方式六：結(jié)合圖7說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一至五所述的電流傳感裝置的進一步限定，本實施方式中，所述低通濾波電路(2-5)包括兩個輸出通道，一個為高帶寬通道，另一個為高分辨率通道。

低通濾波電路(2-5)的功能主要是平滑信號解調(diào)電路(2-4)的輸出電壓，跟隨器實現(xiàn)輸出信號與前級放大器的簡單隔離。

如圖7所示，所述低通濾波電路(2-5)包括兩個低通放大器、兩個跟隨器以及一個普通放大器。信號解調(diào)電路(2-4)輸出的信號先經(jīng)過截止頻率為10khz的低通放大器進行濾波放大，放大后的信號可以從兩個通道中的一個輸出。一個通道為：直接通過跟隨器輸出，對應(yīng)圖7中的輸出端a，該通道的特點是高帶寬，量程大；另一個通道為：先經(jīng)過放大器放大，然后經(jīng)截止頻率為100khz的低通放大器濾波放大，再通過跟隨器輸出，對應(yīng)圖中的輸出端b，該通道的特點是高分辨率，靈敏度和分辨率都極高，量程隨之減小。