本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)計量技術領域。

背景技術：

電流互感器是電力系統(tǒng)建設和運行的重要一次設備，為系統(tǒng)地控制和保護提供準確可靠的測量信息，其運行可靠性和測量準確性直接關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。隨著輸電技術的快速發(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。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電流傳感器。按其所應用的材料來劃分，目前系統(tǒng)中應用且研究較多的光學電流傳感器主要分為三種：

第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，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變，通過測量光柵的波長偏移量，反推其應變大小，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電流傳感器的世界技術難題；二是整體結(jié)構(gòu)較為復雜，除了光的雙折射對輸出結(jié)果有影響，光電設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。

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變量，是ni磁致伸縮應變的40～50倍，是pzt電致伸縮應變的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)響應速度快，響應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％。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為超特高壓輸電系統(tǒng)母線提供一種非接觸式磁場傳感單元，同時為磁場傳感單元輸出棒提供一種微位移測量方法，現(xiàn)提供一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置。

一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置，包括磁場傳感單元和微位移測量單元，

磁場傳感單元包括：底座1、外殼3、預緊力機構(gòu)4、輸出棒5和gmm棒6；

gmm棒6位于外殼3內(nèi)，底座1將外殼3的底部端口封閉，預緊力機構(gòu)4將外殼3的頂部端口封閉，外殼3與gmm棒6之間設有偏置磁場2，輸出棒5穿過預緊力機構(gòu)4，輸出棒5的首端與gmm棒6相接觸，輸出棒5的末端位于外殼3外部；

微位移測量單元包括：探頭7、前振電路8、混頻電路9、本振電路10、施密特觸發(fā)器11、鑒頻器12、低通濾波器13和電壓輸出電路14；

探頭7用于采集探頭7與輸出棒5末端的距離，探頭7的信號輸出端連接前振電路8的信號輸入端，前振電路8的信號輸出端連接混頻電路9的前振信號輸入端，本振電路10的的信號輸出端連接混頻電路9的本振信號輸入端，混頻電路9的混頻信號輸出端連接施密特觸發(fā)器11的信號輸入端，施密特觸發(fā)器11的信號輸出端連接鑒頻器12的信號輸入端，鑒頻器12的信號輸出端連接低通濾波器13的信號輸入端，低通濾波器13的信號輸出端連接電壓輸出電路14的信號輸入端。

預緊力機構(gòu)4包括：擰緊螺母41、預壓彈簧42和機構(gòu)殼43；

機構(gòu)殼43為圓桶形結(jié)構(gòu)，擰緊螺母41與機構(gòu)殼43的開口處為螺紋連接，機構(gòu)殼43的底部和擰緊螺母41上分別開有相互正對的通孔，輸出棒5的首端穿過兩個通孔并與gmm棒6相接觸，輸出棒5的末端位于預壓彈簧42外側(cè)，輸出棒5上設有突出部51，突出部51位于機構(gòu)殼43內(nèi)，預壓彈簧42套接在輸出棒5外，且預壓彈簧42位于突出部51與擰緊螺母41之間，突出部51的直徑大于預壓彈簧42的直徑。

本發(fā)明所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置，gmm棒由底座和外殼固定，而輸電線路則是垂直于gmm棒，這樣gmm棒就能夠感應輸電線路的磁場而產(chǎn)生軸向的伸縮，從而產(chǎn)生應變轉(zhuǎn)交給輸出棒。即：以輸電線路為激勵磁場源，磁場傳感單元利用gmm棒的磁致伸縮效應來實現(xiàn)對超特高壓輸電系統(tǒng)母線磁場的自傳感功能。將探頭作為固定板極，將輸出棒末端的端面作為可動板極，構(gòu)成平行極板式電容，當輸出棒的位置發(fā)生變化時，兩極板間電容量隨位移量發(fā)生改變；為了精確測量微位移的值，在將位移的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率的變化后，通過適當?shù)男盘栟D(zhuǎn)換模塊將頻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化輸出，最后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。

本發(fā)明所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置，涉及超磁致伸縮材料自傳感技術以及微位移測量技術，屬于電力系統(tǒng)計量與保護領域。

附圖說明

圖1為一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為磁場傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為預緊力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為前振電路的電路圖；

圖5為本振電路的電路圖；

圖6為混頻器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為施密特觸發(fā)器輸入輸出關系曲線圖；

圖8為鑒頻器的電路圖；

圖9為低通濾波器的電路圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1和圖2具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置，包括磁場傳感單元和微位移測量單元，

磁場傳感單元包括：底座1、外殼3、預緊力機構(gòu)4、輸出棒5和gmm棒6；

gmm棒6位于外殼3內(nèi)，底座1將外殼3的底部端口封閉，預緊力機構(gòu)4將外殼3的頂部端口封閉，外殼3與gmm棒6之間設有偏置磁場2，輸出棒5穿過預緊力機構(gòu)4，輸出棒5的首端與gmm棒6相接觸，輸出棒5的末端位于外殼3外部；

微位移測量單元包括：探頭7、前振電路8、混頻電路9、本振電路10、施密特觸發(fā)器11、鑒頻器12、低通濾波器13和電壓輸出電路14；

探頭7用于采集探頭7與輸出棒5末端的距離，探頭7的信號輸出端連接前振電路8的信號輸入端，前振電路8的信號輸出端連接混頻電路9的前振信號輸入端，本振電路10的的信號輸出端連接混頻電路9的本振信號輸入端，混頻電路9的混頻信號輸出端連接施密特觸發(fā)器11的信號輸入端，施密特觸發(fā)器11的信號輸出端連接鑒頻器12的信號輸入端，鑒頻器12的信號輸出端連接低通濾波器13的信號輸入端，低通濾波器13的信號輸出端連接電壓輸出電路14的信號輸入端。

本實施方式中，gmm棒6由底座1和外殼3固定，而輸電線路則是垂直于gmm棒6，這樣gmm棒6就能夠感應輸電線路的磁場而產(chǎn)生軸向的伸縮，從而產(chǎn)生應變轉(zhuǎn)交給輸出棒。即：以輸電線路為激勵磁場源，磁場傳感單元利用gmm棒6(超磁致伸縮棒)的磁致伸縮效應來實現(xiàn)對超特高壓輸電系統(tǒng)母線磁場的自傳感功能。將探頭7作為固定板極，將輸出棒5末端的端面作為可動板極，構(gòu)成平行極板式電容，當輸出棒5的位置發(fā)生變化時，兩極板間電容量隨位移量δd發(fā)生改變；為了精確測量微位移的值，在將位移的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率的變化后，通過適當?shù)男盘栟D(zhuǎn)換模塊將頻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化輸出，最后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。即：磁場傳感單元將電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰屏?，完成?磁-機的轉(zhuǎn)換。

具體實施方式二：參照圖3具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置作進一步說明，本實施方式中，預緊力機構(gòu)4包括：擰緊螺母41、預壓彈簧42和機構(gòu)殼43；

機構(gòu)殼43為圓桶形結(jié)構(gòu)，擰緊螺母41與機構(gòu)殼43的開口處為螺紋連接，機構(gòu)殼43的底部和擰緊螺母41上分別開有相互正對的通孔，輸出棒5的首端穿過兩個通孔并與gmm棒6相接觸，輸出棒5的末端位于預壓彈簧42外側(cè)，輸出棒5上設有突出部51，突出部51位于機構(gòu)殼43內(nèi)，預壓彈簧42套接在輸出棒5外，且預壓彈簧42位于突出部51與擰緊螺母41之間，突出部51的直徑大于預壓彈簧42的直徑。

預壓彈簧42和輸出棒5緊密相連，而擰緊螺母41用來調(diào)節(jié)預應力的大小，從而來選擇合適的預應力大小，提高gmm棒6的輸出性能和其抗拉強度。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置作進一步說明，本實施方式中，偏置磁場2包括永磁鐵和永磁鐵架，永磁鐵環(huán)繞在gmm棒6周圍，永磁鐵架用于固定永磁鐵。

偏置磁場機構(gòu)包括永磁鐵和固定永磁鐵用的永磁鐵架，永磁鐵環(huán)繞在gmm棒6周圍，提供偏置磁場，用于消除gmm棒6動態(tài)應用下的倍頻效應，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。

具體實施方式四：參照圖4具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置作進一步說明，本實施方式中，前陣電路包括：等效電容cx、電容c1、電容c2、電容c3、電容c4、電容c5、電容c6、電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4、電阻r5、電阻r6、三極管t1、三極管t2和電感l(wèi)1；

等效電容cx的一端、電容c1的一端、電容c3的一端、電阻r2的一端、電阻r5的一端和電阻r6的一端同時連接電源地，

電阻r1的一端、三極管t1的集電極和三極管t2的集電極同時連接電源正極，

等效電容cx的另一端和電容c1的另一端同時連接電感l(wèi)1的一端，

電感l(wèi)1的另一端同時連接電容c2的一端和電容c4的一端，

電容c2的另一端同時連接電容c3的另一端、電阻r4的一端和電阻r5的一端，

電阻r2的另一端同時連接電阻r1的另一端、電阻r3的一端和電容c5的一端，

電阻r3的另一端同時連接三極管t1的基極和電容c4的另一端，

電阻r4的另一端同時連接三極管t1的發(fā)射極和三極管t2的基極，

電容c5的另一端同時連接三極管t2的發(fā)射極、電容c6的一端和電阻r6的另一端，

電容c6的另一端作為前陣電路的信號輸出端，等效電容cx的端電壓作為前陣電路的信號輸入端電壓。

本實施方式中前振電路產(chǎn)生振蕩頻率受被測距離調(diào)制的正弦信號。

為了克服傳輸電纜的雜散電容對電容測量的影響，將探頭直接與前振電路相連。前振電路產(chǎn)生的頻率信號通過同軸電纜傳輸至后續(xù)的處理電路。探頭探測到的位移變化信號通過轉(zhuǎn)換電路，對正弦激勵電路產(chǎn)生的正弦載波信號進行調(diào)理，轉(zhuǎn)換電路輸出為包含位移變化量的電壓調(diào)制信號。然后，使用精密全波整流和增益濾波等信號處理電路，對轉(zhuǎn)換電路輸出的調(diào)幅信號進行解調(diào)，最終得到與位移變化量成線性關系的直流電壓信號。

本振電路用于產(chǎn)生振蕩頻率基本固定的正弦信號，本振電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

混頻器用于將前振電路和本振電路產(chǎn)生的正弦信號下變頻混頻器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

施密特觸發(fā)器用于將正弦信號調(diào)制成方波信號，同時也可以濾除中頻信號包含的高頻干擾，其輸入輸出關系曲線圖如圖7所示。

具體實施方式五：參照圖8具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置作進一步說明，本實施方式中，鑒頻器包括：電容c80、電容c81、電容c82、電容c83、電容c84、變壓器、二極管vd1、二極管vd2、電感l(wèi)82、電阻r81和電阻r82；

電容c81的一端和變壓器原邊線圈l80的一端同時接地，

電容c81的另一端和變壓器原邊線圈l80的另一端同時連接電容c80的一端，

電容c80的另一端同時連接電感l(wèi)82的一端和變壓器副邊線圈l81的動觸點，

變壓器副邊線圈l81的一個靜觸點和電容c82的一端同時連接二極管vd2的正極，

變壓器副邊線圈l81的另一個靜觸點和電容c82的另一端同時連接二極管vd1的正極，

電感l(wèi)82的另一端同時連接電容c83的一端、電容c84的一端、電阻r81的一端和電阻r82的一端，

二極管vd1的負極同時連接電容c83的另一端和電阻r81的另一端，

二極管vd2的負極、電容c84的另一端和電阻r82的另一端同時接地，

電容c81的端電壓作為鑒頻器的信號輸入端電壓，電阻r81和電阻r82串聯(lián)后的端電壓作為鑒頻器的信號輸出端電壓。

鑒頻器用于將輸入信號的頻率變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓大小的變化。

具體實施方式六：參照圖9具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于超磁致伸縮材料的非接觸式電流測量裝置作進一步說明，本實施方式中，低通濾波器包括：電阻r91、電阻r92、電阻r93、電阻r94、電阻r95、電阻r96、電阻r97、電阻r98、電容c91、電容c92、電容c93、電容c94、電容c95、放大器a1和放大器a2；

電阻r91的一端作為低通濾波器的信號輸入端，

電阻r91的另一端同時連接電阻r92的一端、電阻r93的一端和電容c92的一端，

電容c91并聯(lián)在電阻r91的兩端，

電容c92的另一端和電阻r94的一端同時接電源地，電阻r94的另一端連接放大器a1的正向輸入端，

電阻r93的另一端同時連接電容c93的一端和放大器a1的反向輸入端，

電阻r92的另一端同時連接電容c93的另一端、放大器a1的輸出端和電阻r95的一端，

電阻r95的另一端同時連接電阻r96的一端、電阻r97的一端和電容c94的一端，

電容c94的另一端和電阻r98的一端同時接電源地，電阻r98的另一端連接放大器a2的正向輸入端，

電阻r97的另一端同時連接電容c95的一端和放大器a2的反向輸入端，

電阻r96的另一端同時連接電容c95的另一端和放大器a2的輸出端，

放大器a2的輸出端作為低通濾波器的信號輸出端。

低通濾波器用于平滑鑒頻器的輸出電壓，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

當探頭與被測物(輸出棒端面)之間的距離改變時，探頭等效電容變化，導致前振電路的振蕩頻率改變?；祛l器將前振電路和本振電路輸出的正弦波下變頻，由帶通濾波器取出中頻信號，然后傳給施密特觸發(fā)器將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，再經(jīng)限幅放大器使方波的幅度恒定。將幅度恒定的方波傳給鑒頻器轉(zhuǎn)換成輸出電壓受到輸入頻率調(diào)制的電壓信號，再經(jīng)低通濾波器進一步將鑒頻器輸出的電壓信號濾成直流量。最后，將直流量送給非線性校正模塊進行處理，得到與測量位移成線性關系的電壓輸出。