CN106018917B - 一种无源型电流电压集成传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无源型电流电压集成传感器，其由位于传输导线周围的两个传感部件组成，每个传感部件由衬底、磁芯线圈、金属层、连接导线、焊盘和固定装置组成。磁芯线圈位于衬底的上表面，与连接导线和焊盘构成电流传感器；金属层位于衬底的下表面，与连接导线和焊盘构成电压传感器，固定装置位于金属层的下方，两个传感部件与传输导线间的距离不同，通过固定装置安装在传输导线表面。传感器离传输导线的距离取决于固定装置的高低，调整方便；其基于微细加工技术，传感部件均采用无源测量，可以同时检测电流信号和电压信号，不需要外部供电，功耗低，结构简单，微型化，线性度好，动态范围大，成本低廉，有利于批量化生产。

Description

一种无源型电流电压集成传感器

技术领域

本发明涉及电网领域和微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)技术领域，尤其涉及一种无源型电流电压集成传感器。

背景技术

目前，针对变电站和用户终端的电流监测设备较多，而针对连接变电站与用户的架空线路的电流监测设备较少，随着大量分布式电源和电动汽车等波动负荷的接入，配电网的运行方式将发生显着变化，给配电网状态估计、优化调度和在线故障定位带来了严峻挑战。

电流传感器和电压传感器是实现电力***在线状态监测的重要设备。其精度及可靠性与电力***的安全、可靠运行密切相关。目前配电网大多采用大型互感器来检测电压信号和电流信号，不仅体积大，结构复杂，价格昂贵，而且安装不方便。此外，电压互感器一般采用接触地面测量，以大地作为参考电位，容易导致爬电现象的产生。因此亟需一种价格低廉、安装方便而精度相对较高的电流传感器和电压传感器对架空线路电流电压进行实时监测，以便运行人员较好地把握配电网的实时运行状态。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种无源型电流电压集成传感器。

(二)技术方案

本发明提供了一种无源型电流电压集成传感器，包括：第一传感部件和第二传感部件；其中，所述第一传感部件和第二传感部件的第一表面具有一电流传感器，其与第一表面相对的第二表面具有一电压传感器；所述电压传感器还固定有一夹持件，所述夹持件固定在传输导线表面，所述第一传感部件和第二传感部件位置匹配，二者的电压传感器与传输导线的距离不同。

优选地，所述第一传感部件和第二传感部件包括：衬底1、磁芯线圈2、连接导线4和焊盘5；所述磁芯线圈2位于衬底的第一表面，其通过第一表面的连接导线与焊盘连接，在第一表面上构成一电流传感器，用于感测传输导线的电流值。

优选地，所述第一传感部件和第二传感部件包括：衬底1、金属层3、连接导线4和焊盘5，所述金属层3位于衬底的第二表面，其通过第二表面的连接导线与焊盘连接，在第二表面上构成一电压传感器；所述第一传感部件和第二传感部件的金属层作为感应电极对，用于感测传输导线的电压值，所述感应电极对的其中一个金属层作为参考电位不接地。

优选地，所述第一传感部件和第二传感部件位于传输导线两侧，位置正对且相互平行；或者，所述第一传感部件和第二传感部件位于传输导线的同一轴向位置，且具有一夹角。

优选地，所述第一传感部件和第二传感部件并排设置于传输导线同一侧且相互平行；或者，所述第一传感部件和第二传感部件沿传输导线不同轴向位置设置，且具有一夹角。

优选地，所述衬底1的材料选自硅、玻璃、陶瓷或者有机材料，且所述衬底1与所述磁芯线圈2、薄金属层3、连接导线4以及焊盘5绝缘。

优选地，，所述磁芯线圈2为X行Y列的阵列结构磁芯线圈，其中，X、Y为自然数。

优选地，所述磁芯线圈2包括线圈和磁芯，线圈为与磁芯形状匹配的立体结构，其通过微细加工工艺在衬底上生成，其材料为铜或者银；磁芯材料为硅钢片铁芯、坡莫合金或非晶及纳米晶软磁合金。

优选地，所述金属层3通过微细加工工艺在衬底上生成，其材料为银或铜。

优选地，所述夹持件固定于金属层的正下方，材料为陶瓷、尼龙或聚四氟乙烯。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的一种无源型电流电压集成传感器具有以下有益效果：

(1)传感部件结构简单、成本低廉，有利于批量化生产；

(2)采用无源测量，不需要外部供电，功耗低；

(3)同时具备电压传感器和电流传感器，可以同时检测传输导线的电流信号和电压信号，无需采用两套设备分别检测电压和电流，检测方便，节省了检测成本；

(4)电压传感器无需接地作为参考电位，避免了爬电现象的发生；

(5)磁芯线圈采用阵列和叠层结构，大大提高了传感器的灵敏度；

(6)通过U型夹将传感部件固定在传输导线表面，易于安装，操作方便且间距调节非常简单方便；

(7)磁芯是由45％的镍铁薄膜合金组成，检测配电网时不会出现磁饱和现象，线性度好，动态范围大；

(8)采用微细加工工艺的传感器，体积小，实现了传感器的微型化。

附图说明

图1是本发明第一实施例的无源型电流电压集成传感器的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的无源型电流电压集成传感器的电流传感器结构示意图；

图3是本发明第一实施例的无源型电流电压集成传感器的电压传感器结构示意图；

图4是本发明第二实施例的无源型电流电压集成传感器的结构示意图；

图5是本发明第三实施例的无源型电流电压集成传感器的电流传感器结构示意图。

【符号说明】

1-衬底；2-磁芯线圈；3-金属层；4-连接导线；5-焊盘；6-U型夹；7-传输导线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种无源型电流电压集成传感器，可同时检测交流配电网无源型的电流信号和电压信号。其中，电流传感器的工作原理为法拉第电磁感应定律，传输导线中交流信号产生的交变磁场通过磁芯线圈，在磁芯线圈两端产生感应电动势，该电动势与被测电流成正比，通过该电动势便可求出被测电流的大小。电压传感器的工作原理为静电感应原理，两个金属层与传输导线间的距离不同，感应的电荷数目不同，通过检测两金属层间的感应电荷之差可以求出传输导线产生的交变电场，进而得到被测电压的大小。此外，磁芯线圈两端感应的电动势的大小和磁芯线圈与传输导线之间的距离成反比，通过上下两个磁芯线圈产生的电动势之比可以精确的求出磁芯线圈与传输导线之间的距离。

如图1至图3所示，本发明第一实施例提供了一种无源型电流电压集成传感器，包括：结构相同的第一传感部件和第二传感部件，第一、第二传感部件包括：衬底1、磁芯线圈2、金属层3、连接导线4、焊盘5和U型夹6；磁芯线圈2位于衬底的一表面，其通过该表面的连接导线与焊盘连接，在该表面上构成一电流传感器。

金属层3位于衬底的另一表面，其通过该另一表面的连接导线与焊盘连接，在该另一表面上构成一电压传感器。

U型夹6固定在金属层的正下方，第一传感部件和第二传感部件通过U型夹6固定在传输导线7表面，二者位于传输导线两侧，位置正对且相互平行，第一传感部件和第二传感部件金属层与传输导线7的距离不同，衬底1与磁芯线圈2、金属层3、连接导线4以及焊盘5绝缘。

其中，U型夹6可通过粘合剂与金属层3粘合在一起，通过U型夹6将第一、第二传感部件固定在传输导线7表面，易于安装，操作方便；通过改变U型夹的高低可以实现传感部件与传输导线7间的距离的调整，间距调节非常简单方便。

优选地，所述磁芯线圈2为X行Y列的阵列结构，包括X×Y个磁芯，阵列结构的磁芯线圈大大提高了传感器的灵敏度，其中，X、Y为自然数，在图1和图2中，所述X为1，Y为3。

其中，衬底1的材料例如可以选自硅、玻璃、陶瓷、有机材料、金属、金属合金或金属氧化物等材料；磁芯线圈2包括线圈和磁芯，线圈为与磁芯形状匹配的立体结构，其材料为铜或者银，磁芯材料可以为硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金或者其他具有较高磁导率、较高饱和磁化强度的磁性材料，优选45％的镍铁薄膜合金材料，其具有坡莫合金中最高的饱和磁化强度，检测配电网时不会出现磁饱和现象，线性度好，动态范围大。线圈与磁芯之间未接触，由绝缘材料隔开；金属层3材料为铜或银，作为电压传感器的感应电极对，其中一个金属层3作为参考电位，不用接地，避免了爬电现象的发生。连接导线4为铜线，分别将将磁芯线圈2和焊盘5以及金属层3和焊盘5连接起来；焊盘5材料为铜，与外部电路连接；U型夹6材料选自陶瓷、尼龙、聚四氟乙烯等电阻率比较高的绝缘材料。

为了增强传感器感应效果，可以通过增大磁芯的尺寸、增加线圈的圈数及面积以及减少传感部件与传输导线间的距离等来提高电流传感器的灵敏度；提高电压传感器的灵敏度可以通过增加金属层的面积以及减少传感部件与传输导线间的距离来实现。

优选地，传感器的主体结构，例如磁芯线圈2的线圈和金属层3，采用MEMS结构，其可以采用微细加工工艺在衬底上生成，例如光刻工艺、溅射工艺、微电镀工艺、刻蚀工艺、抛光工艺等；金属层3通过微电镀的方法在衬底1上生成。采用MEMS结构的传感器，体积小，实现了传感器的微型化。

在本实施例中，第一传感部件和第二传感部件也可以不相互平行，而是具有一夹角，即第一传感部件和第二传感部件通过U型夹6固定在传输导线7表面，二者位于传输导线的同一轴向位置，且具有一夹角，第一传感部件和第二传感部件金属层与传输导线7的距离不同。

本发明第一实施例的无源型电流电压集成传感器，传输导线中交流信号产生的交变磁场通过电流传感器的磁芯线圈，磁芯线圈两端产生感应电动势，该电动势与传输导线的电流成正比，通过两个传感部件的任一一个电流传感器感应的电动势都可计算出传输导线的电流值。两个传感部件的电压传感器，该两个电压传感器的金属层与传输导线间的距离不同，感应的电荷数目不同，通过检测两个金属层间的感应电荷之差可以求出传输导线产生的交变电场，进而得到传输导线的电压值。此外，磁芯线圈两端感应的电动势大小和磁芯线圈与传输导线之间的距离成反比，利用两个传感部件的磁芯线圈产生的电动势之比，可以精确的求出磁芯线圈与传输导线之间的距离，并将该距离减去衬底的厚度便可以得到传感部件金属层与传输导线的距离，计算传输导线的电压值。

本发明第一实施例的无源型电流电压集成传感器，传感部件结构简单、成本低廉，有利于批量化生产，其采用无源测量，不需要外部供电，功耗低；可以同时检测传输导线的电流信号和电压信号，无需采用两套设备分别检测电压和电流，检测方便，节省了检测成本；电压传感器无需接地作为参考电位，避免了爬电现象的发生。

本发明第二实施例的无源型电流电压集成传感器，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

参见图4，该无源型电流电压集成传感器，第一传感部件和第二传感部件通过U型夹6固定在传输导线7表面，第一传感部件和第二传感部件并排设置于于传输导线同一侧且相互平行，二者的金属层与传输导线7的距离不同。

在本实施例中，第一传感部件和第二传感部件也可以不相互平行，而是具有一夹角，即第一传感部件和第二传感部件通过U型夹6固定在传输导线7表面，二者沿传输导线不同轴向位置设置，且具有一夹角，第一传感部件和第二传感部件金属层与传输导线7的距离不同。

与第一实施例类似，本发明第二实施例的无源型电流电压集成传感器，传输导线中交流信号产生的交变磁场通过电流传感器的磁芯线圈，磁芯线圈两端产生感应电动势，该电动势与传输导线的电流成正比，通过两个传感部件的任一一个电流传感器感应的电动势都可计算出传输导线的电流值。两个传感部件的电压传感器，该两个电压传感器的金属层与传输导线间的距离不同，感应的电荷数目不同，通过检测两个金属层间的感应电荷之差可以求出传输导线产生的交变电场，进而得到传输导线的电压值。此外，磁芯线圈两端感应的电动势大小和磁芯线圈与传输导线之间的距离成反比，利用两个传感部件的磁芯线圈产生的电动势之比，可以精确的求出磁芯线圈与传输导线之间的距离，并将该距离减去衬底的厚度便可以得到传感部件金属层与传输导线的距离，计算传输导线的电压值。

本发明第二实施例的无源型电流电压集成传感器，传感部件结构简单、成本低廉，有利于批量化生产，其采用无源测量，不需要外部供电，功耗低；可以同时检测传输导线的电流信号和电压信号，无需采用两套设备分别检测电压和电流，检测方便，节省了检测成本；电压传感器无需接地作为参考电位，避免了爬电现象的发生。

本发明第三实施例的无源型电流电压集成传感器，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

本发明第三实施例的无源型电流电压集成传感器，N层第一传感部件堆叠而成第一传感器组，以及N层第二传感部件堆叠而成第二传感器组，所述N为自然数，N层第一传感部件电流传感器的焊盘通过导线串联，构成一电流传感器组，N层第二传感部件电流传感器的焊盘通过导线串联，构成一电流传感器组。

上层传感部件的具有电压传感器的表面堆叠在下层传感部件的具有电流传感器的表面上，U型夹6固定在最靠近传输导线的第一、第二传感部件金属层的正下方。第一传感器组和第二传感器组通过U型夹6固定在传输导线7表面。

本发明第三实施例的无源型电流电压集成传感器，传输导线中交流信号产生的交变磁场通过电流传感器的磁芯线圈，磁芯线圈两端产生感应电动势，该电动势与传输导线的电流成正比，通过任一一个传感器组的电流传感器组感应的电动势都可计算出传输导线的电流值。第一传感器组和第二传感器组最靠近传输导线的传感部件的电压传感器，该两个电压传感器的金属层与传输导线间的距离不同，感应的电荷数目不同，通过检测两个金属层间的感应电荷之差可以求出传输导线产生的交变电场，进而得到传输导线的电压值。此外，磁芯线圈两端感应的电动势大小和磁芯线圈与传输导线之间的距离成反比，利用第一传感器组和第二传感器组最靠近传输导线的传感部件的磁芯线圈产生的电动势之比，可以精确的求出最靠近传输导线的磁芯线圈与传输导线之间的距离，并将该距离减去衬底的厚度便可以得到传感部件金属层与传输导线的距离，计算传输导线的电压值。

本发明第三实施例的无源型电流电压集成传感器，采用堆叠的N层传感部件，在传感器整体结构体积增加很小的情况下，大大提高了传感器的灵敏度。如图5所示，所述N取2，即第一传感器组和第二传感器组由两层传感部件堆叠而成，其固定于传感导线表面的情形与图1类似，在此不再赘述。

相邻两层传感部件通过强力胶粘结在一块，在传感器整体结构体积增加很小的情况下，大大提高了传感器的灵敏度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的一种无源型电流电压集成传感器，有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各组件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)电压传感器和电流传感器还可以选用其他结构；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明的一种无源型电流电压集成传感器，结构简单，微型化，功耗低，线性度好，动态范围大，测量准确度受环境影响小、成本低廉，有利于批量化生产，可广泛应用到配电网电流电压检测领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无源型电流电压集成传感器，其特征在于，包括：第一传感部件和第二传感部件；其中，

所述第一传感部件和第二传感部件的第一表面具有一电流传感器，其与第一表面相对的第二表面具有一电压传感器；

所述电压传感器还固定有一夹持件，所述夹持件固定在传输导线表面，所述第一传感部件和第二传感部件位置匹配，二者的电压传感器与传输导线的距离不同；

其中，所述第一传感部件和第二传感部件包括：衬底(1)、磁芯线圈(2)、连接导线(4)和焊盘(5)；所述磁芯线圈(2)位于衬底的第一表面，其通过第一表面的连接导线与焊盘连接，在第一表面上构成一电流传感器，用于感测传输导线的电流值；

其中，所述第一传感部件和第二传感部件包括：衬底(1)、金属层(3)、连接导线(4)和焊盘(5)，所述金属层(3)位于衬底的第二表面，其通过第二表面的连接导线与焊盘连接，在第二表面上构成一电压传感器；

所述第一传感部件和第二传感部件的金属层作为感应电极对，用于感测传输导线的电压值，所述感应电极对的其中一个金属层作为参考电位不接地；

其中，所述第一传感部件和第二传感部件位于传输导线两侧，位置正对且相互平行；或者，所述第一传感部件和第二传感部件位于传输导线两侧，且所述第一传感部件和第二传感部件位于传输导线的同一轴向位置，且具有一夹角；或者

所述第一传感部件和第二传感部件并排设置于传输导线同一侧且相互平行；或者，所述第一传感部件和第二传感部件并排设置于传输导线同一侧，且所述第一传感部件和第二传感部件沿传输导线不同轴向位置设置，且具有一夹角。

2.如权利要求1所述的无源型电流电压集成传感器，其特征在于，所述衬底(1)的材料选自硅、玻璃、陶瓷或者有机材料，且所述衬底(1)与所述磁芯线圈(2)、薄金属层(3)、连接导线(4)以及焊盘(5)绝缘。

3.如权利要求1所述的无源型电流电压集成传感器，其特征在于，所述磁芯线圈(2)为X行Y列的阵列结构磁芯线圈，其中，X、Y为自然数。

4.如权利要求1所述的无源型电流电压集成传感器，其特征在于，所述磁芯线圈(2)包括线圈和磁芯，线圈为与磁芯形状匹配的立体结构，其通过微细加工工艺在衬底上生成，其材料为铜或者银；磁芯材料为硅钢片铁芯、坡莫合金或非晶及纳米晶软磁合金。

5.如权利要求1所述的无源型电流电压集成传感器，其特征在于，所述金属层(3)通过微细加工工艺在衬底上生成，其材料为银或铜。

6.如权利要求1所述的无源型电流电压集成传感器，其特征在于，所述夹持件固定于金属层的正下方，材料为陶瓷、尼龙或聚四氟乙烯。