基于磁电层状复合材料的交流电流传感器的研究

The research and the industrialization of the smart grid and smart home promote some new requirements for current sensors with the characteristics of small volume, easy installation and maintenance, and high sensitivity for broadband and large scale, etc. The currently used inductive coils, Hall elements, magnetoresistive and optical fiber current sensors cannot meet the above requirements. The magnetoelectric laminated composite (MLC) utilizes the magnetic-mechanic-electric coupling, which leads to the high magnetoelectric factor. So MLC is suitable for realizing passive current sensors with high sensitivity and broadband. The project carries out the theoretical, numerical, and experimental researches on MLC current transducing mechanism, parameter selection, and structure design in order to solve the fundamental problems of implementing MLC current sensors suitable for the 50Hz-1kHz and 5mA-10A current. Then the encapsulation, filtering, signal sampling and transmission problems will be researched with the target of implementing smart outlets with high accuracy, wireless data transferring, and remote switch ability. The innovation of the project is the structure design and the parameter selection of the novel T-T mode and L-T mode MLC current sensors, which do not require users to alter the wire connection for the installation and maintenance of sensors.

随着智能电网和智能家居研究的逐渐深入和产业化进程的加速，人们对电流传感器提出了一些新的要求，如体积小、易安装维护和宽频大范围检测灵敏度高等。当前普遍使用的感应线圈、霍尔元件、磁阻和光纤电流传感器难以满足上述需求。磁电层状复合材料利用磁场－力场－电场的紧密耦合，具有很高的磁电系数，可构成高灵敏度、宽频的无源电流检测器件。本项目首先针对磁电层状复合材料交流电流检测机理、结构设计和参数选取等基础问题开展理论分析、数值仿真和试验研究，解决从50Hz到1kHz、从5mA到10A范围内，磁电电流传感器的基础理论问题。随后结合智能电网和智能家居对电流传感器的要求，解决传感器封装、滤波、信号采集与传输等应用问题。最终实现高精度、具有无线数据传输和遥控开关功能的智能插座。项目的主要创新点是提出新型T-T模式和L-T模式、无需改动现有接线的电流传感器的结构设计和材料选择。

随着智能电网和智能家居研究的逐渐深入和产业化进程的加速，人们对电流传感器提出了一些新的要求，如体积小、易安装维护和宽频大范围检测灵敏度高等。当前普遍使用的感应线圈、霍尔元件、磁阻和光纤电流传感器难以满足上述需求。磁电层状复合材料利用磁场－力场－电场的紧密耦合，具有很高的磁电系数，可构成高灵敏度、宽频的无源电流检测器件。本项目主要在磁电层状复合材料的理论建模和应用两个方面开展研究工作。在理论方面，利用等效电路法对L-T 模式长片型和T-T 模式圆片型磁电层状复合材料的低频分层耦合建模，提出了考虑二维应力分布的L-T模式磁电层合材料的等效电路模型。在应用方面，研制了基于磁电层状复合材料的智能插座，设计实现了基于磁电层状复合材料的交流大电流检测装置和磁电层状复合材料的直流大电流检测装置。交流电流检测装置在测量有效值700A以内的大电流时，测量灵敏度为4.5mV/A，在40Hz到1500Hz范围内有相对平坦的电压输出。直流电流传感器在1000A以内，检测的精度和线性度均较好。本项研究对新型交流、直流电流检测装置的研究具有重要理论意义和实用价值。