一种取能传感双模式磁电谐振器及其制备方法与流程

本发明属于线路监测设备，具体涉及一种取能传感双模式磁电谐振器及其制备方法。

背景技术：

1、我国配电线路数量多，分布广，运行环境复杂，为了新型电力系统与先进数字技术的深度融合，对线路进行在线监测并快速诊断线路故障成为了重要的研究课题。因为许多线路发生故障时电流也随之变化，所以监测导线中的电流成为电网监测的重要部分。

2、但现有的传感器基本都难以满足自供能的应用需求，需要额外的供能装置；且现有的传感和取能装置体积较大，导致安装部署困难。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中现有传感器难以自供能以及现有的传感和取能装置体积较大、安装部署困难的缺陷，从而提供一种取能传感双模式磁电谐振器及其制备方法。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、第一方面，本发明提供了一种取能传感双模式磁电谐振器，包括悬臂梁、取能压电单元、传感压电单元和磁性质量块；

4、所述悬臂梁包括固定端和自由端，所述取能压电单元、传感压电单元和磁性质量块均设置在悬臂梁上；

5、所述取能压电单元靠近固定端设置，所述传感压电单元靠近自由端设置；

6、所述磁性质量块设置在取能压电单元和传感压电单元之间；

7、所述传感压电单元在二阶振动模态时的输出电压/在一阶振动模态时的输出电压＞1。

8、一个可能的实施例，取能压电单元长5mm、宽10mm、厚0.2mm；传感压电单元长13mm、宽10mm、厚0.2mm；悬臂梁长55mm、宽10mm、厚0.3mm；其中，固定端长5mm；磁性质量块长5mm、宽10mm、高2mm；磁性质量块与传感压电单元距离最近的两个面之间的垂直距离为7mm。

9、一个可能的实施例，取能压电单元长24mm、宽10mm、厚0.2mm；传感压电单元长10mm、宽10mm、厚0.2mm；悬臂梁长85mm、宽10mm、厚0.3mm；其中，固定端长5mm；磁性质量块长5mm、宽10mm、高16mm；磁性质量块与传感压电单元距离最近的两个面之间的垂直距离为20mm。

10、进一步的，所述磁性质量块的磁化方向垂直于激励磁场的方向，所述激励磁场由被监测线路产生。

11、进一步的，所述取能压电单元上表面和下表面均设置有电极；

12、所述传感压电单元的上表面和下表面均设置有电极；

13、可选的，所述电极为柔性叉指电极。

14、进一步的，取能压电单元的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物；

15、可选为pvdf聚偏二氟乙烯、p(vdf-trfe)聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、linbo3、batio3、pb(zr,ti)o3、pb(mg,nb)o3-pbtio3、pb(zn,nb)o3-pbtio3或bisco3-pbtio3；

16、进一步的，传感压电单元的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物；

17、可选为pvdf聚偏二氟乙烯、p(vdf-trfe)聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、linbo3、batio3、pb(zr,ti)o3、pb(mg,nb)o3-pbtio3、pb(zn,nb)o3-pbtio3或bisco3-pbtio3；

18、进一步的，悬臂梁的材料包括磁致伸缩材料和弹性金属中的至少一种；

19、可选的，所述磁致伸缩材料为metglas(金属玻璃)、fe-ga合金、terfernol-d合金或fe-ni合金；

20、可选的，所述弹性金属为不锈钢、铁、铜或合金铜；

21、进一步的，所述磁性质量块为永磁体；

22、优选为ndfeb磁体。

23、进一步的，所述悬臂梁的形状为长条形、三角形、梯形中的一种，或者所述悬臂梁的形状为长条形、三角形、梯形的组合形状；

24、进一步的，所述磁性质量块的形状为圆柱体或者长方体。

25、进一步的，取能压电单元和传感压电单元通过粘结剂设置在悬臂梁上；

26、可选的，所述粘结剂为环氧树脂。

27、第二方面，本发明提供了一种取能传感双模式磁电谐振器的制备方法，包括以下步骤：

28、(1)将取能压电单元和传感压电单元与悬臂梁粘接复合，复合完成后在取能压电单元、传感压电单元和悬臂梁上分别焊接引线；

29、(2)将磁性质量块设置在悬臂梁上；

30、(3)整体结构封装，得到取能传感双模式磁电谐振器。

31、在一种可能的设计中，取能压电单元和/或传感压电单元的上、下表面未设置电极，取能压电单元沿其厚度方向极化。厚度方向指的是垂直于悬臂梁的方向。

32、在一种可能的设计中，取能压电单元和/或传感压电单元的上、下表面均设置有电极，取能压电单元和/或传感压电单元沿其长度方向极化。长度方向指的是平行于悬臂梁长度的方向。

33、本发明取能传感双模式磁电谐振器的工作原理为：

34、当被监测线路正常工作时，产生的激励磁场为低频磁场，此时取能传感双模式磁电谐振器处于一阶振动模态(即取能振动模态)。

35、当被监测线路出现单相线路接地故障、线路过负荷等输电线路常见异常情况，激励磁场频率增大，取能传感双模式磁电谐振器进入二阶振动模态(即传感振动模态)。

36、传感压电单元的材料与取能压电单元材料可以相同，也可以不同。

37、磁性质量块可直接放置在悬臂梁表面；当磁性质量块由多个磁体组成时，可在悬臂梁的上表面与下表面均放置磁体，利用磁体间的吸力将悬臂梁夹持在多个磁体之间，使磁性质量块固定在悬臂梁的指定位置；也可采用双面胶等将磁体与悬臂梁表面接触的位置粘贴固定，其余磁体只需依靠彼此间吸引力即可。

38、磁性质量块的磁化方向垂直于激励的磁场方向，通过产生磁扭矩效应驱动悬臂梁的弯曲振动。

39、磁性质量块的形状可以为圆柱体，长方体，或者其他规则、不规则立体几何形状。

40、取能压电单元和传感压电单元采用本发明的材料、形状和极化方法，可以实现工频(如50hz)和异频(200hz-2000hz)下的高效振动。悬臂梁和磁性质量块采用本发明的材料，可以实现对工频电流高效取能及异频电流高灵敏感知。

41、靠近固定端的取能压电单元具有高的磁电耦合能力，实现工频电流的能量采集。而靠近自由端的传感压电单元在低频一阶振动模态下磁电耦合效应弱，输出的工频干扰信号小。在高频二阶振动模态下，靠近自由端的传感压电单元具有显著增强的磁电耦合行为，从而实现了工频信号自抑制的高频特征磁场的探测能力。

42、本发明技术方案，具有如下优点：

43、1.本发明取能传感双模式磁电谐振器包括悬臂梁、取能压电单元、传感压电单元和磁性质量块；所述悬臂梁包括固定端和自由端，所述取能压电单元和传感压电单元均设置在悬臂梁上；所述取能压电单元靠近固定端设置，所述传感压电单元靠近自由端设置；所述磁性质量块设置在取能压电单元和传感压电单元之间；所述传感压电单元二阶振动模态的输出电压/一阶振动模态的输出电压＞1。

44、本发明将取能和传感两个功能在同一个器件中实现，一阶振动模态下利用取能压电单元完成能量收集；利用传感压电单元在二阶振动模式下完成弱磁场传感。一方面本发明谐振器是无源器件，可实现自供能，降低装置的整体功耗；另一方面，设计取能传感双模式的磁电谐振器，可以减少器件的体积，对无线传感网络的部署具有重要工程意义，两个功能完全通过一个悬臂梁结构一体实现，整体结构紧凑，小型化便于集成。谐振器面向电网监测时，配电线路中的电流即是该谐振器的激励源，工频磁场信号也是由配电线路中的电流产生的。该谐振器应用场景中工频磁场信号较强，会对异频磁场信号产生较大干扰，甚至完全掩盖，使得传感结果误差很大。本发明传感压电单元二阶振动模态的输出电压/一阶振动模态的输出电压＞1，通过传感压电单元在二阶振动模态下与一阶振动模态下的输出增益完成特征频率下弱磁场测量，具备对工频磁场信号的抑制能力，对工频磁场信号进行有效抑制可显著提高传感效果，同时，本发明取能传感双模式磁电谐振器具有较高的异频电流测量灵敏度。对无线传感网络的部署具有重要工程意义，特别是对于配电网中的拓扑关系识别。若传感压电单元在二阶振动模态下较一阶振动模态下的输出增益小于1，与抑制工频磁场信号的目标要求相违背，无法达到取能传感双模式的要求。