一种石英谐振式电流传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种石英谐振式电流传感器。电流敏感单元包括双端固定的石英音叉和载流弹性支撑梁；所述石英音叉两端分别固定在两根载流弹性支撑梁的中部，且石英音叉的长度方向与载流弹性支撑梁长度方向垂直；载流弹性支撑梁的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁，载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下产生安培力使石英音叉轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉的频率变化量检测出电流。本发明专利技术损耗低，灵敏度高，且体积小。

【技术实现步骤摘要】
一种石英谐振式电流传感器
本专利技术属于涉及一种石英谐振式电流传感器，特别是采用高Q值石英晶体谐振器的电流传感器。
技术介绍
电流作为一个基本的物理量，对其精确测量具有重要意义。常见的电流传感器有很多，一类是基于欧姆定律的分流器，但是分流器串联在电路中，有其发展的局限性，主要是当测量大电流时损耗大，另一类电流传感器则是基于安培环路定理，通过测量磁场来间接测量电流的大小和方向，主要以霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、磁阻电流传感器、罗氏线圈、电流互感器为代表。这些电流传感器都或多或少存在一些应用的局限性，如霍尔传感器，高频交流电会使磁芯过热。大的尖峰电流或者过流，会增大磁失调，需要消磁。而对于磁通门电流传感器，可能会有电压噪声反馈到被测原边电流上。控制电路复杂，且次级线圈的分布电容影响电流传感器的测量带宽。AMR电流传感器闭环测量范围小，而GMR和TMR电流传感器，在高频电流时，会使磁芯过热。对于罗氏线圈，原边电流的位置影响测量精度，由于灵敏度低，不适宜测量小电流，副边线圈的分布电容，会影响测量带宽。
技术实现思路
针对上诉电流传感器存在的不足，本专利技术提出一种新型的石英谐振式电流传感器，主要采用高Q值的石英晶体制作成对电流十分敏感的谐振器结构，在电流检测时具有高Q值，低损耗的优势，其灵敏度高，分辨率高，且体积小，可用于交变电流检测。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种石英谐振式电流传感器，包括永磁铁、电流敏感单元、两个感应线圈；电流敏感单元包括双端固定的石英音叉和载流弹性支撑梁；所述石英音叉两端分别固定在两根载流弹性支撑梁的中部，且石英音叉长度方向垂直；载流弹性支撑梁的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁，载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下产生安培力，所示安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉的频率变化量检测出电流。较佳地，所述石英音叉包括两个振梁；音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。较佳地，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.224L处和0.776L处。较佳地，所述两个感应线圈设置在PCB板上，PCB板上还设置有电流输出焊盘，感应线圈两端与所述电流输出焊盘连接，所述电流输出焊盘通过导线与载流弹性支撑梁表面的电极连接。较佳地，石英音叉和载流弹性支撑梁为石英晶体制作的一体式结构，其外围框架上设置有电流输入焊盘和音叉激振焊盘，载流弹性支撑梁表面的电极两端通过导线引出至电流输入焊盘，电流输入焊盘通过导线与PCB板上还设置有电流输出焊盘连接；石英音叉表面的四个电极通过导线分别引出至相应的音叉激振焊盘，音叉激振焊盘与外部振荡电路连接。较佳地，所述外部振荡电路为门振荡电路，其为石英音叉提供振动激励信号，并向频率计输出石英音叉的数字频率信号。较佳地，石英音叉由高Q值石英、硅或者氮化铝中的一种材料制作而成。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术相比于模拟信号输出的电流传感器，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换；(2)本专利技术采用高Q值的压电石英制作的电流敏感单元，仅需要极小的驱动功耗就可使音叉振动，且驱动电路和检测电路简单；(3)石英音叉谐振器的谐振频率为35kHz左右，远高于环境噪声，即使采用滤波器降噪，仍能保持宽带和快速响应，因此这种通过频率测量实现磁场测量的方法，具有先天对噪声不灵敏的优点，抗干扰能力强，适合在恶劣电磁环境下使用。附图说明图1是本专利技术石英谐振式电流传感器的结构组成示意图；图2是本专利技术石英谐振式电流传感器中电流敏感单元的结构示意图；图3是电流敏感单元中载流弹性支撑梁的局部放大图；图4是本专利技术石英谐振式电流传感器中音叉振梁电极涂布示意图；图5是本专利技术石英谐振式电流传传感器工作原理图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。本专利技术所述石英谐振式电流传感器，主要包括永磁铁、电流敏感单元、带感应线圈和焊盘的PCB板、振荡电路以及频率计。其中电流敏感单元由石英音叉、载流弹性支撑梁、音叉激振焊盘和电流输入焊盘组成。石英音叉的两端分别固定在两根相互平行的载流弹性支撑梁中部，且与载流弹性支撑梁垂直，振荡电路与石英音叉电极引出的音叉激振焊盘相连，用于激励石英音叉振动，频率计用于检测振荡电路输出的频率信号。所述石英音叉使用Z切的石英基片制作而成。所述石英音叉包括两个振梁，音叉振梁具有四个面，四个面上设置有电极，包括两个正电极和两个负电极，正负电极间隔设置在四个面上；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。载流弹性支撑梁的表面沿长度方向镀有金属电极，工作状态下，沿两个载流弹性支撑梁长度方向流过大小相等但方向相反的电流。谐振式电流敏感单元采用一体式结构设计，将双端固定石英音叉、载流弹性支撑梁和电极集成于一块石英基片上。当待测电流变化时，由法拉第电磁感应定律，PCB板上的感应线圈产生大小相等方向相反的感应电流，两个线圈产生的感应电流分别流过电流敏感单元上两根相互平行的载流弹性支撑梁，两根载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下受到大小相等方向相反的安培力作用，该安培力传递到石英音叉上会使石英音叉轴向受力，而横向振动的石英音叉对轴向力十分敏感，从而引起音叉谐振频率的变化，通过检测石英音叉的频率变化量就可以达到电流检测的目的。实施例如图1所示，本实施例所示石英谐振式电流传感器包含永磁体1、谐振式电流敏感单元2、带感应线圈的PCB板3、永磁体4，其中5为待测电流导线。谐振式电流敏感单元2为采用高Q值的石英晶体制作的一体式结构，如图2所示，其包括双端固定的石英音叉2-1、载流弹性支撑梁2-2、电流输入焊盘2-3和音叉激振焊盘2-4。所述石英音叉2-1包含两个尺寸相同且相互平行的振梁。所述石英音叉2-1两端分别固定在两根载流弹性支撑梁2-2的中部，且石英音叉2-1的长度方向与载流弹性支撑梁2-2长度方向垂直，载流弹性支撑梁2-2两端分别设置在外围框架上。带感应线圈的PCB板3上设置有两个感应线圈，感应线圈的两个输出端分别与载流弹性支撑梁2-2上设置的电极的两端通过导线连接。石英音叉2-1采用对温度响应不灵敏的Z切型石英基片制作而成。通过光刻、腐蚀、溅射电极等工艺过程，在音叉的振梁上下左右四个表面制备特殊形状的电极。如图4所示，假设振梁的长度为L，在振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石英谐振式电流传感器，其特征在于，包括永磁铁(1)、电流敏感单元(2)、两个感应线圈；电流敏感单元(2)包括双端固定的石英音叉(2‑1)和载流弹性支撑梁(2‑2)；所述石英音叉(2‑1)两端分别固定在两根载流弹性支撑梁(2‑2)的中部，且石英音叉(2‑1的长度方向与载流弹性支撑梁(2‑2)长度方向垂直；载流弹性支撑梁(2‑2)的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁(2‑2)两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁(2‑2)，载流弹性支撑梁(2‑2)在永磁体(1)提供的磁场作用下产生安培力，所示安培力传递到石英音叉(2‑1)上使石英音叉(2‑1)轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉(2‑1)的频率变化量检测出电流。

【技术特征摘要】
1.一种石英谐振式电流传感器，其特征在于，包括永磁铁(1)、电流敏感单元(2)、两个感应线圈；电流敏感单元(2)包括双端固定的石英音叉(2-1)和载流弹性支撑梁(2-2)；所述石英音叉(2-1)两端分别固定在两根载流弹性支撑梁(2-2)的中部，且石英音叉(2-1的长度方向与载流弹性支撑梁(2-2)长度方向垂直；载流弹性支撑梁(2-2)的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁(2-2)两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁(2-2)，载流弹性支撑梁(2-2)在永磁体(1)提供的磁场作用下产生安培力，所示安培力传递到石英音叉(2-1)上使石英音叉(2-1)轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉(2-1)的频率变化量检测出电流。2.如权利要求1所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，所述石英音叉(2-1)包括两个振梁；音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大威，卞雷祥，朱志伟，贾云飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32