一种基于磁电层合材料的新结构大电流传感器
电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员卢诗华、于歆杰、楼国锋，在2016年第23期《电工技术学报》上撰文，设计并实现了一种新结构的大电流传感器，其核心是由PZT压电材料和Terfenol-D磁致伸缩材料构成的圆片形磁电层合材料，配合铁氧体磁环，可较准确地测量几安到几百安范围内的工频电流。
该电流传感器的结构设计具有无需直接接入主电路、无需额外提供电源的优点，可以随时装卸，便于安装和维护。试验测试得到该电流传感器的电流测量灵敏度为0.0585V/A，并具有一定的可靠性。这种新型的大电流传感器具有继续研究的价值和应用潜力。
磁电效应是材料在外磁场作用下产生电极化的现象，或是反之在外电场作用下产生诱导磁化的现象[1-3]。具有磁电效应的材料，能够实现电场与磁场间的转化，被称为磁电材料。磁电材料包括单相和多相材料。单相磁电材料，如BiFeO3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Cr2O3等，对温度要求高，且磁电耦合系数不高，因此获得的关注较少。多相复合磁电材料通常由具有压电效应的铁电相材料与具有磁致伸缩效应的铁磁相材料构成，两者的乘积效应即体现为磁电效应[1-7]。
在多种复合材料中，磁电层合材料具有制备简单，磁电耦合系数大的优点，因而受到了广泛的关注。磁电层合材料由若干层磁致伸缩材料与压电材料粘合组成，其中磁致伸缩材料在交变磁场中会产生形变，并通过层间的机械耦合作用将这一形变传递至压电层，从而使压电层产生电极化，完成从磁场到电场的转化[2-4,6]。因此，磁电层合材料在无线能量传输、电流检测等领域有着广阔的应用前景。
在电流检测领域，最为常见的两种手段是采用互感线圈或霍尔电流传感器，然而它们各自都存在一些不足之处：互感器必须事先接入电路，当需要临时测量工作中的主电路时，必须先断开主电路，待互感器接入主电路后再恢复工作，不利于安装和维护；霍尔电流传感器是有源器件，工作时要求外电源为其提供恒定的直流电流。而对于磁电层合材料来说，当其作为电流传感器时本质上测量的是待测电流的磁场，且无需外部电源供电，在电路上可等效成无源二端流控电压源，因而不存在以上问题[8-10]。
近年来，利用磁电层合材料制作电流传感器的研究发展十分迅速。2004年到2005年，董蜀湘等人制作并改进了一种环形结构的磁电层合材料，可作为电流传感器[8-9]。该传感器的直径为8mm，厚度为7.5mm，在10-8~10-4A范围内有0.7mV/mA的测量灵敏度。
2010年香港理工大学的ChungMing Leung等人设计了一种用于交流电流检测的环形磁电层合材料，其直径为12.5mm，厚度为7.5mm，在0.01~1A 范围内有12.6mV/A的测量灵敏度[10]。
2012年，重庆大学的文玉梅等人将长片型磁电层合材料嵌入精密加工的纳米晶磁环，制成的电流传感器长30mm、宽20mm、厚5mm，在0.01~150A电流范围内有46.2mV/A的测量灵敏度[11]。
2013年，本实验室的于歆杰、文超等人采用长片型磁电层合材料设计并制成了一种小电流检测装置[12]，长30mm、宽8mm、厚2.4mm，将载流导线绕制于套筒之上，可以测量30Hz~1kHz、毫安至安培级别的电流，具有容易安装维护的特点。河北工业大学的李淑英、张纳等人此前对这类三层长片型磁电传感器也有相关理论推导[13,14]。
在这些研究中，制成的磁电层合电流传感器虽然都能够完成电流检测任务，但绝大部分仅限在小电流领域，或是为了能够测量较大的电流而牺牲了输入电流与输出电压波形的频率一致性；另外由于结构的原因，在传感器安装和拆卸时必须先断开主电路，并使之穿过环心后重新通电才能进行检测，因而在实际使用上存在一些不便。
本文在电流传感器的设计和实现方案中着眼于大电流检测，并充分考虑了便于安装维护的要求。本文提出的基于磁电层合材料的大电流传感器能够有效测量几安到几百安级别的交流电流，并在安装和维护的便利性上有一定的优势。
结论
本文设计并实现了一种基于圆片形磁电层合材料的大电流传感器，具有以下优点：①便于安装和维护，使用时不必对待测线路进行断电或改接，也不必对其额外供电；②输出电压与待测电流的幅值之间具有良好的线性关系，能够较为准确地测量从安培到百安培级别的工频电流，其测量灵敏度的试验值为0.0587V/A，与理论分析结果基本匹配；③可靠性高，载流导线在磁环中的位置和磁环在主线路系统中的相对位置对测量结果均无显著影响。
但是，该电流传感器仍存在输出波形略有畸变的缺陷。虽然这并不影响输出电压与待测电流幅值之间的线性关系，但是从波形上未能完全反映待测电流的真实情况。为了克服这一缺陷，可以考虑采用表面磁场强度稍小的永磁体来减小直流磁场偏置、或适当增大气隙以削弱交流磁场，用适度牺牲灵敏度的方法换取波形的真实可靠性。
而对于输出电压和待测电流波形间存在相位差的现象，可以在传感器的输出端外加合适的补偿电路，消除这一相位差。如此即可使传感器的输出电压波形能够完全正确地反映待测电流的情况，这也是未来继续优化该电流传感器的一个方向。
另外在理论推导方面，在T-T模式长片型磁电层合材料磁电电压公式[16]的基础上，针对圆片形磁电层合材料进行公式修正，以及在磁路分析中加入对漏磁效应的考虑，以此获得更真实的电流测量灵敏度理论值，力求进一步缩小其与试验值间的误差，也是本课题组正在研究的内容之一。