基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器响应机理及实验研究

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具有高灵敏度、高分辨率与良好稳定性与可靠性的电流在线检测技术在智能电网线路检测、电力冶金与轨道交通中供电安全预警与救援、工业自动化中电源继电保护等领域具有重大应用价值。现代电力系统的发展对电流传感器不仅提出了小型化,高可靠与稳定性的要求,还要求它具有高、低压全隔离、抗电磁干扰性好、宽频带、无铁磁饱和以及高灵敏度等特点。而基于声表面波(SAW)的电流传感技术具有快速响应、结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点,特别是可以实现无线无源的电流检测手段,大大提高了系统安全性,在上述领域极具工程应用前景。  本文将声表面波传感技术的快速响应特点与磁致伸缩薄膜的高磁敏特点相结合,利用了磁致伸缩材料的磁力学效应,将待测电场所激发的电磁场导致的磁致伸缩材料力学特性的变化直接转化为声传播特性的变化,通过检测相应频率及幅度等,由此实现对待测电流的评价。本文从声表面波电流响应机理的理论分析、传感器功能结构的优化以及传感实验方面开展研究,以期实现具有高灵敏度、快速响应的SAW电流传感器。  首先,基于分层介质中声波传播理论与磁力学原理,本文分析了基于磁致伸缩效应的SAW电流传感器的响应机理。研究了沉积SiO2薄层的128°YX-LiNbO3压电材料上SAW传播特性,获得SAW速度、位移分布以及机电耦合系数与SiO2薄层膜厚之间的关系SAW器件的温度特性,最终得到趋于零温度系数的薄层厚度。随后基于磁致伸缩敏感膜的磁致伸缩应变和△E效应,结合力学与电学边界条件以及磁力学原理,获取磁致伸缩薄膜/SiO2/压电晶体结构中磁场变化与声传播特性(传播速度)之间的关联特性,特别分析磁致伸缩薄膜膜厚、长宽比与器件工作频率对传感器响应的影响,从而确定出优化的传感结构设计参数。另外,结合耦合模理论和有限元分析方法,计算沉积图形化磁致伸缩薄膜的电流传感器的灵敏度,验证敏感膜的图形化分布对电流传感器灵敏度和磁滞等性能的优化,为传感器功能结构的研制奠定理论基础。  在理论分析基础上,本文对SAW电流传感器的功能结构进行了优化设计。首先,结合耦合模(COM)理论与等效电路模型,利用前文中对覆盖SiO2温度补偿层的SAW传播特性分析中的声波速度、机电耦合系数以及磁致伸缩薄膜沉积时的质量负载导致的声速变化等参数,对采用单向单相换能器(SPUDT)结构的SAW延迟线型传感器件的频域响应(S21)进行理论仿真,确定SPUDT指对数以及孔径、换能器间距等参数,以降低器件低损耗。其次,研究了射频磁控溅射制备敏感膜过程中的工艺参数,在此基础上实现了在传感器件表面具有较大磁致伸缩系数、分布均匀、附着性良好的磁致伸缩敏感膜的制备。采用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面形貌,并测量图形化FeCo薄膜(栅阵和点阵)的磁滞回线。利用标准光刻技术与电子束蒸发镀膜方法研制沉积敏感膜和SiO2温度补偿层的基于128°YX-LiNbO3基片的SAW延迟线型传感器件。随后以SAW传感器件和参考器件为频率元件,研制了双通道的差分式振荡电路,并结合FPGA数字采频模块,最终获得了SAW电流传感器的整体设计方案。对SAW传感器频率稳定性的测试结果显示传感器具有良好的短期和中期频率稳定性。  最后本文对所研制的SAW电流传感器性能进行了实验测试。结合赫姆霍兹驱动线圈、直流电源、高斯计、用于频率输出的PC机及相应上位机软件等搭建了实验系统。首先实验测试了沉积不同厚度、不同长宽比FeCo以及FeNi磁敏薄膜的SAW电流传感器。结果表明,当FeCo或FeNi敏感膜厚度为~500nm时,传感器具有最高灵敏度,且灵敏度随着磁敏薄膜长宽比的增加而提升,充分验证了前文理论分析。另外,实验结果显示,沉积FeNi磁敏薄膜的SAW电流传感器获得了更小的迟滞误差和更好的一致性,这是由于FeNi薄膜的磁滞现象弱于FeCo薄膜。其次,对沉积FeCo薄膜栅阵与点阵的电流传感器进行实验测试,结果表明,对磁致伸缩薄膜的图形化设计将有效提高传感器的灵敏度(21.4KHz/A),大幅降低迟滞误差(0.85%)和改善线性度(0.92%),并获得了0.02mA的高分辨率。  本文的创新性工作在于首次提出了一种沉积磁致伸缩薄膜的SAW电流检测方法,通过基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感机制的理论分析、敏感元件的优化设计与研制以及相应传感实验验证,实现了一种具有高灵敏度、良好线性度和一致性、快速响应的新型SAW电流传感器。
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