2019

0808

新型MEMS电流传感器:基于三维感应线圈,立体检测配电网

为了实现电流传感器在配电网中的覆盖使用,电流传感器朝着小型化、低成本、性能可靠和易安装维护方向发展,基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器便被研究出来了,它可立体检测配电网电流。

  近年来,随着半导体微电子技术的发展,基于MEMS的电流传感器发展迅速,有着集成度高、成本低,易于批量生产等优点,是今后电流传感器发展的方向。

  在电力系统中,配电网用于分配电能,需要各类电信号的量测技术及传感器来实现配电网的监测、控制、智能配电等,其中电流传感器发挥着重要的作用。但是,在配电网中,传统的电磁式互感器测量范围较小,当被用于测量较大的电流时易出现磁芯磁饱和现象,此外,该类互感器体积大、质量重、安装结构复杂且成本高,在变电站和用户终端间的架空线路中难以覆盖使用。

  因此,为了实现电流传感器在配电网中的覆盖使用,电流传感器朝着小型化、低成本、性能可靠和易安装维护方向发展,基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器便被研究出来了,它可立体检测配电网电流。

  

新型MEMS电流传感器结构示意

  MEMS电流传感器的工作原理及改进方案

  MEMS电流传感器的工作原理很简单,就是通过检测三维感应线圈两端的感应电动势,反推出传输导线中的电流大小。

  

  另外,改变部分参数,可提高MEMS电流传感器灵敏度。

  通过对单相输电线路周围的磁场分布规律进行仿真,可以发现,导线周围的磁场强度H与距离r成反比:随着传感器与导线之间距离增加,磁场强度逐渐减弱。

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  单相输电线路周围磁场随距离变化

  因此,为了获得较高的电流测量灵敏度和较小的外部信号干扰,在导线不对传感器放电的情况下,传感器与导线之间距离越近越好。当传输导线中有交变电流信号通过时,由法拉第电磁感应定律可知,由于交变磁场的存在,三维感应线圈两端会产生感应电动势,即导体回路中感应电动势 ε 的大小与穿过回路磁通量的变化率dΦ/dt成正比。

  

  推导上面的公式可知,通过增加三维感应线圈中线圈匝数(N)、截面积(A)以及减小三维感应线圈与传输导线间的距离(r),可提高电流传感器的灵敏度。

  难点:如何制作三维感应线圈?

  其实早在2012年,就有人研究出用于家用电线信号检测的MEMS电流传感器,不过由于架空线路(单线)附近的磁场分布和家用电线(双线)的磁场分布有很大不同,所以平面感应线圈无法应用于配电网中。

  于是,研究人员以玻璃为衬底,以聚酰亚胺为其线圈的支撑和绝缘结构,通过溅射、光刻、电镀、抛光等微加工工艺在衬底上制作出三维线圈,制作出适合用于配电网输电线路的MEMS电流传感器。

  具体的制作流程如下图示:

  MEMS电流传感器制作工艺流程

  步骤(a)到(i)都是在制作底层感应线圈,(j)是制作第二层感应线圈,即种子层,最后的两步则是制作出顶层感应线圈。

  值得一提的是,整个工艺简单且成本低廉,可批量化生产。

  结语:该MEMS电流传感器具有功耗低,线性度好、质量轻和结构简单等优点,可通过 U 型装置固定在被测导线周围,安装方便。另外,在实际应用时,考虑到电压测量安全距离,该传感器的输出信号还可通过无线传输模块传输到地面进行处理。

  整体来看,非常适用在配电网里大规模覆盖使用。

  文章参考自《传感器与微系统》,作者:李斌,彭春荣,凌必赟,储昭志,张洲威,夏善红;经传感器专家网整理发布。

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