Бесконтактный датчик тока на поверхностных акустических волнах Российский патент 2022 года по МПК G01R19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к приборам для измерения токов или напряжений или индикации их наличия или направления с использованием аналого-цифровых преобразователей с преобразованием напряжения или тока в частоту электрических колебаний и измерением этой частоты и может быть использовано для дистанционного мониторинга изменения тока или напряжения в высоковольтных воздушных линиях электропередач, трансформаторных подстанциях и распределительных электрических шкафах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для измерения токов или напряжений или индикации их наличия используются резистивные датчики (токовые шунты), датчики тока на эффекте Холла, трансформаторы тока и оптические датчики. Бесконтактными (гальванически развязанными с измеряемой цепью) являются датчики Холла, трансформаторы тока и оптические датчики.

Трансформаторы тока, представляющие собой замкнутый магнитопровод с обмоткой, располагается вокруг токопроводящей шины или провода (RU 2444019, МПК G01R 19/252, опубл. 27.02.2012) [1]. Переменный ток в шине или проводе наводит в обмотке трансформатора переменное напряжение, по величине которого (или по току через обмотку) можно определить величину тока в шине или проводе. Недостатком такой конструкции является громоздкость магнитопровода, наличие насыщения в магнитопроводе, что приводит к нелинейной зависимости напряжения на обмотке от тока в шине. Уменьшить размеры возможно, используя вместо трансформатора тока катушку Роговского (RU 2719 794, МПК G01R 15/18, G01R 19/00, опубл. 23.04.2020 ) [2], которая не имеет сердечника и поэтому имеет линейную зависимость напряжения на выходе от тока в проводнике. Недостатком катушки Роговского является малое напряжение на выходе (единицы милливольт), что требует применения усилителей. Также недостатком этих датчиков, как и трансформаторов тока является наличие проводов, которые необходимо проводить от них до измерительной аппаратуры. Кроме того, трансформаторы тока и катушки Роговского могут работать только на переменном токе, поскольку постоянный ток не будет наводить в обмотке напряжение.

Постоянный и переменный ток могут измерять датчики тока, основанные на эффекте Холла и оптические датчики.

Датчики тока на эффекте Холла (RU 2690710, МПК G01R 19/19, опубл. 05.06.2019)) [3] имеют малые размеры,

отсутствие вносимых в систему потери мощности, широкий диапазон частот измеряемых токов. Недостатками таких датчиков является необходимость внешнего источника питания, зависимость показаний датчика от температуры и применение при напряжениях до 1 кВ.

Оптические датчики (RU2437107, МПК G01R 19/15, G01R 33/082, опубл. 20.12.2011) [4] обладают очень широким диапазоном измеряемых токов (до 500 кА), высоким классом точности, широким частотным диапазоном и пожаробезопасностью. Оптические датчики тока применяются в линиях электропередач высокого напряжения 110 – 750 кВ. Недостатками оптических датчиков являются их высокая стоимость и сложность настройки.

К общим недостаткам всех вышеописанных датчиков можно отнести их выполнение в проводном варианте. Для беспроводного варианта необходимо изготавливать преобразователи, которые преобразуют измеряемый ток в высокочастотный сигнал, изменяющийся либо по амплитуде, либо по частоте. При этом, очевидно, необходим источник питания.

В качестве альтернативы датчикам Холла и оптическим датчикам тока рассматриваются пассивные беспроводные датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ) или на объемных акустических волнах (ОАВ), а также датчики на основе микро-электромеханических систем (МЭМС). Все работы в настоящее время находятся в исследовательской стадии.

Существует два типа конструкции чувствительного элемента (ЧЭ) акустоэлектронного датчика магнитного поля. Первый тип – ПАВ резонатор с электродами встречно-штыревого преобразователя (ВШП), изготовленного из ферромагнитного материала (M. Kadota, S. Ito и др. «SAW magnetic sensors composed of various Ni electro structures on quartz», 2011 IEEE International Ultrasonics Symposium [5]. При внесении этого ЧЭ в магнитное поле за счет эффекта магнитострикции возникает механическая деформация в электродах ВШП, передающаяся пьезоэлектрическому кристаллу, что приводит к изменению резонансной частоты. В качестве пьезоэлектрического материала подложки был выбран кварц среза ST-90°X, в которой распространяется сдвигово-горизонтальная волна, обладающая большим коэффициентом электромеханической связи (КЭМС) по сравнению в рэлеевской волной.

Достигнутая максимальная добротность резонатора с полностью погруженными электродами: 6500, резонаторов с частично погруженными электродами и электродами на поверхности – 6000 и 13000 соответственно. Резонансная частота ЧЭ равна 950 МГц. При определении чувствительности к магнитному полю было установлено, что наибольшей чувствительностью резонатор обладает, когда силовые линии магнитного поля направлены вдоль направления распространения волны. Это объясняется том, что при магнитном поле, направленном по оси X, за счет магнитострикции изменяется расстояние между соседними электродами, что приводит к смещению резонансной частоты.

.Повысить чувствительность датчика на ПАВ возможно, если использовать магнитопроводы (RU2531040 МПК G01R 19/100 Опубл. 20.10.2014) [6], устанавливаемые вокруг токопроводящих проводов или шин. В этом случае чувствительный элемент устанавливается в зазоре магнитопровода, где создается почти однородное магнитное моле. Так как токи в токопроводящих проводах ЛЭП и распределительных шкафов лежат в пределах десятков-сотен ампер, в зазоре создается достаточно сильное магнитное поле (доли Тесла). Но использование магнитопровода, в зазоре которого находится чувствительный элемент, значительно увеличивает массогабаритные параметры датчика и усложняет его установку, что можно отнести к недостаткам такого датчика. Кроме того, при измерении переменных токов необходимо проводить как минимум 20 измерений за период переменного тока, т.е. интервал между измерениями не превышает

2 мс, что делает датчики на основе изменения резонансной частоты мало пригодными для использования в датчиках тока. Это происходит из-за того, что за время 2-3 мс невозможно достаточно точно определить частоту резонатора, а, следовательно, значение тока.

Чувствительный элемент с линией задержки (ЛЗ), в которой на пути распространения ПАВ находится магниточувствительная пленка был предложен в заявке (WO2005/064590 A1, МПК G01R33/02; G10K11/36; G11C11/14; G11C11/15; G11C11/16; H01F10/26; H01F10/32; H01L41/00; H01L43/08; H03B5/40; H03B9/14; H03H9/02; H03H9/135; H03H9/42; H03H9/64; H03K19/16; H03K19/19; опубл. 2005-07-14) [7], в котором магниточувствительная пленка, расположенная между встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) на пьезоэлектрической подложке, имеет магнитный резонанс в диапазоне частот 1,46 -1,54 ГГц, что приводит к резкому увеличению затухания ПАВ в этом диапазоне частот. Поэтому такой датчик может работать только в заданном диапазоне частот, что является недостатком данной конструкции.

Известен экспериментальный датчик тока на ПАВ (Jie Tong, Yang Wang, Shiyue Wang, Wen Wang, Yana Jia and Xinlu Liu, Development of a Magnetostrictive FeNi Coated Surface Acoustic Wave Current Sensor//Appl. Sci. 2017, 7, 755; doi:10. 3390/app7080755, фиг. 1) [8], принимаемый за прототип настоящего изобретения как наиболее близкий по назначению и конструктивному выполнению.

Датчик тока – прототип имеет измерительный канал, включающий линию задержки (ЛЗ) ПАВ, расположенную на пьезоэлектрической подложке из монокристалла XZ LiNbO3, содержащую два ВШП с магниточувствительной пленкой FeNi между ними, и опорный (эталонный) канал, включающий ЛЗ ПАВ, содержащую два ВШП на пьезоэлектрической подложке. Опорный канал используется для температурной компенсации ухода скорости ПАВ, которая изменяется с изменением температуры. Пленка FeNi создает в пьезоэлектрической подложке магнитострикционную деформацию, стимулируемую магнитным полем, при этом меняются толщина, плотность и модуль Юнга пленки FeNi соответственно, что приводит к изменению скорости ПАВ в ЛЗ при изменении магнитного поля, когда направление магнитного поля совпадает с направлением распространения ПАВ. Каждая из ЛЗ входит как частотно задающий элемент в генератор электрических колебаний на основе усилителя и фазовращателя (для подстройки частоты). Эти колебания поступают на смеситель, с которого сигнал с разностной частотой поступает на АЦП модуля захвата частоты, а затем на компьютер, который изменяет эту частоту. На компьютер поступают данные от датчика магнитного поля (на фиг.1, [8], не показан). Это позволяет построить зависимость суммарного сигнала от линий задержки при изменении величины магнитного поля и вычислить величину тока в проводнике

Магниточувствительная пленка FeNi толщиной 500 нм наносится методом высокочастотного магнетронного распыления. До напыления FeNi на электроды ВШП наносилось защитное покрытие SiO2. В ЛЗ на ПАВ, содержащей магниточувствительную пленку, под действием магнитного поля меняется задержка ПАВ, что и приводит к изменению генерируемой частоты. В известной конструкции была получена линейная зависимость ухода генерируемой частоты от измеряемого тока с относительным изменением частоты 1/15000 на изменение тока на 1 А.

К недостатку прототипа необходимо отнести наличие усилителя, который требует источник питания, который может выйти из строя в электромагнитном поле высоковольтной линии передач и потребует замены, что является большой проблемой обслуживания, когда датчик установлен на мачте высоковольтной линии передач.

Кроме того, при замене источника питания потребуется выключать напряжение, что создает неудобства в обслуживании датчика

Кроме того, так как в опорном канале отсутствуют магниточувствительная пленка, это приводит к тому, что зависимость скорости ПАВ от температуры будет несколько отличаться от зависимости скорости ПАВ от температуры в измерительном канале. Это приводит к недостаточной температурной компенсации, а, следовательно, к уменьшению точности измерения.

Кроме того, информация с датчика снимается с помощью проводов (кабелей), что приводит к необходимости проводить от датчика к ПК (считывателю) провода, в которых возможен пробой электроизоляции при измерении токов на высоковольтных линиях электропередачи.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет выравнивания изменения скоростей ПАВ на измерительной и опорной ЛЗ при изменении температуры окружающей среды, а также упрощение обслуживания датчика за счет дистанционной индикации результатов измерений, исключающей наличие усилителей, источника питания и соединительных проводов для подключения устройства индикации.

Указанный технический результат достигается тем, что бесконтактный датчик тока на поверхностных акустических волнах, включающий измерительный канал, в котором линия задержки ПАВ содержит приемо-передающий ВШП, отражательный ВШП и магниточувствительную пленку FeNi между ними вдоль распространения ПАВ, расположенные на звукопроводе из пьезоэлектрического монокристалла, датчик тока имеет также опорный канал, в котором линия задержки ПАВ содержит приемо-передающий ВШП и отражательный ВШП на таком же звукопроводе, при этом все ВШП имеют защитное покрытие, нанесенное перед напылением пленки FeNi на звукопровод, и подключены к измерителю зависимости суммарного сигнала линий задержки при изменении величины магнитного поля от величины тока в проводнике

Согласно изобретению, в линии задержки опорного канала между приемо-передающим и отражательным ВШП расположена магниточувствительная пленка FeNi вдоль распространения ПАВ, при этом расстояние между центральным осями приемо-передающего и отражательного ВШП равно Nλ, где λ - длина ПАВ на центральной частоте ВШП, N – целое число, а в линии задержки опорного канала расстояние между центральными осями приемо-передающего и отражательного ВШП равно (Nλ +λ/4), обе линии задержки ориентированы таким образом, чтобы направление распространения ПАВ в линии задержки опорного канала ЛЗ было перпендикулярно направлению распространения ПАВ в линии задержки измерительного канала, измеритель зависимости суммарного сигнала линий задержки при изменении магнитного поля от величины тока в проводнике выполнен дистанционным и содержит считыватель, приемо-передающую антенну, направленную на приемо-передающую антенну датчика, которая подключена одним выводом к шине электродов приемо-передающего ВШП линии задержки измерительного канала, второй вывод антенны соединен с шиной электродов приемо-передающего ВШП линии задержки опорного канала, другие шины электродов приемо-передающих ВШП обеих линий задержки соединены между собой и обе линии задержки закреплены на диэлектрической подложке.

В предпочтительных вариантах выполнения:

- защитное покрытие ВШП выполнено из ZnO методом лазерного напыления;

- магниточувствительная пленка FeNi выполнена методом лазерного напыления:

- линия задержки измерительного канала закреплена в корпусе, имеющего форму прямоугольно параллелепипеда, выполненного из немагнитного материала с низкой магнитной проницаемостью μ≤1,5;

- линия задержки опорного канала закреплена в корпусе, имеющего форму прямоугольно параллелепипеда, выполненного из немагнитного материала с низкой магнитной проницаемостью μ≤1,5.

Так как магниточувствительная пленка FeNi, в отличие от прототипа, расположена как в измерительном, так и опорном (нулевом) каналах (линиях задержки), это исключает изменения скорости ПАВ от температуры в измерительном и опорном каналах, что приводит к повышение точности измерения тока в проводнике. Так как обе линии задержки ориентированы таким образом, что направление распространения ПАВ в линии задержки опорного канала перпендикулярно направлению распространения ПАВ в линии задержки измерительного канала, следовательно, в линии задержки опорного канала изменение магнитного поля в проводнике не приводит к изменению скорости ПАВ под пленкой опорного канала.

Так как расстояние между центральными осями ВШП в разных каналах отличается на четверть длины ПАВ на центральной частоте, что приводит к тому, что ПАВ от отражательных ВШП приходят на приемо-передающие ВШП в противофазе и наводят в них противофазные напряжения.

Дистанционное управление измерителем зависимости суммарного сигнала от линий задержки ЛЗ при изменении величины магнитного поля позволяет упростить обслуживание датчика тока за счет исключения необходимости замены источника питания при его выходе из строя и исключения соединительных проводов.

Защитное покрытие ВШП и звукопровода из ZnO методом лазерного напыления защищает ВШП от повреждения при нанесении магниточувствительной пленки, а также увеличивает адгезию этой пленки к поверхности ЛЗ, вдоль

кот рой распространяются ПАВ.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Устройство бесконтактного датчика тока на поверхностных акустических волнах (ПАВ) поясняется фигурами чертежей, где:

Фиг. 1 – схематический чертеж бесконтактного датчика тока на ПАВ, вид сверху.

Фиг. 2 – Линия задержки ПАВ измерительного канала, помещенная в немагнитном корпусе, продольное сечение, где стрелкой показано направление напряженности магнитного поля тока Н.

Фиг. 3 – Линия задержки ПАВ опорного канала, размещенная в немагнитном корпусе, продольное сечение, где кружком скрестиком указано направление напряженности магнитного поля тока Н.

Фиг.4 - Частотная (а) и временная (б) зависимости параметра S11 датчика, когда тока в шине нет, где черной точкой обозначено местоположение импульса ПАВ при первичном отражении.

Фиг.5 - Частотная (а) и временная (б) зависимости параметра S11 датчика по фиг.1, где индукции магнитного поля соответствует 0,004 Т (40 Э).

Фиг. 6 - Зависимость амплитуды первичного импульсного отклика от величины магнитного поля, где длина магниточувствительной пленки FeNi равна 1000 длин ПАВ на центральной частоте.

Фиг.7 - Зависимость отношения амплитуд первичного и вторичного пиков отражения от величины магнитного поля, где магниточувствительной пленки FeNi равна 250 длин ПАВ на центральной частоте.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бесконтатный датчик тока на поверхностных акустических волнах (фиг.1) имеет в измерительном канале линию задержки ПАВ, которая содержит расположенные на пьезоэлектрическом звукопроводе 1 из пьезоэлектрического кристалла, приемо-передающий ВШП 2, отражательный ВШП 3 и магниточувствительную пленку 4 из FeNi между ними вдоль распространения ПАВ. Опорный канал также имеет линию задержки, которая содержит расположенные на пьезоэлектрическом звукопроводе 5 из пьезоэлектрического кристалла, приемо-передающий ВШП 6, отражательный ВШП 7 и магниточувствительную пленку 8 из FeNi между ними вдоль распространения ПАВ. Расстояние между центральными осями ВШП 2 и ВШП 3 равно Nλ, где: λ -длина ПАВ на центральной частоте.

Расстояние между ВШП 6 и ВШП 7 равно (Nλ + λ/4), где: λ -длина ПАВ на центральной частоте. Линия задержки опорного канала расположена на одной центральной оси перпендикулярно линии задержки измерительного канала.

Линию задержки измерительного канала при установке датчика на обесточенный проводник ориентируют таким образом, что направление напряженности магнитного поля Н тока в проводнике (как это указано стрелкой на фиг.2) совпадало с направлением распространения ПАВ. Приемопередающая антенна 9, подключена к шинам электродов приемопередающих ВШП 2 и ВШП 6, противолежащие шины электродов которых соединены проводником последовательно. Линии задержки помещены каждая в свой герметичный корпус 10, 11, соответственно (фиг. 3, 4), выполненный в форме параллелограмма из немагнитного материала с низкой магнитной проницаемостью μ≤1,5, например, из радиотехнической керамики, сплавов меди, алюминия, титана и др. и закреплены на диэлектрической подложке 12.

Измеритель зависимости суммарного сигнала от обеих ЛЗ при изменении величины магнитного поля в проводнике выполнен дистанционным, и содержит приемо-передающую антенну 13, направленную на приемо-передающую антенну 9 датчика и считыватель 14. На электроды ВШП, перед напылением пленки FeNi, нанесена лазерным напылением защитная пленка из ZnO толщиной 50 нм.

Устройство работает следующим образом.

Датчик тока закрепляют на обесточенном проводнике крепежными элементами, например, с помощью хомутов. Считыватель 13 посылает через антенну 14 считывающий импульс с линейной частотной модуляцией (направление показано стрелкой на фиг. 1), который принимается приемо-передающей антенной 9 датчика и возбуждает приемо-передающими ВШП 2 и ВШП 6 ПАВ, которые распространяются в сторону отражательных ВШП 4 и 7 под магниточувствительными пленками 4 и 8. При протекании электрического тока в проводнике магниточувствительная пленка FeNi создает в пьезоэлектрическом звукопроводе 4 линии задержки измерительного канала магнитострикционную деформацию, стимулируемую магнитным полем, при этом меняются толщина, плотность и модуль Юнга пленки FeNi, что приводит к изменению скорости ПАВ при изменении магнитного поля, когда направление магнитного поля H совпадает с направлением распространения ПАВ. При этом, так как в линии задержки опорного канала направление магнитного поля H перпендикулярно направлению распространения ПАВ, то в пленке FeNi будет отсутствовать магнитострикционная деформацию, стимулируемая магнитным полем, и скорость распространения ПАВ не изменится. Отраженные от ВШП 3 и ВШП 7 ПАВ попадают на приемо-передающие ВШП 2 и ВШП6 и импульс (показан стрелкой к антенне 14 на фиг. 1) излучается через антенну 9 в сторону антенны 14 считывателя 13. Попадая на антенну 14 считывателя 13 этот импульс приводит к появлению изрезанности на частотной зависимости параметра S11 антенны 9 (см. фиг. 4а). Приемо-передающие ВШП 2 и 6 ЛЗ и антенна 9 соединяются последовательно на диэлектрической подложке 12. Далее выполняя Фурье-преобразование получаем импульсный отклик на посланный считывателем импульс на датчик (см. фиг.4б).

Как видно из фиг.1 расстояние между ВШП в разных каналах отличается на четверть длины ПАВ на центральной частоте. Это приводит в отсутствии тока в проводнике к тому, что ПАВ, отраженные от ВШП 3 и ВШП 7 приходят на приемо-передающие ВШП 2 и ВШП 6 в противофазе, что приводит к появлению на этих ВШП противофазных напряжений, которые взаимно компенсируются на антенне 9, с которой они соединены. Амплитуду или площадь отраженного импульса определяемкак Фурье преобразование частотной зависимости параметра S11. Поэтому на выходе антенны сигнала не будет (см. фиг.4б, черная точка). Но отраженные от приемо-передающих ВШП ПАВ как ПАВ отраженные от короткозамкнутой решетки снова попадают на отражательные ВШП 3 и ВШП 6. Но в этом случае они снова попадут на приемо-передающие ВШП 2 и 7 уже не в противофазе, а в фазе поскольку ПАВ пройдут промежуток в четверть длины ПАВ четырежды. Поэтому отраженный сигнал появится на расстоянии в четыре раза превышающем задержку ПАВ между ВШП. При протекании тока в проводнике в опорном канале произойдет дополнительный сдвиг фаз и сигналы, отраженные от отражательных ВШП уже не будут в противофазе, что приведет к появлению импульсного отклика на расстоянии соответствующем удвоенной задержке ПАВ между ВШП (см. фиг.5 а, б).

На фиг.6 показана зависимость площади первичного импульсного отклика от величины магнитного поля. Видно, что заметного значения площадь достигает даже при единицах эрстед, что соответствует тысячным долям Тесла (Т). Далее повысить чувствительность можно, если увеличить длину пленки в 2 раза. В этом случае заметным становиться импульсный отклик даже при поле в 2 Э, что сравнимо с магнитным полем земли.

Для устранения зависимости амплитуды отраженного сигнала от расстояния между антеннами считывателя и датчика в этом случае можно использовать опорный канал, в котором параметр S11 не будет зависеть от магнитного поля (тока). В данной конструкции использование опорного канала приводит к тому, что импульсные отклике появляются как на удвоенной, так и на учетверенной задержке ПАВ между ВШП и соотношение площадей импульсных откликов зависит от тока в проводнике, как показано выше. В этом случае в качестве опорного сигнала можно использовать сигнал вторичного отражения (учетверенная задержка), а в качестве измерительного - первичное отражение (удвоенная задержка). Очевидно, что отношение этих сигналов не будет зависеть от расстояния между антеннами считывателя и датчика, а будет определяться исключительно соотношением фаз ПАВ пришедших на приемо-передающие ВШП от отражательных ВШП и будет зависеть от величины магнитного поля или тока. Кроме того, это отношение будет слабо зависеть от температуры. Так, например, при изменении температуры на 100^оС отношение площадей импульсов первичного и вторичного отражения изменится не более чем на 0,9%, при использовании в качестве пьезоэлектрического звукопровода монокристаллов ниобата лития с температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) 80*10^-6 1/град. При использовании звукопроводов с более низким ТКЗ, например, кварца ST - среза уход отношения площадей импульсов первичного и вторичного отражения при изменении температуры на 100^оС уменьшиться почти в 100 раз (сотые доли %). Это, несомненно, увеличит точность измерения магнитного поля или тока при изменении температуры в широких пределах. На фиг.7 показана зависимость этого отношения при длине магниточувствительной пленки 250 длин ПАВ на центральной частоте. На этой фигуре видно, что имеется линейный участок до 75 Э (0.0075 Т), который можно расширить за счет сокращения длины магнитной пленки. В примере конкретного выполнения в качестве считывателя использован измеритель комплексных коэффициентов передачи «Обзор-103» (2010 г. выпуска, завод «Планар», г. Челябинск), который формирует и принимает необходимые считывающие импульсы. Считывающий импульс с линейной частотной модуляцией имел центральную частоту 860 МГц, длительность 1 с и полосу частот 10 МГц. Датчик тока располагали на токопроводящей шине шириной 60 мм и толщиной 8 мм. Приемо-передающие и отражательные ВШП в ЛЗ на ПАВ выполнены прореженными и содержат по 20 одноволновых секций. Причем приемо-передающие ВШП имеют по 17 секций, а отражательные ВШП – по 13 секций. Центральная частота составляет 860 МГц. Расстояние между ВШП равно 260λ (N=260), апертура ВШП 80 λ. Длина магниточувствительной FeNi пленки толщиной 200 нм равна 1000 длин ПАВ на центральной частоте. На фиг.5 показана зависимость этого отношения при длине магниточувствительной пленки 250 длин ПАВ на центральной частоте. Из графика фиг.5 видно, что имеется линейный участок до 75 Э (0.0075 Т), который можно расширить за счет сокращения длины магнитной пленки.

Для осаждения плёнки NiFe на подложку ниобата лития использовался метод импульсного лазерного напыления (PLD). Предварительно была нанесена пленка оксида цинка в атмосфере кислорода (5*10-2 mBar) из керамической мишени ZnO за 2000 лазерных импульсов с плотностью энергии 2 Дж/см² на всю поверхность пьезоэлектрического звукопровода каждой ЛЗ поверх ВШП. Эта пленка выполняет функцию защитного слоя для ВШП в случае попадания на них FeNi (хотя оксид цинка полупроводник, он обладает очень высоким сопротивлением и не замыкает ВШП), а также служила в качестве подслоя для магниточувствительной пленки FeNi. Затем был через маску осаждён слой FeNi из металлической мишени NiFe (Ni-36%, Fe-64%) между ВШП за 10000 импульсов с плотностью энергии 2.3 Дж/см² при парциальном давлении Ar 2*10-2 mBar. Температура образца в ходе синтеза подслоя ZnO и слоя FeNi была 550° C и 350°C, соответственно. В обоих случаях излучение KrF лазера (248 nm, 10 Hz) фокусировалось на вращающуюся мишень соответствующего материала, а расстояние от мишени до подложки составляло 5 см.

Изготовленный лабораторный миниатюрный образец бесконтактного датчика тока на ПАВ имеет следующие технические характеристики:

Диапазон измеряемых токов (динамический диапазон) 10-1200А Чувствительность 0,1%/А Диапазон рабочих температур 35 – 75°С Габаритные размеры 40х40х2 мм Масса, не более, 20 г

Заявляемый бесконтактный датчик тока на ПАВ обладает малыми габаритами, имеет высокую чувствительность и дистанционное управление и является перспективным для коммерческой реализации на рынке аналогичной продукции.

Источники информации

1. RU 2444019, МПК G01R 19/252, опубл. 27.02.2012

2. RU 2719794, МПК G01R 15/18, G01R 19/00, опубл. 23.04.2020.

3. RU 2690710, МПК G01R 19/00, опубл. 05.06.2019.

4. RU 2437107, МПК G01R 19/15, G01R 33/032, опубл.20.12.2011.

5. M. Kadota, S. Ito и др. «SAW magnetic sensors composed of various Ni

electro structures on quartz», 2011 IEEE International Ultrasonics Symposium

6. Jie Tong, Yang Wang, Shiyue Wang, Wen Wang, Yana Jia and Xinlu Liu, Development of a Magnetostrictive FeNi Coated Surface Acoustic Wave Current Sensor//Appl. Sci. 2017, 7, 755; doi:10.3390/app7080755. - прототип.

Использование: для дистанционного мониторинга изменения тока или напряжения в высоковольтных воздушных линиях электропередач, трансформаторных подстанциях и распределительных электрических шкафах. Сущность изобретения заключается в том, что две линии задержки ориентированы взаимно перпендикулярно и закреплены на диэлектрической подложке в немагнитных корпусах. Каждая линия задержки имеет расположенные на пьезоэлектрическом звукопроводе из монокристалла ниобата лития, приемо-передающий и отражательный встречно-штыревые преобразователи и магниточувствительную пленку из FeNi между ними вдоль распространения поверхностной акустической волны. Линия задержки измерительного канала ориентирована вдоль направления напряженности магнитного поля в проводнике. Расстояние между центральными осями встречно-штыревых преобразователей в разных каналах отличается на четверть длины поверхностно акустической волны на центральной частоте, и отраженные волны приходят на приемо-передающие встречно-штыревые преобразователи в противофазе и наводят в них противофазные напряжения, которые взаимно компенсируются в приемопередающей антенне датчика. Измеритель зависимости суммарного сигнала от обеих линий задержки при изменении величины магнитного поля в проводнике выполнен дистанционным и содержит считыватель и приемо-передающую антенну, направленную на приемо-передающую антенну датчика. Технический результат: повышение точности измерения за счет выравнивания изменения скоростей поверхностных акустических волн на измерительной и опорной линиях задержки при изменении температуры окружающей среды, а также упрощение обслуживания датчика за счет дистанционной индикации результатов измерений. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бесконтактный датчик тока на поверхностных акустических волнах (ПАВ), включающий измерительный канал, в котором линия задержки ПАВ содержит приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), отражательный ВШП и магниточувствительную пленку FeNi между ними вдоль распространения ПАВ, расположенные на звукопроводе из пьезоэлектрического монокристалла, датчик тока имеет также опорный канал, в котором линия задержки ПАВ содержит приемо-передающий ВШП и отражательный ВШП на таком же звукопроводе, при этом все ВШП имеют защитное покрытие и подключены к измерителю зависимости суммарного сигнала линий задержки при изменении величины магнитного поля от величины тока в проводнике, отличающийся тем, что в линии задержки опорного канала между приемо-передающим и отражательным ВШП расположена магниточувствительная пленка FeNi вдоль распространения ПАВ, при этом расстояние между центральным осями приемо-передающего и отражательного ВШП равно Nλ, где λ – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, N – целое число, а в линии задержки опорного канала расстояние между центральными осями приемо-передающего и отражательного ВШП равно (Nλ + λ/4), обе линии задержки ориентированы таким образом, чтобы направление распространения ПАВ в линии задержки опорного канала ЛЗ было перпендикулярно направлению распространения ПАВ в линии задержки измерительного канала, измеритель зависимости суммарного сигнала линий задержки при изменении магнитного поля от величины тока в проводнике выполнен дистанционным и содержит считыватель, приемо-передающую антенну, направленную на приемо-передающую антенну датчика, которая подключена одним выводом к шине электродов приемо-передающего ВШП линии задержки измерительного канала, второй вывод антенны соединен с шиной электродов приемо-передающего ВШП линии задержки опорного канала, другие шины электродов приемо-передающих ВШП обеих линий задержки соединены между собой и обе линии задержки закреплены на диэлектрической подложке.

2. Бесконтактный датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что защитное покрытие ВШП выполнено из ZnO методом лазерного напыления.

3. Бесконтактный датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что магниточувствительная пленка FeNi нанесена методом лазерного напыления на защитное покрытие ВШП.

4. Бесконтактный датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что линия задержки измерительного канала закреплена в корпусе, имеющем форму прямоугольно параллелепипеда, выполненного из немагнитного материала с низкой магнитной проницаемостью μ≤1,5.

5. Бесконтактный датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что линия задержки опорного канала закреплена в корпусе, имеющем форму прямоугольно параллелепипеда, выполненного из немагнитного материала с низкой магнитной проницаемостью μ≤1,5.