双频微带集成直流被动感应增强机理研究

作     者：方一繁 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王东方

授予年度：2024年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无源传感-无线传输方案 磁悬臂梁 微带 直流电流监测 电动汽车(EVs) 智能电网(SGs) 

摘      要：随着智能电网（SGs）的不断发展、电力需求的增加以及可再生能源资源的整合到电力系统网格中,通过对电流进行当前测量、电网条件监测和设备控制的需求不断增加。对于智能电网,电流是最重要的监测对象,而作为智能电网重要组成部分的无线传感器网络可以实现实时的无线和被动电流监测。当前,电动汽车（EVs）和智能电网（SGs）的迅速发展,健康监测和早期预警面临着巨大挑战,迫切需要实时、被动和无线检测。 本文提出了一种无源传感-无线传输方案,以同步实现直流电流监测中的无源传感和信号无线发射。为支持上述方案,本文建立了具有阶跃恒常数特性的直流电流传感理论。为了验证所提出的方案和所建立的理论,我们开发并制造了一种直流电流计,主要由集成了磁悬臂的微带组成。当施加的直流电流从0 A到16 A时,实验得到的最大检测灵敏度为12.19 ppm/A,而理论上通过调整传感性能相关系数可以实现更高的检测灵敏度。为满足各种工业应用场景的不同需求,设计了一种小型化微带,其H型槽蝶形微带比常用的矩形贴片缩小了34.12%。所提出的无源传感-无线传输方案和所开发的直流电流计有望为电动汽车（EVs）和智能电网（SGs）的健康监测和早期预警提供新的解决方案。 本文为了提高电流计的传感灵敏度,从理论方面对传感灵敏度进行分析。通过三个传感系数:KA微带传感系数,KC应变传感系数和KI电流传感系数,对直流电流计的结构进行优化,从而有望将灵敏度提高1-2个数量级。此外,基于无源传感-无线传输方案,提出了双频微带集成直流被动感应增强机理模型,并设计了双频微带集成直流电流计,对所提出的方案进行实验验证。对双频微带集成直流电流计的两个归一化谐振频率进行差分,可以得出灵敏度=-500.007ppm/A,其中线性拟合的判定系数R2=0.9559,采用双频微带集成直流被动感应增强机理,灵敏度提高了41.018倍。 本文考虑的实际工程应用中,微带会受外界温度较为明显,所以提出了一个温度补偿机制,可以同步实现双频微带集成直流电流计灵敏度和精度的同步提高。为了对双频微带进行温度补偿,提出了一种双频微带集成直流电流计温度补偿机制,使得在实现精度提高的同时进一步提高灵敏度。通过控制长度方向和宽度方向的温度传感系数,可以实现对精度和灵敏度的同步提高。通过HFSS仿真分析,采用RT/duroid（?）5880的温度灵敏度最好为79ppm/℃,其精度误差也最小为αTLC（1+μ）-17,并且因为悬臂梁的材料采用PTFE,所以αTLC=31ppm/℃,μ=0.146,所以双频微带集成直流电流计精度误差计算可以得出为18.526ppm/℃。此外,基于倒置双频微带直流传感机制,将双频微带集成直流电流计温度补偿机制应用于倒置双频微带直流电流计中,从理论上验证了温度误差的补偿可行性,实现了灵敏度和精度的同步提高。 本文针对目前电流传感器无法实现无源传感-无线传输的现状,以及智能电网（SGs）对于无线无源直流传感器的需求,提出了一种无源传感-无线传输方案。并对其灵敏度和精度进行了优化提高,使其有望广泛应用于智能电网（SGs）中的无线传感网络节点。