CN101598748A - 一种温度补偿型的电流传感头及交变电流测量方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度补偿型的电流传感头及交变电流测量方法和***，将电流传感头置于待测交变电流产生的磁场中，粘贴在磁致伸缩材料上的光纤光栅FPI感测周围环境中的温度和磁感应强度的大小。单色光源发出的光信号进入光纤光栅法布里－珀罗干涉仪的光纤光栅F－P腔中，干涉后形成近似为双光束干涉信号输出。根据双光束干涉信号得到光纤光栅法布里－珀罗干涉仪的光纤光栅F－P腔的腔长变化量，再通过腔长变化量与电流的线性关系得到交变电流的测量值。最终，利用电流测量值与实际待测值之间对温度的补偿关系得出交变电流的实际值。改善了原有电流传感器的性能，制作工艺相对简单，可以实现温度和交变电流的同时测量。

Description

一种温度补偿型的电流传感头及交变电流测量方法和***

技术领域

本发明涉及一种温度补偿型的电流传感头及交变电流测量方法和***，属于光纤传感及光学测量领域。

背景技术

光纤光栅传感器的原理是将待测量转化为光纤光栅布拉格波长的漂移量，制作简单，但其波长调制特性，给信号解调带来一定的困难。普通的光纤法布里-珀罗干涉仪(FPI)传感器利用了光纤传光和F-P干涉原理，测量精度高，但制作工艺难度较大。光纤光栅FPI由在同一根光纤中写入两个相同的光纤光栅构成，综合了光纤光栅和光纤FPI的优点，不仅制作简单，而且具有体积小、质量轻、电绝缘性好、易于实现***的全光纤结构等优点，可达到传统光纤FPI传感器的测量精度，受到了越来越广泛地关注。

在电力***中，对输变电线路的电压、电流、功率等参数的监测尤为重要。随着电网电压的不断提高，传统的电磁式传感器因绝缘性差、结构复杂、成本高昂等，越来越不能满足要求。为此，全光纤高压电流传感器成为研究的热点之一。目前，光纤电流传感器使用的测量方法有：光偏振态测量法、波长调制测量法和光干涉测量法。其中光干涉测量法的原理是利用外场改变相干光的相位差进行测量，例如2006年《仪表技术与传感器》第四期的“干涉式光纤电流传感器”。干涉型光纤电流传感器采用的干涉仪结构主要有马赫-曾德(M-Z)干涉仪、迈克耳孙干涉仪和FPI。马赫-曾德干涉仪与迈克耳孙干涉仪的构造基本相同，由信号臂光纤和参考臂光纤构成。这种结构的光纤电流传感器由于传感光束和参考光束分别是在两根光纤中传输，故光纤内部的双折射、环境温度、振动、弯曲等因素的干扰，会严重影响传感器的性能。FPI型光纤电流传感器的传感光束和参考光束是在同一根光纤中传输，有效地解决了光纤的双折射、振动和弯曲等问题，但温度的影响始终无法解决。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种温度补偿型的电流传感头及交变电流测量方法和***，改善了原有电流传感器的性能，制作工艺相对简单，可以实现温度和交变电流的同时测量。

技术方案

本发明的提出的电流传感头，其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪12、磁致伸缩材料8和2块永磁体7；2块永磁体7相对平行置于磁致伸缩材料8的两侧，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪12的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料8上；磁致伸缩材料8的长度光纤光栅F-P腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体7的长度大于或等于光纤光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅F-P腔位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅6之间。

所述的2块永磁体7垂直固定在磁致伸缩材料8的两端。

所述光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的反射率小于5％。

所述的磁致伸缩材料8采用等长的压电陶瓷11，永磁体7采用互感线圈10和传输线9；互感线圈10通过传输线9与压电陶瓷11连接。

一种利用上述的任一种电流传感头进行测量交变电流的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将电流传感头置于待测交变电流产生的磁场中，输入一个波长为λ、光强为I₀的光信号，电流传感头输出一个光强为I的双光束干涉信号；

步骤2：根据光强为I的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光栅F-P腔长变化量：

其中R_λ为光纤光栅FPI对波长为λ的单色光强度的峰值反射率，为光纤光栅F-P腔干涉信号的初相位，n为光纤纤芯的折射率；

步骤3：根据Δh与电流强度的线性关系，得到电流强度的测量值i′为

其中A为比例系数由常规实验定标的方式得到；

步骤4：根据测量值i′与实际值i对温度的补偿关系 $i=\frac{C_{\mathrm{eff}}}{C_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\κ}}_2\·\mathrm{\ΔT}}{i}^{\′},$ 得出环境中所测量的电流实际值为

其中κ₂为磁致伸缩材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，C_eff为磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，且κ₂和C_eff两个系数值由常规实验定标的方式得到。

一种实现上述测量交变电流方法的***，其特征在于：电流传感头通过单模光纤3与光纤耦合器4一侧的一个端口连接，另一端口通过单模光纤3置于折射率匹配液5中；光纤耦合器4的另一侧的两个端口分别于单色光源1和光电探测装置2连接。

有益效果

本发明提供的温度补偿型的电流传感头，可以进行本发明的电流传感头进行交变电流测量方法和***。本发明的方法和***解决了传统电流传感器的温度、电流交叉敏感问题，实现了温度对电流的补偿测量，提高了测量精度。本发明还可通过提高电流对磁致伸缩元件的作用效果和光纤光栅F-P腔受制于磁致伸缩元件部分的长度两种方式来改善电流测量的灵敏度和量程。同时，本发明具有体积小、结构简单、成本低、性能稳定、灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀的优点，可在恶劣条件下工作。

附图说明

图1：为本发明实施例1光纤光栅FPI电流测量装置结构示意图

图2：为本发明实施例2光纤光栅FPI电流测量装置结构示意图

图3：为本发明实施例3光纤光栅FPI电流测量装置结构示意图

图4：为单色光强度峰值反射率R_λ与温度的关系曲线，横坐标为温度，纵坐标为R_λ

1、单色光源；2、光电探测装置；3、单模光纤；4、光纤耦合器；5、折射率匹配液；6、光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅；7、永磁体；8、磁致伸缩材料；9、传输线；10、互感线圈；11、压电陶瓷；12、光纤光栅法布里-珀罗干涉仪。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的一种温度补偿型的交变电流传感头，其中包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪12、磁致伸缩材料8和2块永磁体；2块永磁体相对置于磁致伸缩材料8的两侧，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的的两段光纤光栅6之间形成的光纤光栅FPI粘贴在磁致伸缩材料8上。该传感头还可以将磁致伸缩材料8和2块永磁体替换为压电陶瓷11、互感线圈10以及传输线9；互感线圈10将输出的电压信号，通过传输线9与输入压电陶瓷11连接。

本发明实施例提出的测量交变电流的基本方法是：将电流传感头置于待测交变电流产生的磁场中，粘贴在磁致伸缩材料上的光纤光栅FPI感测周围环境中的温度和磁感应强度的大小。单色光源发出的光信号进入光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的光纤光栅F-P腔中，干涉后形成近似为双光束干涉信号输出。根据双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的光纤光栅F-P腔的腔长变化量，再通过腔长变化量与电流的线性关系得到交变电流的测量值。最终，利用电流测量值与实际待测值之间对温度的补偿关系得出交变电流的实际值。

本方法的实现装置是，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的光纤光栅FPI粘贴在磁致伸缩材料上，并将其通过单模光纤与光纤耦合器的一个端口相连，单色光源与光电探测装置与光纤耦合器的另外两个端口相连，光纤耦合器的第四个端口通过单模光纤***到折射率匹配液中。

实施例1：参阅附图1，为所述光纤光栅FPI电流测量装置结构示意图。光纤光栅FPI12粘贴在磁致伸缩材料8上，永磁体7平行固定在磁致伸缩材料8两侧，光纤光栅FPI12通过单模光纤3与光纤耦合器4一侧的一个端口连接，另一端口与折射率匹配液5相连，光纤耦合器4的另一侧的两个端口分别与单色光源1和光电探测装置2连接。

所述光纤光栅FPI12的F-P腔受制于磁致伸缩材料8，两光纤光栅部分6自由放置；所述光纤光栅FPI12反射率小于5％。

所述单色光源发出波长为λ、光强为I₀的光信号，通过耦合器传输到光纤光栅FPI传感器探头中。由于光纤光栅FPI的反射率小于5％，所以反射回的光信号近似为双光束干涉信号，可近似表示为

式中，R_λ表示腔长变化过程中光纤光栅FPI对波长为λ的单色光强度的峰值反射率，由光纤光栅FPI两端的光纤光栅决定；n表示光纤纤芯的折射率；Δh表示腔长的伸缩量；

表示光纤光栅FPI干涉信号的初相位，对测量结果没有影响，为一常值。由此得到到光纤光栅F-P腔的腔长变化量Δh为

所述磁致伸缩材料在永磁体的作用下，工作在线性区。交变电流周围的磁场作用于磁致伸缩材料，引起磁致伸缩材料的长度发生周期性变化。所述光纤光栅F-P腔随之发生形变。形变对光纤的影响分为两部分：一是弹光效应引起的纤芯折射率变化；二是应变引起的光纤长度的变化。两者的共同作用引起光信号在FPI中传输的光程发生周期性变化，从而导致反射光强大小周期性变化。待测交变电流为

时，且光纤光栅F-P腔的腔长变化量Δh与电流强度i的关系为线性关系

式中A为比例系数，可以通过实验测得。因此得到在不考虑温度影响的情况下，电流的测量值与实际值i相等，可以表示为

由上式可以看出，如果待测电流的频率ω时，且nAi₀＞λ时，反射光信号I的频率特性只与电流的幅值i₀有关。因此通过分析反射光信号I的频率特性就可以得到待测交变电流i′。

所述光纤光栅F-P腔受到环境温度的影响发生形变。温度对光纤的影响主要体现在光纤热膨胀效应引起的光纤长度变化及光纤热光效应引起的纤芯折射率变化。两者的共同作用引起了光纤光栅FPI两端的光纤光栅反射率的改变，从而导致R_λ的变化。请参阅图4，为R_λ与温度的变化关系。测量温度时要求R_λ在一个单调区间内变化。为获得最大的温度测量范围，需要选取合适的工作点，具体方法如下：确定待测温度的变化范围，选取合适的工作波长，使得R_λ在中间温度时为最大反射率的一半。

由于温度的变化会改变磁致伸缩材料的性质，进而影响到对电流的测量。因此，需要对电流值进行修正。一方面，温度恒定时，磁致伸缩材料的伸长量与材料所处的磁场强度成正比；另一方面，磁场恒定时，磁致伸缩材料的伸长量与温度也成正比。所以，可以假定磁致伸缩材料受温度和磁场作用之后的应变量ε为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=C_{\mathrm{eff}}H+{\mathrm{\κ}}_1\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\κ}}_2\mathrm{H\ΔT}$

式中，κ1为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、κ2为磁致伸缩材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，Ceff为磁致伸缩材料在某一恒定温度下的磁致伸缩系数。三个系数值可由实验定标的方式得到。因此通过分析得到，电流的实际修正值i和实测的电流值i′的关系为

$i=\frac{C_{\mathrm{eff}}}{C_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\κ}}_2\·\mathrm{\ΔT}}{i}^{\′}$

因此，通过检测输出光信号的强度和频率特性可实现电流和温度的同时测量，进而得到温度补偿后的实际电流值。

实施例2：参阅附图2，与实施例1的不同在于，所述两块永磁体7分别固定在磁致伸缩材料的两端。

实施例3：参阅附图3，与实施例1的不同在于，使得光纤光栅FPI12腔长周期性变化的驱动元件包括传输线9，压电陶瓷11和互感线圈10。所述互感线圈10的输出，通过传输线9，与压电陶瓷11连接。

所述互感线圈将母线中的电流转化为电压，通过传输线，加载到压电陶瓷上。所述压电陶瓷在此电压的驱动下发生形变，作用于光纤光栅F-P腔，引起光纤光栅F-P腔产生形变。

本方法的实现装置是，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的光纤光栅FPI粘贴在磁致伸缩材料上，并将其通过单模光纤与光纤耦合器的一个端口相连，单色光源与光电探测装置与光纤耦合器的另外两个端口相连，光纤耦合器的第四个端口通过单模光纤***到折射率匹配液中。在测量过程中，将交变电流传感头置于待测交变电流所产生的磁场中，所用的光纤光栅FPI在室温(20℃)下的中心波长为1550nm附近，带宽＜0.2nm，光栅反射率＜5％，用改性丙烯酸酯胶将F-P腔粘贴在磁致伸缩材料表面，两粘贴点间距为6cm。当所需测量的电流值大小发生变化时，单色光源发出的窄带光，经由光纤光栅FPI发射后，再经光电探测装置探测到的信号，在示波器上显示的测量波形的周期会发生变化，根据波形的不同周期特性得到电流值的大小；当环境温度发生变化时，示波器上显示得到的波形的振幅会发生变化，进而根据振幅的大小得到温度的大小。最终由电流的实际修正值i和实测的电流值i′的关系，得到温度补偿后的电流值大小。

Claims (6)

1.一种温度补偿型的电流传感头，其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(12)、磁致伸缩材料(8)和2块永磁体(7)；2块永磁体(7)相对平行置于磁致伸缩材料(8)的两侧，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(12)的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料(8)上；磁致伸缩材料(8)的长度光纤光栅F-P腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体(7)的长度大于或等于光纤光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅F-P腔位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅(6)之间。

2.根据权利要求1所述的温度补偿型的电流传感头，其特征在于：所述的2块永磁体(7)垂直固定在磁致伸缩材料(8)的两端。

3.根据权利要求1所述的温度补偿型的电流传感头，其特征在于：所述光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的反射率小于5％。

4.根据权利要求1或3所述的温度补偿型的电流传感头，其特征在于：所述的磁致伸缩材料(8)采用等长的压电陶瓷(11)，永磁体采用互感线圈(10)和传输线(9)；互感线圈(10)通过传输线(9)与压电陶瓷(11)连接。

5.一种利用权利要求1～4所述的任一种温度补偿型的电流传感头进行测量交变电流的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将电流传感头置于待测交变电流产生的磁场中，输入一个波长为λ、光强为I₀的光信号，电流传感头输出一个光强为I的双光束干涉信号；

步骤2：根据光强为I的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光栅F-P腔长变化量：

其中R_λ为光纤光栅F-P腔对波长为λ的单色光强度的峰值反射率，

为光纤光栅F-P腔干涉信号的初相位，n为光纤纤芯的折射率；

步骤3：根据Δh与电流强度的线性关系，得到电流强度的测量值i′为其中A为比例系数由常规实验定标的方式得到；

步骤4：根据测量值i′与实际值i对温度的补偿关系 $i=\frac{C_{\mathrm{eff}}}{C_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\κ}}_2\·\mathrm{\ΔT}}{i}^{\′},$ 得出环境中所测量的电流实际值为

其中κ₂为磁致伸缩材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，C_eff为磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，且κ₂和C_eff两个系数值由常规实验定标的方式得到。

6.一种实现权利要求5所述的测量交变电流方法的***，其特征在于：电流传感头通过单模光纤(3)与光纤耦合器(4)一侧的一个端口连接，另一端口通过单模光纤(3)置于折射率匹配液(5)中；光纤耦合器(4)的另一侧的两个端口分别于单色光源(1)和光电探测装置(2)连接。

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