CN101833024A

CN101833024A - 一种光纤光栅f-p电流传感器的传感头及其制作方法

Info

Publication number: CN101833024A
Application number: CN200910021441A
Authority: CN
Inventors: 周王民; 魏志武; 李文博; 田晶; 王虎
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及一种不受温度影响的光纤光栅F-P电流传感器的传感头及其制作方法，该传感器的传感头在设计上利用了磁致伸缩材料的磁致各向异性的特点，实现了磁致伸缩材料温度应变和磁场应变的分离，解决了磁致伸缩材料温度和应力的交叉敏感问题，滤除了传感头所处环境的温度变化对所测结果带来的影响。本发明提供的光纤光栅F-P电流传感器的精度高、可靠性好，而且该设计是全光纤结构，解决了电磁绝缘问题。本发明结构简单，制作容易，体积小，使得装置在挂网运行上方便、易于操作，可以在高压环境下实现对输电母线的精确监控。

Description

一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，特别是涉及一种不受温度影响的光纤光栅F-P电流传感器的传感头，还涉及其制作方法。

背景技术

电流传感器是传感器领域的一个重要研究方向。在电力工业中要对输电线路的电压、电流、功率等参数进行测试。但是传统的电磁式传感器面临高压、绝缘性能差、以及电磁干扰等问题，进行测量给电学敏感元件带来了危险，也使得测量***的结构复杂、成本高昂。一些学者提出了光纤光栅F-P(法布里一珀罗，Fabry-Perot)电流传感器。现有公开的文献“基于光纤Fabry-Perot的电流传感器(《重庆大学学报》(自然科学版)，Vol.30，No.3，2007，p23-30)”提到了用光纤Fabry-Perot建立的电流传感器，但这种传感器因为使用了铁芯和线圈从而存在磁滞和电感，以至于只适合用于测量小电流。文献“一种新型光纤光栅法布里-珀罗电流传感器***(《光纤与电缆及其应用技术》No.4，2007，p 1 7-20)”建立的电流传感器没有考虑所用的磁致伸缩材料存在的温度和应力交叉敏感问题，从而降低了该传感器在室外环境温度变化条件下使用的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头，以及制作这种传感器的传感头的方法。这种不受温度影响的光纤光栅F-P电流传感器能很好解决光纤光栅F-P电流传感器的磁致伸缩材料温度和应力的交叉敏感问题。

本发明的光纤光栅F-P电流传感器的传感头，由两块材料相同的磁致伸缩材料紧密连接在一起，两块磁致伸缩材料的磁致伸缩方向相互垂直，光纤光栅F-P粘贴在两块磁致伸缩材料上面，其中光纤光栅F-P的一个FBG的一半位于在其中一块磁致伸缩材料上面，其余部分位于另一块磁致伸缩材料上面。

所述光纤光栅F-P粘贴在磁致伸缩材料的中央且与长边平行，磁致伸缩材料的边长为2～100mm，厚为0.5～20mm。

本发明所述光纤光栅F-P电流传感器传感头的制作工艺，包括下述步骤：

1、根据计算选取合适参数的光纤光栅F-P；

2、选取合适长度的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料的表面进行平整光洁；

3、将两块磁致伸缩材料按图1置于平面上并依次用胶粘接；

4、将光纤光栅F-P粘贴在结构件上表面。

所述光纤光栅F-P使用前需在丙酮中浸泡10分钟取出，擦洗干净再用酒精擦拭，并在其两端粘接导光光纤；

所述磁致伸缩材料的磁致伸缩系数和线性工作区间及长度满足测量要求；使用前需在其表面喷上脱脂液，擦拭干净，然后用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨，再用碱性表面水基酸清洁液除去表面的酸性清洁液和细沙粒。

所述磁致伸缩材料用胶粘接需保证其上表面处于同一平面内。

所述光纤光栅是用热膨胀小、凝固强度大、结构稳定、不易老化变质的环氧胶粘合固定于两块磁致伸缩材料表面。

本发明的电流传感器的传感头，设计上利用了磁致伸缩材料的磁致各向异性的特点，实现了磁致伸缩材料温度应变和磁场应变的分离，完成了对传感头的温度应变和磁场应变的分立测量，解决了磁致伸缩材料温度和应力的交叉敏感问题，滤除了传感头所处环境的温度变化对所测结果带来的影响，因此本发明提供的光纤光栅电流传感器的精度高、可靠性好；且该设计是全光纤结构，解决了电磁绝缘问题，特别是在高压领域优于传统的电磁式传感器。本发明结构简单，制作容易，体积小，使得装置在挂网运行上方便、简单、易于操作，且光纤光栅有成熟的解调技术，易实现应用。

下面结合附图对本发明光纤光栅F-P电流传感器的传感头的实施方式进一步详细描述。

附图说明

1-导光光纤 2-磁致伸缩材料 3-磁致伸缩材料 4-光纤光栅

5-表面开槽的磁致伸缩材料 6-表面开槽的磁致伸缩材料

图1是本发明光纤光栅电流传感器的传感头实施方式一的结构示意图。

图2是本发明实施方式二的磁致伸缩材料表面开槽示意图。

图3是未加磁场只受温度影响的光纤光栅F-P的反射谱图。

图4是磁场和温度影响产生***后的光纤光栅F-P和FBG的反射峰图。

具体实施方式

实施例一：

图1是本发明光纤光栅电流传感器的传感头实施方式一的结构示意图。所述的光纤光栅F-P电流传感器的传感头，包括导光光纤1、磁致伸缩材料2、磁致伸缩材料3、光纤光栅4。所述磁致伸缩材料2和磁致伸缩材料3首尾连接，光纤光栅4完全粘贴在表面上。当温度变化时，光纤光栅F-P的反射谱会发生整体漂移；但磁致伸缩材料2的磁致伸缩方向平行于外磁场方向，磁致伸缩材料3的磁致伸缩方向垂直于外磁场方向，外磁场变化则使两块磁致伸缩材料产生不同的应变带动光纤光栅使光纤光栅的反射谱***为一个光纤光栅F-P的反射峰和一个FBG的反射峰，光纤光栅F-P的反射峰的小峰间距同时包含温度与磁场的信息，FBG的反射峰与光纤光栅F-P的反射峰的间距只包含温度的信息，通过运算可得到母线周围的磁场强度大小，再根据磁场强度就可以计算出高压输电母线的电流大小，从而实现对输电母线的精确监控。

所述制作光纤光栅F-P电流传感器的传感头的工艺，包括下述步骤：

1、根据计算选取合适参数的光纤光栅F-P；

3、将磁致伸缩材料按图1置于平面上用胶粘接；

4、将光纤光栅F-P粘贴在结构件表面上。

所述根据计算选取合适参数的光纤光栅F-P的步骤1，实施过程为：a、选取栅长40mm，中心反射波长为1550nm的光纤光栅F-P；b、所用光源为中心波长是1550nm的宽带光源；c、将光纤光栅在丙酮中浸泡10分钟取出，擦洗干净再用酒精擦拭，并在其两端粘合导光光纤。

所述选取合适长度的磁致伸缩材料，并将磁致伸缩材料的表面进行平整光洁的步骤2，实施过程为：a、选取磁致伸缩材料的磁致伸缩系数和线性工作区间须满足测量要求，用超磁致伸缩材料Tb0.30Dy0.70Fe1.95，工作的磁场线性区间为20-100毫特；b、选取的两块磁致伸缩材料的大小为20mm×8mm×4mm；c、其中一块磁致伸缩材料2的磁致伸缩方向必须与长方体的长边平行，与另一方向的边垂直，另一块磁致伸缩材料3的磁致伸缩方向必须与长方体的长边垂直，与另一方向的边垂直；d、在磁致伸缩材料的上下表面喷上脱脂液，擦拭干净；e、用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨；f、再用碱性表面水基酸清洁液除去表面的酸性清洁液和细沙粒。

所述将磁致伸缩材料按图1置于平面上用胶粘贴的步骤3，实施过程为：a、将磁致伸缩材料按图1放置于平面上；b、在其端面涂环氧胶将其粘结，保证其上表面处于同一水平面内。

所述将光纤光栅F-P粘贴在结构件表面上的步骤4，实施过程为：a、用热膨胀小、凝固强度大、结构稳定、不易老化变质的环氧胶；b、环氧胶均匀的涂在平整光洁后的磁致伸缩材料表面。待所涂胶凝固便完成了设计，得到了光纤光栅F-P电流传感器的传感头。

实施例二：

图2是本发明实施方式二的结构示意图。所述光纤光栅F-P电流传感器传感头结构与实施方式一类似。图2所示在磁致伸缩材料5和磁致伸缩材料6的表面上开有凹槽，将磁致伸缩材料5和磁致伸缩材料6的凹槽对齐并依次粘接，再把光纤光栅F-P置于凹槽内用胶粘贴。以减少温度对光纤光栅F-P本身的影响，增加光纤光栅F-P与磁致伸缩材料的亲和力，提高光纤光栅F-P的应变响应，可进一步提高测量精度，减小测量误差。

所述制作光纤光栅F-P电流传感器传感头的工艺，依次包括下述步骤：

1、根据计算选取合适参数的光纤光栅F-P；

2、选取合适长度的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料的端面进行平整光洁；

3、将磁致伸缩材料按图1置于平面上用胶粘结；

4、将光纤光栅F-P埋入磁致伸缩材料表面的凹槽内。

所述根据计算选取合适参数的光纤光栅F-P步骤1，实施过程为：a、选取栅长40mm，中心反射波长为1550nm的光纤光栅F-P；b、所用光源为中心波长是1550nm的宽带光源；c、将光纤光栅F-P在丙酮中浸泡10分钟取出，擦洗干净再用酒精擦拭，并在其两端粘合导光光纤。

所述选取合适长度的磁致伸缩材料并将磁致伸缩材料的端面进行平整光洁的步骤2，实施过程为：a、选取磁致伸缩材料的磁致伸缩系数和线性工作区间须满足测量要求，用超磁致伸缩材料Tb0.30Dy0.70Fe1.95，工作的磁场线性区间为20毫特-100毫特；b、选取的两块磁致伸缩材料的大小为20mm×8mm×4mm；c、磁致伸缩材料5的磁致伸缩方向必须与长方体的长边平行，与另一方向的边垂直，磁致伸缩材料6的磁致伸缩方向必须与长方体的长边垂直，与另一方向的边垂直；d、两块在磁致伸缩材料的端面喷上脱脂液，擦拭干净；e、用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨；f、再用碱性表面水基酸清洁液除去表面的酸性清洁液和细沙粒。

所述将磁致伸缩材料按图1置于平面上用胶粘接的步骤3，实施过程为：a、将磁致伸缩材料按图1放置于平面上；b、在其端面涂环氧胶并将其粘接，保证两个凹槽的凹面对齐，上表面处于同一水平面内。

所述将光纤光栅F-P埋入磁致伸缩材料表面的凹槽内的步骤4，实施过程为：a、用热膨胀小、凝固强度大、结构稳定、不易老化变质的环氧胶；b、将光纤光栅F-P放入磁致伸缩材料上的凹槽内，再用环氧胶均匀的涂在周围进行封装。待所涂胶凝固便完成了设计，得到光纤光栅F-P电流传感器的传感头。

本发明把两块相同的磁致伸缩材料粘接在一起形成一个结构件，再把光纤光栅F-P粘贴在结构件表面。因为结构件所用材料的热膨胀系数相同，如图3所示，温度变化仅使得光纤光栅的反射谱整体漂移；但两块材料的磁致伸缩方向不同，如图4所示，磁场变化使反射谱***为一个光纤光栅F-P的反射峰和一个FBG的反射峰，光纤光栅F-P的反射峰的小峰间距同时包含温度与磁场的信息，FBG的反射峰与光纤光栅F-P的反射峰的间距只包含温度的信息，通过运算，再利用电流、磁场及磁致伸缩材料的伸缩量之间的线性关系就可达到测量电流的目的。此电流的测量值不受环境温度变化的影响，因此本发明提供的光纤光栅F-P电流传感器传感头的测量精度高，可以在高压环境下实现对输电母线的精确监控，在实际生产中具有极大的实用价值和经济效益。

Claims

1.一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头，包括两块材料相同的磁致伸缩材料和一根光纤光栅F-P，其特征在于：所述两块磁致伸缩材料(2)和磁致伸缩材料(3)用环氧胶紧密粘接，且磁致伸缩方向互相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头，其特征在于：磁致伸缩材料是能在外磁场中发生形变的合金材料，边长为2～100mm，厚为0.5～20mm。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头，其特征在于：所述光纤光栅F-P粘贴在两块磁致伸缩材料的上表面中间部位且与长边平行。

4.一种制备如权利要求1所述的光纤光栅F-P电流传感器的传感头及其制作方法，其特征在于该工艺方法包括：

(a)选取合适的光纤光栅F-P；

(b)选取合适长度的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料的表面进行平整光洁；

(c)将磁致伸缩材料按图1置于玻璃板上并依次用胶粘接；

(d)光纤光栅F-P粘贴在结构件上表面。

5.根据权利要求4所述的一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头及其制作方法，其特征在于：所述的光纤光栅是选取栅长40mm，中心反射波长为1550nm的光纤光栅。

6.根据权利要求4所述的一种光纤光栅F-P电流传感器的传感头及其制作方法，其特征在于：两块磁致伸缩材料的长度等于光纤光栅栅长的一半，其大小为20mm×8mm×4mm。