CN102156212A - 磁力耦合式光纤光栅大电流测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种磁力耦合式光纤光栅大电流测量方法及装置。该装置包括电流接入导线、集磁片、弹性元件，光纤布喇格光栅以及辅助定位构件；其中集磁片与集磁片之间通过弹性元件连接，光纤布喇格光栅安装在弹性元件上，辅助定位构件用于电流接入导线与集磁片之间的定位。当大电流进入电流接入导线时，在导线周围形成磁场将集磁片磁化后，集磁片与集磁片，集磁片与导线之间产生相互作用力，引起与集磁片相连的弹性元件发生弹性形变，进而导致安装在弹性元件上的光纤布喇格光栅的中心波长发生移动，此信号通过光纤传输到光纤光栅解调仪解调，达到测量大电流的目的。本装置体积小，重量轻，结构简单，本质绝缘，不需接外电源，适用于大电流的测量和监测。

Description

磁力耦合式光纤光栅大电流测量方法及装置

技术领域：

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种磁场与力耦合的光纤布喇格光栅(FBG：fiber Bragg grating)大电流测量方法及装置。

背景技术：

电力工业属于国家经济发展的基础行业，在国家经济建设中有着举足轻重的地位。随着经济的迅猛发展，各个国家对电力的需求都在日益增加，导致电力***中额定电压和额定电流等级逐年提高。电力工业中的电流与电压的测量有着非常重要的作用，它们提供了电力***中用于计量、控制以及继电保护等所必需的信息。

传统的电磁式电流互感器在实际应用中起到了重大作用，但其仍存在着诸多缺陷，如，绝缘结构复杂、体积庞大、造价高；安全系数较低，存在铁磁共振、磁滞效应等。虽然不断有改进方案提出，如采取基于Bang-Bang控制的有源补偿双级电流互感器、使用倒立式一次绕组的电流互感器来消除漏磁对测量准确度的影响，以及基于自动补偿的零磁通电流互感器等来提高测量的精度、减小测量误差等，但没有改变电磁式电流互感器的固有缺陷。所以很多学者都在致力于光学电压电流互感器的设计和开发。

带Rogowski线圈的光学电流互感器是应用较早，发展也最成熟的一种光学电流传感器。根据Rogowski线圈输出的电流信号经积分环节转换为电压信号后处理方式的不同，带Rogowski线圈的光学电流互感器可分为：数模转换型、压频转换型、模拟型等。由于Rogowski线圈只能耦合交流信号，因此这种电流互感器是一种交流变换装置。这种电流互感器继承了电磁测量技术成熟、结构简单的特点，也融合了光电传输保真性能优越、安全等优点。另外，Rogowski线圈本身具有绝缘结构简单、无铁磁饱和、测量范围大以及频带宽等特点。但Rogowski线圈本身只能测量交变电流，而且需要另外供电，往往以一种光电混合式的光学电流互感器形式出现。

磁光式电流互感器(MOCT)一直受到广泛关注，MOCT按传感结构的不同大体可分为两类：一是全光纤型MOCT，传光与传感部分都采用光纤；二是混合型MOCT，光线传输采用光纤，而传感材料目前多采用的是块状光学玻璃晶体磁光材料。目前阻碍全光纤MOCT的实用化的主要问题是光纤存在双折射以及对振动等外界环境因素的敏感性，其中以光纤存在双折射最为关键。混合型闭合式MOCT的工作过程和原理与全光纤MOCT一样，所不同的是混合型闭环式MOCT采用的传感介质是磁光玻璃，且偏振光是在磁光玻璃内绕行载流导线一周或数周。这种电流互感器结构简单、灵敏度高。混合型集磁环式MOCT也是基于Faraday效应的，用块状磁光玻璃来做传感材料。但是，由于磁光玻璃材料加工难度大、易碎以及磁光玻璃材料因温度变化引起的应力双折射问题，它使线偏振光变成椭圆偏振光，进而产生不必要的光强变化，并引起误差限制磁光式电流互感器的实用化。随着光纤光栅的大范围推广应用，基于光纤光栅的电流传感器也成为研究的热点。主要应用以下三种方法进行光调制。磁致伸缩效应、电流热效应、磁场致悬臂梁拉伸效应。磁致伸缩效应，是指磁致伸缩材料在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。但是磁致伸缩材料的不稳定特性限制了其实用化。电流热效应具体为在光栅上直接镀一层良导体金膜，利用电流加热产生的热效应使光纤光栅反射谱中心波长产生漂移。但是电流产生的温度容易受到外界温度的影响，以及温度变化是时间的函数，电流的快速变化不能够快速的反映到温度的变化上。国内余有龙等利用悬臂梁验证了光纤光栅电流传感的可能性。具体实施为在等腰三角形悬臂梁上贴上光纤光栅和通过电流的导线。通电导线在磁场中受到力的作用使悬臂梁发生应变，应变使光纤光栅布喇格波长产生漂移，但是由于悬臂梁容易受到外界扰动的干扰，导致结构的稳定性较差，恢复性不好，且测量过程中需要在导线中通电，没有彻底的实现无源测量。武汉理工大学的常瑞利用电磁力的原理，提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管，产生吸引力，带动光纤光栅产生应变，并通过对光纤光栅波长的测量，实现对此待测大电流测量的方法，并使用多匝螺线管和小电流进行了模拟大电流测量，但是其实验装置螺线管并不适合大电流的直接测量。

发明内容：

本发明针对上述现有技术的不足：提供一种磁场与力耦合的光纤布喇格光栅大电流测量方法及装置。本发明的装置结构简单，本质绝缘，***稳定性好，抗干扰能力强，干扰信号很容易通过后续软件方式处理。

本发明提出的一种基于磁场与力耦合的布喇格光纤光栅(FBG)大电流的测量方法及装置，是基于FBG对应力/应变的敏感性，将FBG与弹性元件和集磁片相结合形成大电流传感探头，通过磁力效应，达到大电流测量的目的。

本发明所采用的技术方案是：一种磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置，它包括一根电流接入导线、一个辅助定位构件、两个以上集磁片、两个以上弹性元件、两个以上光纤布喇格光栅、传输光纤及光纤光栅解调仪；电流接入导线与集磁片通过辅助定位构件定位，两个以上集磁片均布在电流接入导线四周，各个集磁片之间通过弹性元件相连，一个光纤布喇格光栅安装在一个弹性元件上，并保证两个以上光纤布喇格光栅不发生啁啾现象，各个光纤布喇格光栅通过传输光纤接至光纤光栅解调仪器。

本发明的技术方案中，电流接入导线是圆柱状或者板条状。

本发明的技术方案中，弹性元件及集磁片设计成与电流接入导线和实际测量要求所需的形状。

本发明的技术方案中，集磁片采用顺磁性材料，电流接入导线采用电良导体，弹性元件采用逆磁性材料，辅助定位构件采用绝缘材料。

本发明的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置应用方法：将待测大电流接入电流接入导线，即在电流接入导线周围将产生磁场，并磁化所有集磁片，集磁片相互之间，以及集磁片与电流接入导线之间，产生相互作用力，引起弹性元件发生形变，并被安装在其上的光纤布喇格光栅所探测，大电流信号转换为光纤布喇格光栅波长漂移，波长随之发生变化，再通过传输光纤将变化量信号传送至光纤光栅解调仪解调信号实现对大电流的测量。

本发明的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置的集磁片起到集磁的作用，集磁片与弹性元件相连接，光纤布喇格光栅固定在弹性元件上，辅助定位结构用于电流接入导线与集磁片之间的定位。光纤光栅通过传输光纤接入解调仪器中解调信号。

本发明的基于布喇格光纤光栅的大电流测量装置，当大电流进入电流接入导线时，会在导线的周围形成磁场，磁场将集磁片磁化后，集磁片之间、集磁片与导线之间产生相互作用的吸引力，吸引力会使与集磁片相连的弹性元件发生弹性形变，导致安装在每片弹性元件上已预先施加张力的光纤布喇格光栅被压缩，光纤布喇格光栅的中心波长发生移动，并被光纤光栅解调仪器识别，进而获得所测量的大电流值。通过设计不同灵敏度的弹性元件，可以调节测量灵敏度，用于不同电流测量范围的场所。

本发明的优点：与传统的电流测量方法相比，本发明具有结构简单，易于实现，本质绝缘，无电磁干扰，稳定性好，抗干扰能力强的优点。

附图说明：

图1为传感器及测量***的整体结构示意图，

图2为传感器结构剖面图，

图3为本发明装置的一个实施例，

图中：1电流接入导线、2辅助定位构件、3集磁片、4弹性元件、5光纤布喇格光栅、6传输光纤、7光纤布喇格光栅解调仪，9辅助定位外壳。

具体实施方式：

本发明提出的一种基于磁场与力耦合的布喇格光纤光栅(FBG)大电流的测量方法及装置。如图1、图2所示，基于布喇格光纤光栅的大电流测量装置包括电流接入导线1、辅助定位构件2、集磁片3、弹性元件4、光纤布喇格光栅5、传输光纤6、光纤布喇格光栅解调仪7。本发明的工作原理：测量装置集磁片3通过弹性元件4相连作为传感探头。电流接入导线1通过辅助定位构件2与集磁片3之间定位，磁片均布在电流接入导线四周，光纤布喇格光栅5安装在弹性元件4上。当大电流进入电流接入导线1时，在导线周围产生磁场，集磁片3被磁场磁化后，集磁片3之间以及集磁片3与导线1之间产生相互作用力，该作用力使弹性元件4产生弹性形变，使安装在弹性元件4上的光纤布喇格光栅5发生相应的形变，其布喇格波长随之发生变化，再通过传输光纤6将变化量信号传送至光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7将光信号转化成电信号，即可达到表征大电流的目的。

本发明的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置的集磁片3采用顺磁性材料，弹性元件4采用逆磁性材料，辅助定位构件2采用绝缘材料，集磁片3起到把磁场转换成力的作用，顺磁性材料能够被迅速磁化，当磁场消失后又会迅速消磁，无磁滞效应或磁滞效应很小。弹性元件4则采用逆磁性材料，避免因为被磁场磁化而对测量产生影响。辅助定位构件2则采用绝缘材料，防止与电流磁场产生作用而影响传感器测量。当电流产生磁场之后，集磁片3将迅速被磁场磁化，导致集磁片3与集磁片3以及集磁片3与电流接入导线1之间产生相互吸引，继而带动弹性元件4产生应变。

集磁片3可以根据导线1的形状和灵敏度，以及测量范围的需要，采用不同的数量并设计成不同的形状。

弹性元件4可以设计成不同的形状，通过调整弹性元件4的尺寸使其拥有不同的灵敏度以适合不同范围的大电流测量。

电流接入导线1与集磁片3通过辅助定位构件2进行定位，保证弹性元件4受力稳定，避免因为不平衡安装引起的震动。布喇格光纤光栅5安装在弹性元件4上。安装应该避免出现啁啾的现象，否则影响信号的采集。

下面通过实施例更详细的描述本发明，但不限于实施例。

如图3所示为此发明的一个是实施例，基于布喇格光纤光栅的大电流测量装置包括电流接入导线1、辅助定位构件(外壳)2、弹性元件4、光纤布喇格光栅5、集磁片3，传输光纤6等几部分组成。电流接入导线1通过辅助定位外壳2与集磁片3之间定位，光纤布喇格光栅5安装在每个弹性元件4上，并保证光纤布喇格光栅5不发生啁啾现象。集磁片3采用顺磁性材料，弹性元件4采用逆磁性材料，辅助定位结构2采用绝缘材料，弹性元件4则采用逆磁性材料，辅助定位外壳2则采用绝缘材料。当电流产生磁场之后，集磁片3将迅速被磁场磁化，导致集磁片3与集磁片3以及集磁片3与电流接入导线1之间产生相互吸引，继而带动弹性元件4产生应变，而由光纤布喇格光栅5所探测到。

其使用方法如下：将待测大电流接入导线1中，则该导线围产生磁场，磁场将集磁片3磁化，导致集磁片3之间以及集磁片3与导线之间产生相互作用力，使与集磁片3相连的弹性元件4发生形变，同时安装在弹性元件4上的预先施加张力的光纤布喇格光栅5被压缩的，则布喇格光纤光栅5的布喇格波长产生变化，最后，经过光纤光栅解调仪即可获得与所测电流直接相关的光波长的变化量，实现对大电流大小的测量。

使用过程中，应该使传感器安装平稳，避免引入外部振动干扰，对传感信号造成影响。

Claims (5)

1.一种磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置，其特征在于：它包括一根电流接入导线(1)、一个辅助定位构件(2)、两个以上集磁片(3)、两个以上弹性元件(4)、两个以上光纤布喇格光栅(5)、传输光纤(6)及光纤光栅解调仪(7)；电流接入导线(1)与集磁片(3)通过辅助定位构件(2)定位，两个以上集磁片(3)均布在电流接入导线(1)四周，各个集磁片(3)之间通过弹性元件(4)相连，一个光纤布喇格光栅(5)安装在一个弹性元件(4)上，并保证两个以上光纤布喇格光栅(5)不发生啁啾现象，各个光纤布喇格光栅(5)通过传输光纤(6)接至光纤光栅解调仪器(7)。

2.根据权利要求1所述的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置，其特征在于：电流接入导线(1)是圆柱状或者板条状。

3.根据权利要求1所述的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置，其特征在于：弹性元件(4)及集磁片(3)设计成与电流接入导线(1)和实际测量要求所需的形状。

4.根据权利要求1所述的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置，其特征在于：集磁片(3)采用顺磁性材料，电流接入导线(1)采用电良导体，弹性元件(4)采用逆磁性材料，辅助定位构件(2)采用绝缘材料。

5.权利要求1所述的磁力耦合式光纤光栅大电流测量装置应用方法，其特征在于：将待测大电流接入电流接入导线(1)，即在电流接入导线周围将产生磁场，并磁化所有集磁片(3)，集磁片(3)相互之间，以及集磁片(3)与电流接入导线(1)之间，产生相互作用力，引起弹性元件(4)发生形变，并被安装在其上的光纤布喇格光栅(5)所探测，大电流信号转换为光纤布喇格光栅(5)波长漂移，波长随之发生变化，再通过传输光纤(6)将变化量信号传至光纤光栅解调仪(7)解调信号，实现对大电流的测量。

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