CN102156213A - 一种基于双折射效应的光纤光栅电流测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双折射效应的光纤光栅电流测量方法，本发明属于传感器与测量技术领域。由宽带光源11、光纤耦合器12、传感光纤光栅13、支撑光纤20、永久磁铁14、硅片(15、16)、电磁线圈17、支架18、驱动电流控制单元19、光谱仪21、光谱分析单元22和输出与显示单元23组成。其特点是利用传感光纤光栅在径向电磁力作用下产生双折射效应而出现两个具有不同偏振态的反射光谱，这两个反射光谱中心波长之差与径向电磁力成正比的原理实现电流的测量，由于采用差动的测量方法，解决了光纤光栅传感信号的温度交叉敏感问题。

Description

一种基于双折射效应的光纤光栅电流测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅电流测量方法，属于传感器与测量技术领域。

背景技术

电流测量技术在电力系统及电子技术领域有着广泛的应用前景和重要的意义。目前，对电流测量技术的研究已成为热点之一，而其中基于光纤的电流传感技术为电流测量提供了较好的解决方案。

光纤电流传感器所依据的物理效应有很多种，主要有电磁感应、法拉第磁光效应、热效应(温度型)、逆压电效应、磁力式、磁致伸缩效应等。基于电磁感应的光纤电流传感器采用传统的电流互感器或空心互感器(Rogowski线圈)取样传输线电流，利用有源器件调制技术，以光纤作为信号通道，把高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，从而得到被测信号的装置。由于系统中仍然采用常规电流传感器作传感头，只能作为电磁式电流传感器向全光学光纤电流传感器的一种过渡方案。

(Min-Cheol Oh，Jun-Kyu Seo，Kyung-Jo Kim，Hoon Kim，Jun-Whee Kim，and Woo-Sung Chu，Optical current sensors consisting of polymeric waveguide components，JOU RNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，28(12)，2010)提出基于法拉第磁光效应的电流传感器，是当线偏振光通过处于外磁场中的均匀各向同性介质，且光的传播方向与外磁场方向一致时，线偏振光的偏振面将会发生旋转的效应。

基于热效应(温度型)、逆压电效应、磁力式、磁致伸缩效应的光纤电流传感器从根本上来说都是由于电流的作用使得光纤或者光纤光栅受力、或者产生位移(长度发生变化)，从而利用光纤干涉仪原理或者光纤光栅检测应变或温度的原理实现电流的检测。

热效应(温度型)光纤电流传感器是基于电流产生的热使光纤热膨胀，长度增加；逆压电效应光纤电流传感器是当给压电陶瓷加上一定的电压时，它将产生形变，从而是光纤长度增加。以上两种原理都可分别构成干涉型光纤电流传感器或者光纤光栅电流传感器。

利用磁力检测电流的光纤传感器可分为两类，一类是(Heredero R L，De Caleya R F，Guerrero H，et al.Micro-machined optical fiber current sensor.APPLIED OPTICS，38(25)，1999)提出的磁力产生位移，使得光纤FP干涉传感器的干涉腔长发生变化，从而实现电流检测，另一类是(Yong Zhao，Qing-yao Meng，Kun Chen.Novel current measurement method based on fiber Bragg grating sensor technology.SENSORS AND ACTUATORS A：PHYSICAL，126，2006)提出的基于测电流产生的磁场使处于磁场中的铁磁物质受到磁力作用发生移动或形变，导致光纤光栅产生应变，影响光纤光栅反射谱，从而对电流进行检测。这种光纤光栅电流传感器施加电磁力的方向是沿光纤光栅轴向，使光纤光栅反射波长偏移。

磁致伸缩效应光纤电流传感器一般把光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料置于磁场中。磁致伸缩材料伸缩使光纤长度产生变化，从而光纤中的光程发生变化，引起光相位的变化，利用干涉法检测相位变化即可测量被测磁场，进而可得被测的电流值。或者(Deborah Reilly，Andrew J.Willshire，Grzegorz Fusiek，Pawel Niewczas，and James R.McDonald，A fiber-Bragg-grating-based sensor for simultaneous AC current and temperature measurement，IEEE SENSORS JOURNAL，6(6)，2006)提出使固定在磁致伸缩材料上光纤光栅被拉伸，通过检测光纤光栅的反射波长移动量，可得到被测电流的大小。这类光纤电流传感器的缺点是由于采用直接粘贴方式，所以粘贴处存在负载效应，而且随着电流的增大，会出现磁滞效应，难以克服。

发明内容

本发明的目的在于不仅为了克服已有技术的不足之处，还具有成本低、信号解调方法简单的优点，同时，也解决了光纤光栅传感器测量信号的温度交叉敏感问题。

本发明的技术方案如下：

一种电流测量方法，主要包括一个光纤光栅径向载荷敏感单元，电磁力产生装置，光源，光纤耦合器，光谱仪，光谱分析单元，输出与显示单元，其特征在于：所述的电流测量方法主要是利用一只传感光纤光栅实现径向载荷测量，所述的光纤光栅径向载荷敏感单元由一支传感光纤光栅，一段支撑光纤和上下两块具有光滑表面的硅片组成，所述的传感光纤光栅和支撑光纤平行放置在两个硅片之间；所述的电磁力产生装置由一块永久磁铁，一个缠绕着电磁线圈的支架和驱动电流控制器组成，所述的永久磁铁固定在所述的上下两块硅片中上硅片的上面，缠绕有电磁线圈的支架固定在下硅片的下面，所述的驱动电流控制器通过导线与电磁线圈相连；所述的光源通过所述的光纤耦合器与传感光纤光栅一端相连，传感光纤光栅的测量信号经过自身反射后经过光纤耦合器的输出端与光谱仪相连，光谱仪的输出信号通过信号线传送至光谱分析单元，进一步由输出与显示单元处理。

本发明所述的利用一只传感光纤光栅实现径向载荷测量，是利用传感光纤光栅在径向电磁力作用下产生双折射效应而出现两个具有不同偏振态的反射光谱，这两个反射光谱中心波长之差与径向电磁力成正比的原理实现的。

本发明的技术特征还在于：所述的缠绕有电磁线圈的支架材料为塑料，内经尺寸为15mm，高度为100mm。所述的一段支撑光纤的材料、直径与传感光纤光栅完全相同，并去除它们的表面涂覆层。

本发明具有如下特点：①采用了差动信号处理方法，避免了光纤光栅测量信号的温度交叉敏感问题；②信号传输损耗低，不失真，适合远距离测量；③系统的测量探头部分电绝缘、安全性好。

附图说明

图1为本发明提供的基于双折射效应的光纤光栅电流测量原理示意图。

图2为本发明电磁力产生装置中线圈匝数不同时被测电流与FBG输出波长差关系图。

图3为本发明电磁力产生装置中气隙不同时被测电流与FBG输出波长差关系图。

图4为本发明电磁力产生装置中电磁线圈面积不同时被测电流与FBG输出波长差关系图。

图5为选定系统参数后利用本发明实现的被测电流与传感光纤光栅波长差关系曲线图。

图6利用本发明实现的在被测电流变化时传感光纤光栅反射光谱变化图。

(a)被测电流I＝0

(b)被测电流I＝0.3A

(c)被测电流I＝0.5A

具体实施方式

本发明提出的光纤光栅电流测量方法，结合附图说明如下：

光纤光栅电流测量系统如图1所示，传感光纤光栅和一段支撑光纤以一定的距离被放置于两个硅片之间(这样做的好处是使得传感光纤光栅受力均匀)，两光纤具有相同的材料和直径。在上硅片的上面置有永久磁铁，下硅片的下面是缠绕有电磁线圈的支架。宽带光源输出的光经过耦合器传送至传感光纤光栅，具有特定反射波长的光信号通过耦合器由光谱分析仪接收。当没有施加被测电流时，光谱分析仪只能监测到具有一个反射峰的光信号。当有被测电流施加到电磁线圈中时，线圈电流将产生磁场，永久磁铁在磁场中受到电磁力作用，对其正下方的光纤产生径向载荷，使传感光纤光栅产生径向应变，即双折射现象。由于在相互正交的两个方向上，线性双折射效应的结果使得传感光纤光栅产生两个反射峰，而且随着外加被测电流的增加，电磁力增大，受压的传感光纤光栅产生的双折射效应更加明显，导致两种正交偏振态的反射光谱越发相互分离。通过对波长分离量的检测，即通过检测两个正交偏振态反射光波峰之差，即可得知被测电磁力的大小，由于电磁力与待测电流有确定的对应关系，从而实现了对电流的测量。

根据光纤模式理论可知，在温度不变的情况下，当只有径向力作用于光纤时，光纤的轴向应力假设为零(实际上，由于最终采用的是波长差检测方法，所以即使存在轴向应变，也会在测量结果中被消除)，此时，将引起光纤的附加双折射现象，就是这个双折射现象引起了两种附加的正交偏振模式。因此，如果在一只光纤光栅上施加径向载荷，将会导致两种偏振态的反射光谱的分离。这两个正交的偏振模式波长分离量之差可表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{B,y}-{\mathrm{\Δ\λ}}_{B,x}=\frac{\mathrm{F\Λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{RE}}_1{L}_1}\left\{n_{0,x}^3\right[p_{12}(3-v_1)-p_{11}(1+{3v}_1)]-n_{0y}^3[p_{11}(3+v_1)-p_{12}(1+{5v}_1)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中，Λ为光栅周期，F为沿长度为L₂的光纤作用的外力，R为光纤包层的半径，n_0，x和n_0，y分别为两个正交方向上的初始的有效折射率，p₁₁和p₁₂为光纤的弹光系数；E₁和v₁分别为光纤的杨氏弹性模量和泊松比。

可见光纤光栅两个偏振态下的波长的移动量差值与径向载荷成正比。

由于电流能产生磁场，电流大小与磁场存在着对应关系，而永久磁铁在磁场作用下能产生电磁力，若能通过一定的装置将待测电流的变化转换成电磁力，并将这个力沿径向施加在光纤光栅上，则可利用上述原理实现电流的测量。本文提出的具体方案和结构如图1所示。其中，由电磁线圈和永久磁铁构成螺旋管结构，通电后在磁路中产生磁通，并对永久磁铁产生电磁吸力，永久磁铁在电磁吸力作用下，沿着磁力线的方向移动一个不大的距离，使工作气隙减小，从而产生机械运动趋势。这时的电磁吸力F可以由能量平衡求得，如公式(2)所示

$F=\frac{{\mathrm{dW}}_m}{\mathrm{d\δ}}---\left(2\right)$

式中，dδ为永久磁铁在电磁吸力F作用下移动的距离，dW_m是储藏在磁系统内磁能的变化量。

忽略气隙上磁通量的边缘现象，并注意到永久磁铁的位移仅仅改变了气隙中存储的磁能，写出：

$W_m=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{H}^2\mathrm{s\δ}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{\left(\frac{\mathrm{\Ψ}}{s{\mathrm{\μ}}_0}\right)}^2\mathrm{s\δ}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\Ψ}}^2\mathrm{\δ}}{{\mathrm{s\μ}}_0}---\left(3\right)$

式中，H为气隙磁场的磁场强度，

Ψ为气隙磁通量，s为气隙的横截面面积，可简化认为是电磁线圈横截面积，μ₀为真空中的磁导率，W_m为气隙的磁能，δ为气隙减小的距离。

则依据式(3)，式(2)可写为：

$F=\frac{{\mathrm{dW}}_m}{\mathrm{d\δ}}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\Ψ}}^2}{{\mathrm{s\μ}}_0}---\left(4\right)$

根据磁路相关定理，可得气隙磁通量Ψ与电流的关系为

$\mathrm{\Ψ}\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NIs}}{\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

式中，N为线圈匝数。

则结合式(4)和式(5)，可得电磁吸力为：

$F=\frac{1}{2}\frac{{{\mathrm{\μ}}_{0}s\left(\mathrm{NI}\right)}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}---\left(6\right)$

求出电磁吸力的表达式后，即建立了电磁吸力与待测电流的关系。这样，将式(6)代入式(1)，即可得光纤光栅两个偏振态的波长差与电流的关系，如下式：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{sN}}^2{I}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2{L}_2}\frac{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{RE}}_1}\left\{n_{0,x}^3\right[p_{12}(3-v_1)-p_{11}(1+{3v}_1)]-n_{0,y}^3[p_{11}(3+v_1)-p_{12}(1+{5v}_1)\left]\right\}---\left(7\right)$

其中，记波长差Δλ＝Δλ_B，y-Δλ_B，x。对于特定装置，s、N、δ、L₂均为常量，在光纤特性参数已知的情况下，则可知Δλ∝I²。当有电流通过时，电磁线圈产生的电磁力使得传感光纤光栅受径向应力作用，两正交偏振反射波长分离量增加。电流强度越大，分离量越多，因此利用电磁力使传感光纤光栅波长分离差发生变化，可以来感知电流强度的大小。

已知真空磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，传感光纤光栅周期Λ＝0.5355μm，光纤包层的半径R＝62.5μm，光纤的杨氏弹性模量E₁＝7×10¹⁰Pa，纤芯初始的有效折射率n_eff＝1.43，光纤的弹光系数p₁₁＝0.121，p₁₂＝0.270，光纤的泊松比v₁＝0.17。

下面对测量系统中一些结构参数对测量特性的影响做仿真分析。

设s＝10^-4m²，δ＝2×10^-3m，L₂＝1.5×10^-2m。

由图2可知，当电磁线圈匝数相对较小(N＝900)时，电流变化导致的电磁力作用使传感光纤光栅两偏振态反射波长分离不明显。随电磁线圈匝数增大，电磁力作用随之增加，两偏振态反射波长移动差值逐渐增加。但匝数增大的同时，电磁线圈体积会随之增大，制作工艺也会相应复杂，且电流能耗增加。因此，折中考虑，选定匝数N＝1500。

在已确定N＝1500情况下，选择参数s＝10^-4m²，L₂＝1.5×10^-2m。由图3可知，在匝数一定(N＝1500)时，通过调整气隙的高度能够使电磁力增加，波长分离的效果更明显，同时还能继续增加电流测量灵敏度。但减小气隙的高度也会增加制作工艺的难度。结合实际情况，气隙宽度为δ＝10^-3m以下时不予考虑。选择较易实现的δ＝1.5×10^-3m。

在已确定N＝1500情况下，δ＝1.5×10^-3m，L₂＝1.5×10^-2m。由图4可知，在匝数一定(N＝1500)和气隙一定(δ＝1.5×10^-3m)时，通过调整电磁线圈面积也能够使电磁力增加，从而使波长分离量增大。此种方法较易实现，再结合实际情况，故选s＝3.14×10^-4m²。

由于光纤在磁场中的长度L₂变化范围不大，对电磁力大小影响不明显，故不作为可调整参数考虑。

综上，选择参数：N＝1500，s＝3.14×10^-4m²，δ＝1.5×10^-3m，L₂＝1.5×10^-2m。给出了最终的被测电流与传感光纤光栅两种偏振模式反射波长之差的关系曲线如图7所示。

由图5可知，随着被测电流的增加，传感光纤光栅两种偏振模式反射波长之差增大，测量灵敏度提高。当被测电流大于0.7A以后，测量特性具有很好的线性，此时，测量灵敏度可达2nm/A。如果波长检测装置的分辨率能达到1pm，即可分辨出0.5mA的电流变化量。

根据图1搭建了初步的系统实验装置，通过光谱分析仪测得在被测电流增大过程中，光谱的变化情况，从图6可见，当被测电流为0时，此时没有双折射效应产生，传感光纤光栅的反射光谱中只有一个反射峰；当被测电流增加，由于传感光纤光栅受到双折射效应，而出现两个偏振模式，这两个偏振模式随着电磁力的增加，出现反射波长彼此分离的情况，且电流越大，分离越明显，与理论分析结果相符合。

Claims (4)

1.一种电流测量方法，主要包括一个光纤光栅径向载荷敏感单元，电磁力产生装置，光源，光纤耦合器，光谱仪，光谱分析单元，输出与显示单元，其特征在于：所述的电流测量方法主要是利用一只传感光纤光栅(13)实现径向载荷测量，所述的光纤光栅径向载荷敏感单元由一支传感光纤光栅(13)，一段支撑光纤(20)和上下两块具有光滑表面的硅片(15、16)组成，所述的传感光纤光栅和支撑光纤平行放置在两个硅片之间；所述的电磁力产生装置由一块永久磁铁(14)，一个缠绕着电磁线圈(17)的支架(18)和驱动电流控制器(19)组成，所述的永久磁铁固定在所述的上下两块硅片中上硅片的上面，所述的缠绕有电磁线圈的支架固定在下硅片的下面，所述的驱动电流控制器通过导线与电磁线圈相连；所述的光源(11)通过所述的光纤耦合器(12)与传感光纤光栅一端相连，传感光纤光栅的测量信号经过自身反射后经过光纤耦合器的输出端与光谱仪(21)相连，光谱仪的输出信号通过信号线传送至光谱分析单元(22)，而后被输出与显示单元(23)处理。

2.按照权利要求1所述的电流测量方法，其特征在于：所述的利用一只传感光纤光栅(13)实现径向载荷测量，是利用传感光纤光栅在径向电磁力作用下产生双折射效应而出现两个具有不同偏振态的反射光谱，这两个反射光谱中心波长之差与径向电磁力成正比的原理实现的。

3.按照权利要求1所述的电流测量方法，其特征在于：所述的缠绕有电磁线圈(17)的支架(18)材料为塑料，内经尺寸为15mm，高度为100mm。

4.按照权利要求1所述的电流测量方法，其特征在于：所述的一段支撑光纤(20)的材料、直径与传感光纤光栅(13)完全相同，并去除它们的表面涂覆层。

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