一种环形结构的光纤电流传感器
阅读说明：本技术 一种环形结构的光纤电流传感器 (Optical fiber current sensor with annular structure ) 是由 张家洪 张建鑫 郁聪 赵振刚 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种环形结构的光纤电流传感器,所述传感器主要由环形硅钢片、超磁致伸缩棒、光纤布拉格光栅、连接条和支撑条制成,当导线通电,环形硅钢片会聚集导线周围的磁场,形成聚磁回路；在环形硅钢片上切割出一定长度的缺口,圆柱形超磁致伸缩棒上端与环形硅钢片缺口一端粘贴在一起,连接条左端上表面与圆柱形超磁致伸缩棒下端粘贴在一起,连接条右端下表面与支撑条上端粘贴在一起,支撑条下端与环形硅钢片粘贴在一起。本发明提供的光纤电流传感器测量结果不受温度影响,解决了光纤光栅电流传感器受外界温度干扰而不稳定的问题。本发明还具有体积小、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。(The invention discloses an optical fiber current sensor with an annular structure, which is mainly made of an annular silicon steel sheet, a giant magnetostrictive rod, an optical fiber Bragg grating, a connecting strip and a supporting strip, wherein when a lead is electrified, the annular silicon steel sheet can gather a magnetic field around the lead to form a magnetism gathering loop; the upper surface of the left end of the connecting bar is adhered to the lower end of the cylindrical giant magnetostrictive rod, the lower surface of the right end of the connecting bar is adhered to the upper end of the supporting bar, and the lower end of the supporting bar is adhered to the annular silicon steel sheet. The measurement result of the optical fiber current sensor provided by the invention is not influenced by temperature, and the problem that the optical fiber grating current sensor is unstable due to the interference of external temperature is solved. The invention also has the advantages of small volume, simple structure, low cost, stable performance, high sensitivity, good electrical insulation and corrosion resistance.)
技术领域
本发明涉及光学电流传感器领域，尤其涉及一种环形结构的光纤电流传感器。
背景技术
随着我国电力行业的发展，电力行业对于电流传感器提出了更高的要求，传统电流传感器暴露出磁饱和、铁磁谐振、易燃易爆等一系列问题。光学电流传感器因为本身的抗磁干扰能力，进入了国内外学者的眼中。光学电流传感器根据工作原理主要分为：法拉第效应式，光电混合式和磁致伸缩式。
法拉第效应式电流传感器的工作原理是采用法拉第效应，线性双折射和温度问题一直是法拉第效应式传感器的一大难题。光电混合式传感器利用的还是传统的电磁感应原理，光纤只是用于信号传输，并未解决磁饱和、环境磁场等因素的影响。磁致伸缩式光纤布拉格光栅电流传感器主要利用超磁致伸缩材料与光纤布拉格光栅的结合作为敏感单元，超磁致伸缩材料受到磁场作用会产生轴向的拉伸，粘贴在超磁致伸缩材料上的光纤布拉格光栅产生应变，光栅尾纤将光信号传输到解调仪，解调仪解调出光纤布拉格光栅的中心波长。这种传输方式可以实现分布式测量，具有较好的工业前景。
磁致伸缩式光纤布拉格光栅电流传感器已经成为光学电流传感器的研究热点之一。由于因为光纤光栅易受温度的影响，故需要进行温度补偿。现有方法采用“十”字形结构超磁致伸缩材料设计传感器并进行温度补偿。需要两根超磁致伸缩材料呈“十”字形排列，将两根光纤布拉格光栅分别粘贴在两根超磁致伸缩材料上。这种结构需要两根两根超磁致伸缩材料，结构复杂，成本较高，操作不便。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种环形结构的光纤电流传感器，在测量电流的同时，能够避免温度对测量结果的影响。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种环形结构的光纤电流传感器，包括环形硅钢片、连接条、超磁致伸缩棒、支撑条、线圈、导线以及光纤布拉格光栅，所述环形硅钢片的一侧绕制线圈，所述线圈下方设置导线；所述环形硅钢片上切割出缺口，超磁致伸缩棒上端与环形硅钢片缺口一端固定在一起，所述连接条左端上表面与超磁致伸缩棒下端固定在一起，所述连接条右端下表面与支撑条上端固定在一起，所述支撑条下端与环形硅钢片固定在一起，两根参数相同的光纤布拉格光栅分别粘贴在连接条的上下表面，呈对称分布。
作为对上述技术方案的进一步描述，两根光纤布拉格光栅通过光栅尾纤连接到解调仪上。
作为优选，所述环形硅钢片上的缺口长度为25-35mm，环形硅钢片的外半径为40-50mm，内半径为20-25mm。
作为优选，所述连接条的数量为一个，材料为不锈钢，形状为长方体，长度为30-35mm，宽度为3-8mm，厚度为1-2mm。
作为优选，所述超磁致伸缩棒的数量为一个，形状为圆柱体，底部直径为3-8mm，长度为20-30mm。
作为优选，所述支撑条的数量为一个，材料为不锈钢，形状为长方体，长度为10-15mm，宽度为2-4mm，厚度为1-2mm。
作为优选，所述线圈通过恒流源供电，线圈的匝数为400-600匝。
本发明的工作原理如下：采用本发明提供的电流传感器测量电流时，光从光纤布拉格光栅一端入射，光纤内部的光栅相当于波长频带反射器，会反射部分光波，反射光波的中心波长λB为
λB＝2neffΛ (1)
式中，neff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，neff和Λ都是温度和应变的函数。当光纤布拉格光栅同时受轴向应力和温度的作用时，光纤布拉格光栅会发生轴向应变，光纤布拉格光栅沿轴向应变ε与光纤布拉格光栅的中心波长变化之间的关系为
ΔλB＝λB(1-Pe)ε+λB(αΛ+αn)ΔT (2)
式中，Pe为有效光弹系数，对于硅纤介质约为0.22。ΔT表示温度变化；αΛ和αn分别表示光纤热膨胀系数与热光系数，对于掺锗光纤来说，它们分别为0.55×10-6和8.6×10-6。
当导线通入电流I，环形硅钢片汇聚导线周围的磁场，形成聚磁回路，硅钢片上的磁场强度为H1，根据电磁感应原理，环形硅钢片上的磁场强度H1为
式中，I表示被测电流，r为硅钢片半径。当线圈通入电流i时，硅钢片上的偏置磁场H2为
H2＝Ni (4)
式中，N表示线圈匝数，i表示线圈上的电流。超磁致伸缩材料置于硅钢片的缺口处，因为超磁致伸缩材料的相对磁导率小于硅钢片的相对磁导率，所以超磁致伸缩材料上的磁场小于硅钢片上的磁场，超磁致伸缩材料上的磁场H3为
H3＝β1(H2+H1) (5)
式中，β1为磁路的漏磁系数。超磁致伸缩材料受到磁场的作用，会发生磁化，沿轴向拉伸，超磁致伸缩材料的位移量Δl1与磁场H3的对应关系为
Δl1＝k1H3h1 (6)
式中，k1是超磁致伸缩材料(超磁致伸缩棒)的磁致伸缩系数，h1为超磁致伸缩材料的高度。超磁致伸缩材料沿轴向拉伸导致不锈钢条(连接条)发生形变，不锈钢条所受力F为
F＝k2·Δl1 (7)
式中，k2为不锈钢条的弹性系数。光纤布拉格光栅的应变量为
式中，L为不锈钢条长度，E为弹性模量，b0为不锈钢条固定端的宽度，h2为不锈钢条的厚度。
将公式(3)-公式(8)带入公式(2)，得到被测电流I与光纤布拉格光栅中心波长变化量之间的变化关系为
两根参数相同的光纤布拉格光栅粘在不锈钢条(连接条)的两面，在同一温度环境下，温度引起的两光纤布拉格光栅的波长变化量大小相等，但是电流产生磁场进一步使上下两根光纤布拉格光栅产生拉伸和压缩的应变。产生拉伸应变的光纤布拉格光栅波长变化量ΔλB1和产生压缩应变的光纤布拉格光栅波长变化量ΔλB2分别为
因此用两个光纤布拉格光栅的波长变化量相减，即可去除温度的影响，得到相减后光纤布拉格光栅的波长变化量为
δλ＝ΔλB1-ΔλB2＝2λB(1-Pe)(KI+b) (12)
其中
式(12)表明，通过解调仪得出两光纤布拉格光栅波长的变化量，即可得出被测电流I，且测量不受温度的影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种新型结构的光纤电流传感器，使测量结果不受温度影响，解决了光纤光栅电流传感器受外界温度干扰而不稳定的问题，本发明提供的温度自补偿光纤光栅电流传感器的精度高、性能稳定，同时，本发明具有体积小、结构简单、成本低、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是本发明中环形结构的光纤电流传感器的正视示意图；
图2是本发明中环形结构的光纤电流传感器的侧视示意图；
图中标记：1-环形硅钢片，2-连接条，3-超磁致伸缩棒，4-支撑条，5-线圈，6-导线，7-光纤布拉格光栅，8-光栅尾纤，9-解调仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
如图1和图2所示，一种环形结构的光纤电流传感器，包括一个环形硅钢片1，一个连接条2，一个圆柱形超磁致伸缩棒3，一个支撑条4，线圈5，导线6，两根光纤布拉格光栅7，两根光栅尾纤8，一台解调仪9。
本实施例中各组件的规格尺寸如下：所述环形硅钢片1上的缺口长度是28mm，环形硅钢片的外半径为45mm，内半径为25mm，硅钢片做成环形更容易聚集磁场。
连接条2材料为不锈钢，形状为长方体，长度为32mm，宽度为5mm，厚度为1.5mm。连接条需要粘贴光纤布拉格光栅，所以做成长方体方便粘贴。
超磁致伸缩棒3为圆柱体，底部直径为5mm，长度为25mm。
支撑条4的数量为一个，材料为不锈钢，形状为长方体，方便加工，长度为11.5mm，宽度为3mm，厚度为1.5mm。
线圈5通过恒流源供电，线圈的匝数为500匝。
环形硅钢片1上绕制线圈5，利用恒流源供电，提供偏置磁场，导线6置于线圈5和光纤布拉格光栅7之间。在环形硅钢片上切割出一定长度的缺口，圆柱形超磁致伸缩棒3上端与环形硅钢片1缺口一端分别涂抹一层环氧树脂胶，将两部分粘贴，等待大约24小时，使之凝固。连接条2左端上表面与圆柱形超磁致伸缩棒3下端使用环氧树脂胶粘贴在一起，连接条2右端下表面与支撑条4上端使用环氧树脂胶粘贴在一起，支撑材料4下端与环形硅钢片1使用环氧树脂胶粘贴在一起。
两根参数相同的光纤布拉格光栅7使用环氧树脂胶分别粘贴在不锈钢条2的上下表面，光纤布拉格光栅的光栅区的两端各取一点粘贴在不锈钢条2的上表面，在不锈钢条2的下表面与上表面对应的点粘贴光纤布拉格光栅，上下两根光纤布拉格光栅呈对称分布，两根光纤布拉格光栅7通过两根光栅尾纤8连接到解调仪9上。
使用时给导线6通电，环形硅钢片1会聚集导线6周围的磁场，形成聚磁回路。环形硅钢片1缺口处的圆柱形超磁致伸缩棒3受到磁场作用，产生轴向的向下拉伸，从而带动连接条2左端向下发生形变，使得粘贴在连接条2上表面的光纤布拉格光栅7拉伸，粘贴在连接条2下表面的光纤布拉格光栅7收缩。两根光纤布拉格光栅7通过光栅尾纤8连接到解调仪9上。温度对两根光纤布拉格光栅7的影响相同，将解调仪9测到的两根光纤布拉格光栅7的中心波长相减，去除温度对光纤布拉格光栅7中心波长变化量的影响，通过光纤布拉格光栅7中心波长变化量与被测电流的关系，可以得出被测电流的大小。
具体测量过程如下：光从光纤布拉格光栅一端入射，光纤内部的光栅相当于波长频带反射器，会反射部分光波，反射光波的中心波长λB为
λB＝2neffΛ (1)
式中，neff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，neff和Λ都是温度和应变的函数。当光纤布拉格光栅同时受轴向应力和温度的作用时，光纤布拉格光栅会发生轴向应变，光纤布拉格光栅沿轴向应变ε与光纤布拉格光栅的中心波长变化之间的关系为
ΔλB＝λB(1-Pe)ε+λB(αΛ+αn)ΔT (2)
式中，Pe为有效光弹系数，对于硅纤介质约为0.22，ΔT表示温度变化；αΛ和αn分别表示光纤热膨胀系数与热光系数，对于掺锗光纤来说，它们分别为0.55×10-6和8.6×10-6。
当导线通入电流I，环形硅钢片汇聚导线周围的磁场，形成聚磁回路，硅钢片上的磁场强度为H1，根据电磁感应原理，硅钢片上的磁场强度H1为
式中，I表示被测电流，r为硅钢片半径。当线圈通入电流i时，硅钢片上的偏置磁场H2为
H2＝Ni (4)
式中，N表示线圈匝数，i表示线圈上的电流。超磁致伸缩材料置于硅钢片的缺口处，因为超磁致伸缩材料的相对磁导率小于硅钢片的相对磁导率，所以超磁致伸缩材料上的磁场小于硅钢片上的磁场，超磁致伸缩棒(材料)上的磁场H3为
H3＝β1(H2+H1) (5)
式中，β1为磁路的漏磁系数。超磁致伸缩材料受到磁场的作用，会发生磁化，沿轴向拉伸，超磁致伸缩材料的位移量Δl1与磁场H3的对应关系为
Δl1＝k1H3h1 (6)
式中，k1是超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，h1为超磁致伸缩材料的高度。超磁致伸缩材料沿轴向拉伸导致不锈钢条发生形变，不锈钢条所受力F为
F＝k2·Δl1 (7)
式中，k2为不锈钢条的弹性系数。光纤布拉格光栅的应变量为
式中，L为不锈钢条长度，E为弹性模量，b0为不锈钢条固定端的宽度，h2为不锈钢条的厚度。
将公式(3)-公式(8)带入公式(2)，得到被测电流I与光纤布拉格光栅中心波长变化量之间的变化关系为
两根参数相同的光纤布拉格光栅粘在不锈钢条的两面，在同一温度环境下，温度引起的两光纤布拉格光栅的波长变化量大小相等，但是电流产生磁场进一步使上下两根光纤布拉格光栅产生拉伸和压缩的应变。产生拉伸应变的光纤布拉格光栅波长变化量ΔλB1和产生压缩应变的光纤布拉格光栅波长变化量ΔλB2分别为
因此用两个光纤布拉格光栅的波长变化量相减，即可去除温度的影响，得到相减后光纤布拉格光栅的波长变化量为
δλ＝ΔλB1-ΔλB2＝2λB(1-Pe)(KI+b) (12)
其中
式(12)表明，通过解调仪得出两光纤布拉格光栅波长的变化量，即可得出被测电流I，且测量不受温度的影响。
综上所述，本发明的环形结构的光纤电流传感器可以消除温度对测量结果的影响，得到准确的测量结果。
需要说明的是，上面的说明均是以特定的实施方法进行的，但是这并不能解释为对本发明的限制，对于本领域技术人员来说，在上述公开的基础上进行的各种公知的变形及改进均处于本发明的保护范围内。
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