专利名称：光纤光栅温度电流传感器及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅温度电流传感器，属于光纤传感器件技术领域。
背景技术：
随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。光纤光栅除了在光通信领域的巨大应用外，在传感领域同样存在极大的应用前景，目前光纤光栅传感器已应用于各种物理量的测量，如温度、应变、电压、电流、微振动等。
在电力系统中目前仍在使用的传统的油浸式电流和电压互感器，存在体积大、成本高、易过热导致爆炸等诸多不足，而基于光纤的电流电压传感器则完全克服了这些缺点。基于法拉第效应的光纤电流传感器和基于Kerr效应的光纤电压传感器在国内外已有20多年的研究历史，但是这些传感器的研发与实际应用目前仍不尽人意。目前，国内外所研究的光纤电流传感器都是通过穿过传感器的电流引起磁光介质，例如重火石玻璃、保偏光纤等光偏振角的变化，进而引起光强的变化来实现对电流的监测。然而，通常磁光介质的法拉第系数均较小，从而造成了最终器件的体积仍较大，不能批量生产而缺乏成本优势，并且存在光偏振角随电流的变化不灵敏等缺点。
另一方面，由于电力系统中使用的电流电压互感器通常放置于室外，受外界环境温度的影响较大。而通常的光纤电流电压互感器无法同时测出环境温度，需要单独的温度传感器进行测试，从而导致系统复杂，体积较大的缺点。因此需要开发出一种能进行温度与电流同时测量的传感系统。
发明内容
本发明的目的在于针对传统的油浸式电流电压互感器存在体积大、成本高、易过热导致爆炸的不足，以及现有的光纤电流电压互感器存在的光偏振角随电流变化不灵敏、成本高，无法进行多参量测量的缺点，提出了一种光纤光栅温度电流传感器及其测量装置。这种光纤光栅温度电流传感器及其测量装置可以同时进行温度以及电流双参量的测量，具有器件体积小，重量轻，电绝缘性能好，易于安装，不需要外加电源以及成本低等优点，适合于电力系统中交流电流的测量。
本发明采用以下技术方案实现的光纤光栅温度电流传感器，其特征在于它由光纤光栅和交流电流螺线管构成，部分光纤光栅直接裸露在大气环境中，另一部分光纤光栅表面设置有金属导体，金属导体形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管内部。
其工作原理是由于待测的交变电流产生交变的磁场，而交变的磁场在光纤光栅表面闭合的金属导体上产生变化的磁通，变化的磁通又在金属导体中产生感应电流，感应电流的方向垂直于磁通的方向，称为涡流。由于涡流的存在，使光纤光栅表面金属导体发热，并使与之相接触的这部分光纤光栅周期变长，从而其反射峰中心波长随之变大。而表面未镀制金属导体的部分光纤光栅则只受环境温度的影响而产生另一个中心波长较小的反射峰。因此光纤光栅具有两个反射峰，分别对应环境温度以及交流电流的大小，因此这种光纤光栅传感器可以同时测量温度与电流两个物理参量。
所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是均匀附在覆盖光纤光栅22表面，具有导电作用的金属物质23。
所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是一段细长金属圆筒33，通过导热胶粘接在覆盖光纤光栅32表面。
所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是具有螺旋结构的螺旋状金属导体43，缠绕在光纤光栅42表面。
所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述螺旋状金属导体43的圈数有多匝，线圈的匝数设置同线圈发热量呈正比。
所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于已设置有金属导体53的所述光纤光栅52缠绕成线圈形状，线圈两端的金属导体直接相连或者用一根导线连接起来。
本发明的光纤光栅温度电流传感器，所述的覆盖光纤光栅16表面附着的金属导体17，可以采用直接在光纤表面溅射、电镀或蒸发的工艺方法制作。
一种新型光纤光栅温度电流测量装置，该装置由宽带光源、光谱分析仪、具有分路功能的3dB耦合器或环形器以及光纤光栅温度电流传感器组成，特征在于其中的光纤光栅温度电流传感器由光纤光栅和交流电流螺线管构成，部分光纤光栅直接裸露在大气环境中，另一部分光纤光栅表面设置有金属导体，金属导体形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管内部。
有益的效果本发明针对传统的油浸式电流电压互感器存在体积大、成本高、易过热导致爆炸的不足，以及现有的光纤电流电压互感器存在的光偏振角随电流变化不灵敏、成本高，无法进行多参量测量的缺点，采用这种光纤光栅温度电流传感器及其测量装置可以同时进行温度以及电流双参量的测量，具有器件体积小，重量轻，电绝缘性能好，易于安装，不需要外加电源以及成本低等优点，适合于电力系统中交流电流的测量。
图1——本发明光纤光栅温度电流传感器结构示意图。其中，14光栅光纤，15裸露光纤光栅，16覆盖光纤光栅，17金属导体，18交流电流螺线管。
图2——本发明光纤光栅温度电流测量装置结构示意图。其中，11宽带光源，12光谱分析仪，13具有分路功能的3dB耦合器，14光栅光纤，15裸露光纤光栅，16覆盖光纤光栅，17金属导体，18交流电流螺线管。
图3——本发明实施例一表面均匀附着金属导体的光纤光栅温度电流传感器。其中，20光栅光纤，21裸露光纤光栅，22覆盖光纤光栅，金属导体23。
图4——本发明实施例二表面金属导体为细长金属圆管的光纤光栅温度电流传感器。其中，30光栅光纤，31裸露光纤光栅，32覆盖光纤光栅，33细长金属圆管，34导热胶。
图5——本发明实施例三表面金属导体成螺旋结构的光纤光栅温度电流传感器。其中，40光栅光纤，41裸露光纤光栅，42覆盖光纤光栅，43螺旋状金属导体。
图6——本发明实施例四表面设置有金属导体的光纤光栅缠绕成线圈形状的光纤光栅温度电流传感器。其中，50光栅光纤，51裸露光纤光栅，52线圈状光纤光栅，53金属导体。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参见图1。本发明的光纤光栅温度电流传感器如图1所示，它由制作有Bragg光栅的光栅光纤14和交流电流螺线管18构成，裸露光纤光栅15直接裸露在大气环境中，覆盖光纤光栅16表面设置有金属导体17，金属导体17形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管18内部。待测的交变电流产生交变的磁场，而交变的磁场在覆盖光纤光栅16表面闭合的金属导体17上产生变化的磁通，变化的磁通又在金属导体17中产生感应涡流电流。由于涡流电流的存在，使金属导体17发热，因而使与之相接触的这部分覆盖光纤光栅16周期变大，其反射中心波长发生红移。而表面未镀制金属导体的裸露光纤光栅15则只受环境温度的影响而产生另一个较短波长的反射峰。因此光栅光纤14具有两个反射峰，较短波长的反射峰对应传感器的环境温度，两个反射峰的波长间隔则与交流电流的大小相对应，因此这种传感器可以方便地同时测量温度与交流电流两个物理参量。
如图2所示为光纤光栅温度电流测量装置结构示意图，该测量装置由宽带光源11、光谱分析仪12、具有分路功能的3dB耦合器或环形器13以及传感器组成，其中的传感器由制作有Bragg光栅的光栅光纤14和交流电流螺线管18构成，裸露光纤光栅15直接裸露在大气环境中，覆盖光纤光栅16表面设置有金属导体17，金属导体17形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管18内部。其中的3dB耦合器具有四个光纤端口，其中端口13-1与宽带光源11连接，端口13-2与光谱分析仪12连接，端口13-3与光纤光栅14相连接，端口13-4悬空，并绕成一直径小于5mm的线圈。其中的3dB耦合器也可以采用环形器替代。
这种温度电流测量装置的工作过程如下由宽带光源11发出的光经过3dB耦合器或环形器进入制作有Bragg光栅的光栅光纤14中，被裸露光纤光栅15及覆盖光纤光栅16反射后又经过3dB耦合器或者环形器进入到光谱分析仪12。由于裸露光纤光栅15直接裸露在大气环境中，其对应的反射峰直接反映传感器所处的环境温度；覆盖光纤光栅16表面的金属导体17由于交流电流螺线管18所产生的涡流而发热，使得覆盖光纤光栅16的周期变长，其对应的反射峰发生红移，两个反射峰的波长间隔则与交流电流的大小一一对应。因而通过分析光谱分析仪上的两个反射峰，可以方便的实现温度与交流电流的测量。
如图3所示的部分光纤光栅表面均匀镀制金属导体的温度电流传感器为本发明的一种实施例，其中20是与待测电流的螺线管平行放置的制作有Bragg光栅的光栅光纤，21周期为a1的表面无金属导体覆盖的裸露光纤光栅，22周期为a2的表面覆盖有均匀金属导体23的覆盖光纤光栅。
该温度电流传感器具体结构如下在光栅光纤20上制作有裸露光纤光栅21和覆盖光纤光栅22，覆盖光纤光栅22的表面镀制有均匀的金属导体23，裸露光纤光栅21表面则不覆盖任何导体，直接裸露在大气中。光栅光纤20的一端采用环形器或者3dB耦合器等具有分路功能的器件分别连接宽带光源和光谱分析仪。本实施例的温度电流传感器工作过程为将裸露光纤光栅21和覆盖光纤光栅22放置在待测电流的导体螺线管内，将光栅光纤20的一端采用环形器或者3dB耦合器等具有分路功能的器件与宽带光源以及光谱分析仪连接起来，在光谱分析仪上可以显示出光纤光栅的两个反射峰，短波光谱对应于裸露光纤光栅21的反射峰，它反应的是环境温度，而长波光谱对应与覆盖光纤光栅22的反射峰，两反射光谱的波长间隔直接反应了交流电流的大小。
光纤光栅表面均匀镀制金属导体的温度电流传感器可以在金属导体的结构上有所变化，如图4所示实施例二，其中30是与待测电流的螺线管平行放置的制作有Bragg光栅的光栅光纤，31是周期为b1的表面无金属导体覆盖的裸露光纤光栅，32是周期为b2的表面通过导热胶34与细长金属圆管33相粘接的光纤光栅。该温度电流传感器工艺过程如下首先在光栅光纤30上制作裸露光纤光栅31和覆盖光纤光栅32，在覆盖光纤光栅32的表面用导热胶34粘接一段细长金属圆筒33，裸露光纤光栅31表面则不覆盖任何导体，直接裸露在大气中。将光栅光纤30的一段采用环形器或者3dB耦合器等具有分路功能的器件与宽带光源以及光谱分析仪连接起来。
为了提高待测电流的灵敏度，可以将光纤光栅外的金属导体做成螺旋状，如图5所示的实施例三，其中的裸露光纤光栅41和覆盖光纤光栅42均为制作在光栅光纤40上的Bragg光栅，而金属导体43为镀制在裸露光纤光栅42上的螺旋状的金属导体，金属导体43所缠绕的圈数可以根据设计需要确定。覆盖光纤光栅42表面金属导体43的回路是多匝线圈，当磁通量变化时，每匝线圈都将产生感应电动势。由于匝与匝之间是串连的，整个线圈的电动势就等于各匝所产生的电动势之和。经计算知，线圈的发热量与线圈的匝数呈正比。因此通过选择合适的线圈匝数，可以提高待测电流的灵敏度。
如图6所示的镀有金属导体的光纤光栅缠绕线圈的温度电流传感器为本发明的第四种实施例，其中50是制作有Bragg光栅的光栅光纤，51是周期为d1的表面无金属导体覆盖的裸露光纤光栅，52是周期为d2表面覆盖有均匀金属导体53并缠绕成线圈形状的覆盖光纤光栅。其具体结构为光栅光纤50上制作有裸露光纤光栅51和覆盖光纤光栅52，覆盖光纤光栅52表面镀制有金属导体53。镀有金属导体的覆盖光纤光栅53可以绕成一圈或者多圈线圈，金属导体的两端相互连接。光栅光纤50的一端可以采用环形器或者3dB耦合器等具有分路功能的器件分别连接宽带光源和光谱分析仪。其工作过程如下将光纤光栅线圈平行地置于待测电流的螺线管内。当待测电流的螺线管上的电流发生变化时激发起变化磁场，此变化的磁场会在闭合的光纤光栅金属导体线圈上产生感应电动势并产生感应电流，使得金属导体53发热并改变相应的覆盖光纤光栅52的周期。通过光谱分析仪可以监测裸露光纤光栅51以及覆盖光纤光栅52反射谱的中心波长，可以适时地测出环境温度以及交流电流的大小。
在以上实施例中，光纤光栅表面的金属导体，可以采用溅射、电镀或蒸发的工艺方法直接在光纤表面制作，也可以采用细长的金属导体套管或多匝金属螺线管用导热胶粘附在光纤光栅表面。
权利要求
1.一种光纤光栅温度电流传感器，其特征在于它由光纤光栅和交流电流螺线管构成，部分光纤光栅直接裸露在大气环境中，另一部分光纤光栅表面设置有金属导体，金属导体形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管内部。
2.如权利要求1所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是均匀附在覆盖光纤光栅表面，具有导电作用的金属物质。
3.如权利要求1所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是一段细长金属圆筒，通过导热胶粘接在覆盖光纤光栅表面。
4.如权利要求1所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述金属导体是具有螺旋结构的螺旋状金属导体，缠绕在覆盖光纤光栅表面。
5.如权利要求4所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于所述螺旋状金属导体的圈数有多匝，线圈的匝数设置同线圈发热量呈正比。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述光纤光栅温度电流传感器，其特征在于已设置有金属导体的覆盖光纤光栅缠绕成线圈形状，线圈两端的金属导体直接相连或者用一根导线连接起来。
7.一种新型光纤光栅温度电流测量装置，该装置由宽带光源、光谱分析仪、具有分路功能的3dB耦合器或环形器以及光纤光栅温度电流传感器组成，特征在于其中的光纤光栅温度电流传感器由光纤光栅和交流电流螺线管构成，部分光纤光栅直接裸露在大气环境中，另一部分光纤光栅表面设置有金属导体，金属导体形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管内部。
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅温度电流传感器，属于光纤传感器技术领域，其特征在于它由光纤光栅和交流电流螺线管构成，部分光纤光栅直接裸露在大气环境中，另一部分光纤光栅表面设置有金属导体，金属导体形成闭合回路，并放置于交流电流螺线管内部。由于交变电流在光纤光栅表面闭合的金属导体上产生涡流发热，使这部分光纤光栅周期发生变化，因此光纤光栅具有两个反射峰，分别对应环境温度以及交流电流大小，因而这种光纤光栅传感器可以同时测量温度与电流两个物理参量，具有器件体积小，重量轻，电绝缘性能好，易于安装，不需要外加电源等优点，适合于电力系统中交流电流的测量。
文档编号G01R19/00GK101033990SQ200710051719
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者王定理, 林谦, 刘 文 申请人:武汉光迅科技股份有限公司