专利名称：光纤电流传感器的传感头及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤电流传感器的传感头及其制作方法，涉及光纤传感器领域。
背景技术：
光纤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、非绝缘 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，也使得测量系统的结构 复杂、成本高昂。为此，结构简单、安全可靠、成本低廉的高压电流传感器成为研究 热点，全光纤高压电流传感器具备这些优点，成为研究热点之一。
目前光纤电流传感器使用的测量方法主要有光的偏振态测量法、光的干涉测量法
和波长调制测量法。光的偏振态测量主要基于法拉第磁光效应，使用磁光晶体(如BGO 晶体)对光的偏振态进行测量，是其中研究相对成熟的传感器，已经有商品应用。但 是受材料本身性质的影响，其测量范围和精度都受到限制，并且安装困难。光的干涉 测量法主要是利用外场改变相干光的光程差进行测量，主要有基于迈克耳逊干涉仪的 测量和基于马赫增德干涉仪的测量。波长调制测量法是对光的波长进行测量从而获取 外场信号的测量方法。主要有基于光纤光栅和法布里一珀罗干涉仪的测量，用到波长 解调技术。这几种传感器虽然理论上能满足测量要求，但是其对外部环境要求较高， 在实际应用中由于无法克服外界环境的干扰问题，特别是温度、振动的影响，所以这 一直困扰着光纤电流传感器的发展。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光纤电流传感器的传感头及其制作方法，是一种集温度和振动补偿为一体的光纤电流传感器的传感头。 技术方案
本发明的技术特征在于两根同种等长的单模光纤以多匝环绕方式对称固定在一 个正方形的磁致伸縮材料的上下表面上，环绕方向相互垂直，两个表面呈现正交网状; 所述的多匝环绕方式为光纤从正方形的磁致伸縮材料边沿平行于边开始第一匝，下 一匝回环过来平行于上一匝沿材料从外到里继续环绕，依次重复到正方形的磁致伸縮 材料的中间后，光纤的回环方向改向另一侧，从正方形的磁致伸縮材料中间依次往边 沿环绕与上半部形成对称环绕方式；所述的光纤环绕匝数在磁致伸縮材料表面时为奇 数匝，沿伸在正方形的磁致伸縮材料外部的环绕光纤匝数为偶数匝；所述单模光纤的 输出输入端口和上一个面的输出输入端在正方形的磁致伸縮材料上的位置一一对应在 材料的同一个角。
所述的单模光纤多匝环绕间距均匀，光纤匝束为5-100且布满正方形的磁致伸縮材 料表面。
所述的单模光纤沿伸在材料外部的光纤与上个面的延伸光纤置于同一弧形上组成 一个圆形，两侧光纤束分别紧拢在一起，用包皮包裹，处于同一圆弧上，且和材料处 于同一平面内，形成轴对称。
所述的正方形的磁致伸縮材料的边长为1 5cm，厚度为l~3mm。
所述的单模光纤采用粘贴在磁致伸縮材料表面上。
一种光纤电流传感器传感头的制作方法，其特征在于步骤如下
1、 据测量值和测量精度要求选取边长为l~5cm的正方形的磁致伸縮材料，厚度 1 3mm。
2、 将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁。3、 截取两根同种等长的单模光纤l~5m，将其用酒精擦洗干净。
4、 将准备好的黏胶均匀涂到磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤多匝 (5~100)环绕对称粘贴在材料一个表面上，待其凝结。
5、 步骤4中粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重复 步骤4，只是光纤纵向的粘贴方向要和前一面的粘贴方向垂直，即两根光纤在两个表 面是正交粘贴。
所述测量值和测量精度要求选取适当大小的严格正方形的磁致伸縮材料，厚度 1 2mm包含以下步骤
a、 选取磁致伸縮系数和线性工作区间满足测量要求的磁致伸縮材料；
b、 磁致伸縮材料的磁致伸縮方向必须与正方形一边平行，与另一方向的边垂 直；
c、 材料厚度小，导热快，温度场可在短时间内达到平衡，l~3mm为宜。 所述将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁包含以下步骤
a、 在磁致伸縮材料的上下表面喷上脱脂液，擦拭干净；
b、 然后用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨；
c、 最后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。 所述截取两根同种等长的单模光纤，将其用酒精擦洗干净包含以下步骤
a、 所用光纤温度特性均匀；
b、 截取的两根同种光纤长度尽可能的相等；
c、 选取适用于所用光源传输的光纤，且是低损耗单模光纤。 所述将准备好的黏胶均匀涂到磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤多匝环
绕对称粘贴在材料一个表面上，待其凝结包含以下步骤a、 用热膨胀小，凝固强度大，结构稳定，不易老化变质的黏胶；
b、 黏胶均匀的涂在平整光洁后的磁致伸縮材料表面；
C、光纤环绕粘贴磁致伸縮材料表面时，在材料上粘贴时，光纤从材料边沿平行于 边开始粘贴第一匝，下一匝回环过来平行于上一砸沿材料从外到里继续粘贴，依次重 复。到粘贴匝数到一半时，光纤粘贴到了材料中间，接下来光纤的回环方向改向另一 侧，从材料中间依次往边沿重复以上粘贴光纤的方式到完成。粘贴的光纤间距均匀， 布满材料表面。沿伸在材料外部未粘贴在材料上的环绕光纤，按匝数对等分成两束对 称分布于材料两侧，两侧光纤束分别紧拢在一起，用包皮包裹，处于同一圆弧上，且 和材料处于同一平面内，形成轴对称。
所述步骤4中粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重
复步骤4，只是光纤的粘贴方向要和前一面的光纤粘贴方向垂直，即两根光纤在两个表面是正交网状粘贴包含以下步骤
a、 这个面的光纤粘贴要和上一个面的粘贴形式相同，但是光纤的输出输入端口和
上一个面的输出输入端在材料上的位置一一对应，在材料的同一个角；
b、 沿伸在材料外部未粘贴的光纤与上个面的延伸光纤置于同一弧形上组成一个圆 形，保持结构的对称性；
c、 为方便使用，分别在光纤的输入输出四个端口结上跳线，可以方便连接。 有益效果
本发明提供的光纤电流传感器的传感头及其制作方法，设计上实现了完全对称的 结构，解决了这类传感器对外界温度和振动环境干扰而不稳定的问题，对利用马赫曾
德干涉仪测量提供了对称解调条件。其次该装置根据测量要求改变测量精度和测量范 围，可以通过改变磁致伸縮材料边长大小和粘贴光纤匝数来实现，优于传统电磁式传感器；然后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；再次该方法使得装置简单、小巧、易实现且成本非常低廉，有传统 电磁式传感器无法比拟的优点；最后该设计使得装置在挂网运行上方便、简单、易操 作，且末端有成熟的马赫曾德解调技术，易实现应用。
图l:本发明中光纤在正方形磁致伸縮材料表面的环绕方式
图2:本发明中光纤在正方形磁致伸縮材料另一个表面的环绕方式
图3:本发明实施例中光纤在正方形磁致伸縮材料表面的环绕方式
图4:本发明实施例中光纤在正方形磁致伸縮材料另一个表面的环绕方式
图5:本发明实施例立体图
l-光纤；2-正方形的磁致伸縮材料
具体实施例方式
现结合附图对本发明作进一步描述 实施例1
所述光纤电流传感器传感头的设计装置步骤为1、选取边长为2cm的正方形的 磁致伸縮材料，厚度2mm; 2、将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁；3、截取 两根同种等长的单模光纤4m，将其用酒精擦洗干净；4、将准备好的黏胶均匀涂到磁 致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤41匝环绕对称粘贴在材料一个表面上，待其 凝结；5、步骤4中粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重 复步骤4，只是光纤的粘贴方向要和前一面光纤的粘贴方向垂直，即两根光纤在两个
表面是正交网状粘贴。
所述选取边长为2cm的正方形的磁致伸縮材料，厚度2mm的步骤1，它包含以下步骤a、选取的磁致伸縮材料磁致伸縮系数和线性工作区间须满足测量要求，用超磁
致伸縮材料Tbo.3()Dy,FeL95，工作的磁场线形区间为20毫特一IOO毫特，尺度为 20mmx20mmx2mm; b、磁致伸縮材料的磁致伸縮方向与正方形一边平行，与另一个 方向的边垂直；c、材料厚度选用2mm。
所述将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁步骤2，它的实施过程为在磁 致伸縮材料的上下表面喷上脱脂液，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。最后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。
所述截取同种等长的光纤4m，将其用酒精擦洗干净步骤3，它的实施过程为 a、选用温度特性均匀低损耗的单模光；b、光纤是适用于所用光波波段传输的光纤， 所用光源波长为632.8nm氦氖激光；c、截取的两根同种光纤长度都为4米。
所述将准备好的黏胶均匀涂到磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤多匝环 绕对称粘贴在材料一个表面上待其凝结步骤4，实施过程为a、选用热膨胀小，凝固 强度大，结构稳定，不易老化变质的黏胶AB胶；b、黏胶均匀的涂在平整光洁后的磁 致伸縮材料表面；c、光纤环绕粘贴磁致伸縮材料表面时，粘贴匝数为41匝，粘贴在 材料上的光纤段与材料的一边(磁致伸縮材料的伸縮方向)平行，光纤间均匀、紧凑 且布满材料表面。沿伸在材料外部未粘贴在材料上的环绕光纤为40匝，按匝数对等分 成各20匝的两束对称分布于材料两侧，两侧光纤束分别紧拢在一起，用包皮包裹，处 于同一圆弧上，且和材料处于同一平面内，形成轴对称。
所述粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重复步骤4， 只是光纤的粘贴方向(垂直于磁致伸縮材料的伸縮方向)要和前一面的光纤粘贴方向 垂直，即两根光纤在两个表面是正交网状粘贴步骤5实施过程为a、下一个粘贴面的 光纤粘贴要和上一个面的粘贴形式相同，但是光纤的输出输入端口和上一个面的输出输入端在材料上的位置一一对应，在材料的同一个角；b、沿伸在材料外部未粘贴的光 纤与上个面的延伸光纤置于同一弧形上组成一个圆形，保持结构的对称性；C、在光纤 的输入输出四个端口可都接上跳线方便使用。即完成了设计，得到了光纤电流传感器 的传感头。
实施例2
所述光纤电流传感器传感头的设计装置步骤为1、选取边长为1.5cm的正方形的 磁致伸縮材料，厚度1.5mm; 2、将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁；3、截 取两根同种等长的单模光纤3m，将其用酒精擦洗干净；4、将准备好的黏胶均匀涂到 磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤31匝环绕对称粘贴在材料一个表面上，待 其凝结；5、步骤4中粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面 重复步骤4，只是光纤的粘贴方向要和前一面光纤的粘贴方向垂直，即两根光纤在两 个表面是正交网状粘贴。
所述选取边长为1.5cm的正方形的磁致伸縮材料，厚度lmm的步骤l，它包含以 下步骤a、选取的磁致伸縮材料磁致伸縮系数和线性工作区间须满足测量要求，用超 磁致伸縮材料TbG.3oDyo.7()FeL95，工作的磁场线形区间为20毫特一100毫特，尺度为 15mmxl5mmxlmm; b、磁致伸縮材料的磁致伸縮方向与正方形一边平行，与另一个 方向的边垂直。
所述将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁步骤2，它的实施过程为在磁 致伸縮材料的上下表面喷上脱脂液，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。最后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。 所述截取同种等长的保偏光纤，将其用酒精擦洗干净步骤3，它的实施过程为 a、选用温度特性均匀低损耗的单模包偏光纤；b、光纤是适用于所用光波波段传输的光纤，所用光源波长为1550nm的红外激光；c、截取的两根同种光纤长度都为3米。 所述将准备好的黏胶均匀涂到磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤多距环 绕对称粘贴在材料一个表面上待其凝结步骤4，实施过程为a、选用热膨胀小，凝固
强度大，结构稳定，不易老化变质的黏胶AB胶；b、黏胶均匀的涂在平整光洁后的磁
致伸縮材料表面；c、光纤环绕粘贴磁致伸縮材料表面时，粘贴匝数为30匝，粘贴在 材料上的光纤段与材料的一边(磁致伸縮材料的伸縮方向)平行，光纤间均匀、紧凑 且布满材料表面。沿伸在材料外部未粘贴在材料上的环绕光纤为30匝，按匝数对等分 成各15匝的两束对称分布于材料两侧，两侧光纤束分别紧拢在一起，用包皮包裹，处 于同一圆弧上，且和材料处于同一平面内，形成轴对称。
所述粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重复步骤4， 只是光纤的粘贴方向(垂直于磁致伸縮材料的伸縮方向)要和前一面的光纤粘贴方向 垂直，即两根光纤在两个表面是正交网状粘贴步骤5实施过程为a、下一个粘贴面的 光纤粘贴要和上一个面的粘贴形式相同，但是光纤的输出输入端口和上一个面的输出 输入端在材料上的位置一一对应，在材料的同一个角；b、沿伸在材料外部未粘贴的光 纤与上个面的延伸光纤置于同一弧形上组成一个圆形，保持结构的对称性；c、光纤的 输入输出四个端口可两两对应(入口对入口，出口对出口)用环行器耦合进一根光纤， 这样结构更加对称，只是要选择另选末端解调方法。
实施例3
所述光纤电流传感器传感头的设计装置步骤为1、取两块边长为lcm的正方形 的磁致伸縮材料，厚度lmm; 2、分别将两块磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光 洁；3、截取两根同种等长的单模光纤2m，将其用酒精擦洗干净；4、将准备好的黏胶 均匀涂到一块磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤41匝环绕延材料磁致伸縮方向对称粘贴在材料一个表面上，待其凝结；5、用另一根光纤在另一块磁致伸縮材料的 一个表面重复步骤4
所述选取边长为lcm的正方形的磁致伸縮材料，厚度lmm的步骤1，它包含以下 步骤a、选取的磁致伸縮材料磁致伸縮系数和线性工作区间须满足测量要求，用超磁 致伸縮材料Tba3()Dya7()Fe,.95，工作的磁场线形区间为20毫特一100毫特，尺度为 10mmxlOmmxlmm; b、磁致伸縮材料的磁致伸縮方向与正方形一边平行，与另一方 向的边垂直。
所述将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁步骤2，它的实施过程为在磁 致伸縮材料的上下表面喷上脱脂液，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。最后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。
所述截取同种等长的光纤2m，将其用酒精擦洗干净步骤3，它的实施过程为 a、选用温度特性均匀低损耗的单模光；b、光纤是适用于所用光波波段传输的光纤， 所用光源波长为632.8nm氦氖激光。
所述将准备好的黏胶均匀涂到一块磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤41 匝环绕延材料磁致伸縮方向对称粘贴在材料一个表面上，待其凝结步骤4，实施过程 为a、选用热膨胀小，凝固强度大，结构稳定，不易老化变质的黏胶AB胶；b、黏 胶均匀的涂在平整光洁后的磁致伸縮材料表面；c、光纤环绕粘贴磁致伸縮材料表面时， 粘贴匝数为41匝，粘贴在材料上的光纤段与材料的一边(磁致伸縮材料的伸缩方向) 平行，光纤间均匀、紧凑且布满材料表面。沿伸在材料外部未粘贴在材料上的环绕光 纤为40匝，按匝数对等分成各20匝的两束对称分布于材料两侧，两侧光纤束分别紧 拢在一起，用包皮包裹，处于同一圆弧上，且和材料处于同一平面内，形成轴对称。
所述粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在另一个磁致伸縮材料的一个表面重复步骤4实施过程为a、光纤也延材料的磁致伸縮方向，但是两块材料要按光纤相互垂直 的方向叠放，两块材料的光纤输入输出端口仍保持位置一一对应，在同一个角方向；b、 两块材料上沿伸在外部未粘贴的光纤置于同一弧形上组成一个圆形，保持结构的对称 性；C、在光纤的输入输出四个端口可都接上跳线方便使用。即完成了设计，得到了光 纤电流传感器的传感头。
本发明基于马赫曾德干涉原理，用两根同种等长单模光纤作为马赫增德干涉仪的 两个臂，将两根光纤成正交网状分别粘贴在正方形磁致伸縮材料的上下表面，形成完 全对称的两臂，该结构使粘贴在磁致伸縮材料上的光纤各点都得到了温度和振动补偿， 使干涉仪两臂处于同一种环境中，利用电流的磁效应和磁致伸縮材料单方向上的磁滞 伸縮效应，使得粘贴在磁致伸縮材料上作为测量臂的光纤产生应变，再利用电流、磁 场及磁致伸縮材料的伸縮量之间数学上的线性关系达到测量电流的目的。
权利要求
1. 一种光纤电流传感器的传感头，其特征在于两根同种等长的单模光纤以多匝环绕方式对称固定在一个正方形的磁致伸缩材料的上下表面上，环绕方向相互垂直，两个表面呈现正交网状；所述的多匝环绕方式为光纤从正方形的磁致伸缩材料边沿平行于边开始第一匝，下一匝回环过来平行于上一匝沿材料从外到里继续环绕，依次重复到正方形的磁致伸缩材料的中间后，光纤的回环方向改向另一侧，从正方形的磁致伸缩材料中间依次往边沿环绕与上半部形成对称环绕方式；所述的光纤环绕匝数在磁致伸缩材料表面时为奇数匝，沿伸在正方形的磁致伸缩材料外部的环绕光纤匝数为偶数匝；所述单模光纤的输出输入端口和上一个面的输出输入端在正方形的磁致伸缩材料上的位置一一对应在材料的同一个角。
2. 根据权利要求1所述的光纤电流传感器的传感头，其特征在于所述的单模光纤多 匝环绕间距均匀，光纤匝束为5 100且布满正方形的磁致伸縮材料表面。
3. 根据权利要求1或2所述的光纤电流传感器的传感头，其特征在于所述的单模光 纤沿伸在材料外部的光纤与上个面的延伸光纤置于同一弧形上组成一个圆形，两侧 光纤束分别紧拢在一起，用包皮包裹，处于同一圆弧上，且和材料处于同一平面 内，形成轴对称。
4. 根据权利要求1所述的光纤电流传感器的传感头，其特征在于所述的正方形的磁致伸缩材料的边长为1 5cm，厚度为1 3mm。
5. 根据权利要求1所述的光纤电流传感器的传感头，其特征在于所述的单模光纤 采用粘贴在磁致伸縮材料表面上。
6. —种光纤电流传感器传感头的制作方法，其特征在于步骤如下(1) 选取边长为l~5cm的正方形的磁致伸縮材料，厚度为1 3mm，(2) 将磁致伸縮材料的上下两表面进行平整光洁；(3) 截取两根同种等长的单模光纤l 5m，将其用酒精擦洗干净；(4) 将黏胶均匀涂到磁致伸縮材料的一个表面，将其中一根光纤按照多匝环绕方式 多匝环绕对称粘贴在材料一个表面上，待其凝结，匝数为5 100;(5) 步骤4中粘贴的光纤稳定后，用另一根光纤在磁致伸縮材料的另一个表面重复 步骤4，只是光纤纵向的粘贴方向要和前一面的粘贴方向垂直，即两根光纤在两 个表面是正交粘贴。
全文摘要
本发明涉及一种光纤电流传感器的传感头及其制作方法，技术特征在于两根同种等长的单模光纤以多匝环绕方式对称固定在一个正方形的磁致伸缩材料的上下表面上，环绕方向相互垂直，两个表面呈现正交网状；所述的光纤环绕匝数在磁致伸缩材料表面时为奇数匝，沿伸在正方形的磁致伸缩材料外部的环绕光纤匝数为偶数匝；所述单模光纤的输出输入端口和上一个面的输出输入端在正方形的磁致伸缩材料上的位置一一对应在材料的同一个角。有益效果本装置简单、小巧、易实现且成本非常低廉，有传统电磁式传感器无法比拟的优点；最后该设计使得装置在挂网运行上方便、简单、易操作，且末端有成熟的马赫曾德解调技术，易实现应用。
文档编号G02B6/255GK101285856SQ200810017878
公开日2008年10月15日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者刘德峰, 周王民, 李文博, 魏光虎, 魏志武 申请人:西北工业大学