专利名称：一种电流互感器及电流检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子应用领域，尤其涉及一种电流互感器及电流检测系统。
背景技术：
光学电流互感器根据互感器部分是否需要电源，可分为有源型和无源型。无源型即互感器部分没有电源供电的光电电流测量装置，它以光学元件作为电流传感元件，当外界信息与光学介质中传播的光波发生相互作用时，将改变光波的某种参数(如强度、频率、波长、相位或偏振态等)，即利用该参数对外界信息加以调制。目前已有强度调制型、相位调制型和偏振态调制型无源光电电流互感器问世。但是由于光学元件本身的稳定性和可靠性，以及易于受外界环境影响的特点，光学电流互感器的实用化研究进展缓慢。
最早出现的是偏振态调制型的光学电流互感器，基于法拉第磁光效应原理工作，当线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面将会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转，通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，间接地测量出导体中的电流值。这种方法也是现在最趋向于实用化的光学电流互感器，这种方法的特点是线性度好，灵敏度较高，绝缘性能好。而缺点是准确度和稳定性受温度、振动的影响。
另外一种方法是基于电磁感应的混合式光学电流互感器，主要是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，利用有源器件调制取样信号，以光纤作为信号传输媒质，把高压侧变换的光信号传输到接收侧进行信号处理，从而得到被测电流信息。利用电磁式互感器作为传感头，将其信号通过光纤传输到控制室。它既可以解决高压隔离问题，又使系统简单紧凑。对光信号的调制可以采用频率调制、波长调制及强度调制等多种方法。光纤作为信号传输媒质，不用作传感元件，从而避免了光学传感头存在的温度和振动问题。但是这种方法的传感头是有源结构，需要提供电功率，这是一个困难，而当电流较小时，Rogowski线圈电流互感器的取样灵敏度相对较小，输出的电压信号变得很弱。小电流时的微弱信号处理也是Rogowski线圈电流互感器面临的难点问题。另外Faraday电磁感应原理是Rogowski线圈电流互感器的传感基础，这就决定了 Rogowski线圈电流互感器不能测量稳恒直流，对于变化比较缓慢的分量，比如非周期分量，也不能保证测量精度。
现在新出现了一种利用光纤Bragg光栅和超磁致伸縮材料配合进行电流测量的方法，基本原理是利用光纤Bragg光栅的中心波长偏移与其轴向应变在一定范围内成正比的特性，让被测电流通过螺线圈转化成磁场，磁场作用于放置在其中的超磁致伸縮材料转化成材料的形变，这个形变作用在Bragg光纤光栅上，使得Bragg光纤光栅受到轴向的应变，使得Bragg波长产生变化，就可以通过测量Bragg光纤光栅的中心波长偏移，进一步测出电流量。这个方法的优点是本身是对波长进行测量，故而不存在其它光学测量方法的线性双折射问题和偏振态变化问题，但是这种方法存在响应线性度不足和受磁场影响有磁滞作用等问题，同时由于Bragg光纤光栅受温度影响中心波长也会产生偏移，而且超磁致伸縮材料、粘贴材料等受热也会产生膨胀，这种膨胀也会带来Bragg光纤光栅的轴向的应变带来Bragg光纤光栅中心波长的偏移，因此这些都会影响到测量过程中的稳定性和精度误差率。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施例提供了 一种电流互感器和电流检 测系统，通过双光纤光栅互感器的设计，解决了现有技术中测量过程中稳定性和精度误差 率的问题。 为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种电流互感器，包括传感头，所述
传感头包括超磁致伸縮材料和两条光纤光栅，所述光纤光栅分别位于超磁致伸縮材料的上
表面和下表面，所述两条光纤光栅相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面层。 相应的，本发明还提出了一种电流检测系统，包括宽带光源设备、检测设备、电流
互感器，所述宽带光源设备与检测设备通过耦合器与互感器连接，所述电流互感器包括传
感头，所述传感头包括超磁致伸縮材料和两条光纤光栅，所述光纤光栅分别位于超磁致伸
縮材料的上表面和下表面，所述两条光纤光栅相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面层。 实施本发明实施例，本实施例通过光纤Bragg光栅的良好的应变传感特性和超磁
致伸縮材料的良好伸縮性能来设计电流互感器，通过双光纤光栅进行温度补偿，使光纤光
栅和磁致伸縮材料得到线性的、高效的、稳定的工作状态，测试结果良好。
图1为本发明实施例中的电流检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的电流互感器中传感头的结构示意图；
图3为本发明实施例中的电流互感器施加预应力设备结构示意图。
具体实施例方式
本发明实施例提供了一种电流互感器和电流检测系统，通过双光纤光栅互感器的
设计，解决了现有技术中测量过程中稳定性和精度误差率的问题。。 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 首先请参阅图l，图l示出了本发明实施中的电流检测系统的结构示意图，该电流 检测系统包括了宽带光源设备101、检测设备102、电流互感器104、耦合器103、被检测电流 106，其中电流互感器104用于感应被检测电流106电流信号，宽带光源设备101用于向电 流互感器提供宽带光源。这里的电流互感器104包括传感头，该传感头包括超磁致伸縮材 料和两条光纤光栅，该光纤光栅分别位于超磁致伸縮材料的上表面和下表面，该两条光纤 光栅相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面层。
宽带光信号从宽带光源设备ioi产生后，通过光纤传输，进入到分光比为i : i的
耦合器后分出一路光到达传感器，光纤Bragg光栅反射满足Bragg波长条件的光波回到耦 合器103，耦合器103分出一路光被检测设备102检测，记录中心波长。在电流互感器104 部分，随着加载的电流不同，线圈产生的磁场不同，电流互感器104上的超磁致伸縮材料的 伸縮量不同，这样传导到光纤Bragg光栅的应变量就不同，相应的光纤光栅的Bragg波长就 会改变，通过观察光谱仪测得的数据，就可以看到被测量和Bragg波长变化的关系。
需要说明的是，这里的电流互感器104可以直接感应被检测电流106处的电流信号产生的磁场，也可以将被检测电流106的电流信号通过螺线圈105来产生一个稳定的磁场，将电流互感器104容置于螺线圈105中。需要说明的是，这里的检测设备102为一个光谱仪。 这里螺线圈105产生的磁场和螺线圈105通过的电流量是线性的关系，超磁致伸縮材料的伸縮量和磁场大小在一定范围是线性的，而应变量和光纤光栅的Bragg波长的偏移也是线性的关系，所以最终可以根据光谱仪的变化测得螺线圈上加载的直流电流。如果是强电流通过螺线圈105，那么螺线圈105的匝数可以相应的减少，使得产生的磁场仍然保持在一定的范围内，在这个范围内使得超磁致伸縮材料的伸縮量仍然与磁场成线性关系。
相应的，图2示出了本发明实施例中的电流互感器中传感头的结构示意图，本发明实施例中传感头采用的是方形的超磁致伸縮材料和两条Bragg光纤光栅，将用于测量的光纤光栅沿着超磁致伸縮材料的H方向粘贴，将另外一条用做补偿的光纤光栅沿着与H方向相垂直的方向粘贴。 由于电流和产生的磁场强度是成正比的，磁场强度作用在磁致伸縮材料上，材料的形变和磁场强度成正比，材料的形变作用在贴在材料上面的光纤光栅上，形变和光纤光栅反射的中心波长的漂移成正比，利用光谱仪测量到的中心波长的漂移量可以测量出产生磁场的电流值。实施本发明实施例中技术方案，光纤光栅的中心波长漂移除了受到磁致伸縮材料的形变影响外还会受到外界的温度变化的影响，而温度本身也会导致磁致伸縮材料产生形变，本发明实施例通过双光纤光栅(一条光纤里面做的两个光栅，反射中心波长不同，但是材料相同，故物理性质相同)正交贴在正方形的磁致伸縮材料的两面的办法，测量结果为两个光纤光栅的中心波长漂移量的差，这样能有效的消除温度的影响(因为温度对两个光纤光栅和磁致伸縮材料的影响是一样的，可以通过相减消除)并由于温度影响形变因子成反向，这样还加大了磁致伸縮的形变量，这样就能一定程度提高了测量精度。
相应的，图3示出了本发明实施例中电流互感器施加预应力设备结构示意图，由于需要在超磁致伸縮材料的H方向上加上均匀的力，使得施加在这两个矩形面上的压强比较均匀，并且是面与面接触的对超磁致伸縮材料施加压力，需要一定的结构设计的施加预应力，该预应力设备左边为一螺丝，螺腔内放置一强力弹簧，弹簧右方放置一平面(左平面)，扭动螺丝压迫弹簧，弹簧推动左平面，在机构右边为另一平面(右平面)，两平面夹住超磁致伸縮材料，右平面和机构相连的部分采用两个半圆面，使得其角度可调，这样使得右平面和超磁致伸縮材料的平面为均匀的面接触。通过调节螺丝的量可以控制左平面压迫超磁致伸縮材料的力的大小，从而控制施加在超磁致伸縮材料上的压强。因为螺丝的弹性系数是已知的，通过其形变的量和超磁致伸縮材料的侧面积可以求得各种压力情况下施加在超磁致伸縮材料上的压强，进而测量在各种压强条件下的磁致伸縮系数的情况。然而由于考虑到两平面完全接触为理想情况下，实际接触的仍然为一线或非完全的平面，故本文未定量的测量压力和压强大小，只是沿着螺丝方向进行了定性测量，找到使得磁致伸縮系数最大的压强，并在这个压强下进行其它的各种测试。 需要说明的是，本发明实施例中的超磁致伸縮材料可以是铽镝铁磁致伸縮合金，也可以是其它方式的合金。 实施本发明实施例，本实施例通过光纤Bragg光栅的良好的应变传感特性和超磁致伸縮材料的良好伸縮性能来设计电流互感器，通过双光纤光栅进行温度补偿，使光纤光栅和磁致伸縮材料得到线性的、高效的、稳定的工作状态，测试结果良好。 以上所揭露的仅为本发明实施例中的一种较佳实施例而己，当然不能以此来限定
本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
权利要求
一种电流互感器，包括传感头，其特征在于，所述传感头包括超磁致伸缩材料和两条光纤光栅，所述光纤光栅分别位于超磁致伸缩材料的上表面和下表面，所述两条光纤光栅相互交叉在超磁致伸缩材料的不同表面层。
2. 如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，所述超磁致伸縮材料为铽镝铁磁致 伸縮合金。
3. 如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，所述两条光纤光栅位于同一个光纤 中，所述光纤通过耦合器分别连接宽带光源设备和检测设备。
4. 如权利要求1至3任一项所述的电流互感器，其特征在于，所述传感头还包括一用于 面对面接触对超磁致伸縮材料施加压力的施加预应力设备。
5. —种电流检测系统，包括宽带光源设备、检测设备、电流互感器，所述宽带光源设备 与检测设备通过耦合器与互感器连接，其特征在于，所述电流互感器包括传感头，所述传感 头包括超磁致伸縮材料和两条光纤光栅，所述光纤光栅分别位于超磁致伸縮材料的上表面 和下表面，所述两条光纤光栅相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面层。
6. 如权利要求5所述的电流检测系统，其特征在于，所述两条光纤光栅位于同一个光 纤中，所述光纤通过耦合器分别连接宽带光源设备和检测设备。
7. 如权利要求5所述的电流检测系统，其特征在于，所述超磁致伸縮材料为铽镝铁磁 致伸縮合金。
8. 如权利要求5所述的电流检测系统，其特征在于，所述传感头还包括一用于面对面 接触对超磁致伸縮材料施加压力的施加预应力设备。
9. 如权利要求5至8任一项所述的电流检测系统，其特征在于，所述电流检测系统还包 括一螺线圈，所述电流互感器容置于所述螺线圈内。
10. 如权利要求9所述的电流检测系统，其特征在于，所述检测设备为光谱仪。
全文摘要
本发明公开了一种电流互感器，包括传感头，所述传感头包括超磁致伸缩材料和两条光纤光栅，所述光纤光栅分别位于超磁致伸缩材料的上表面和下表面，所述两条光纤光栅相互交叉在超磁致伸缩材料的不同表面层。本发明还公开了一种电流检测系统，通过实施本发明实施例，通过双光纤光栅进行温度补偿，使光纤光栅和磁致伸缩材料得到线性的、高效的、稳定的工作状态，测试结果良好。
文档编号G01R15/14GK101710148SQ200910188768
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者左菁, 张准, 洪应娇, 熊建文 申请人:华南师范大学