专利名称：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-ffhee 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勻各向同性介质，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
ο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
3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. ffillshire, 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。
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。
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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 = O(b)被测电流 I = 0. 3A(C)被测电流 I = 0.5A
具体实施例方式本发明提出的光纤光栅电流测量方法，结合
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勻)，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
— Δ/Ιβ, = ^j- bn (S-V1)-Pnd ++ Pn 0 + 5^)]} (1)式中，A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， η0,χ和no,y分别为两个正交方向上的初始的有效折射率，P11和P12为光纤的弹光系数屯和 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，
5如公式(2)所示
权利要求
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(1 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00)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(1 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(22)，而后被输出与显示单元处理。
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OO)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。
全文摘要
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。
文档编号G01R19/00GK102156213SQ20111007135
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者宋婷婷, 赵勇 申请人:东北大学