一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统的制作方法

本申请涉及高频电流的测量领域，尤其涉及一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统。

背景技术：

由于光纤光栅只能感知到应变和温度，对于其它的一些物理量完全不敏感。光纤布拉格光栅(fiberbragggrating，fbg)传感技术已经成为光学传感技术中可靠性最高、实用性最强的传感技术。

目前的情况，用于测量光纤光栅传感器电流频率的装置是一种传感器探头的形状为长方体的传感器。这种具有长方体形状探头的传感器测量的光纤光栅传感器电流频率较低，不适用于高压大电流测量。随着电力工业对高压大电流测量的灵敏度要求越来越高，提高光纤光栅电流传感器的可测频率越来越重要。为了提高传感器的可测频率上限，提出一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统。

技术实现要素：

本申请提供了一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统，以解决现有系统中传感器的可测频率低的技术问题。

为了解决上述问题，本申请提供以下的技术方案:

一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统，包括光源子系统、传感子系统、解调子系统、光电转换子系统和数据采集子系统；光源子系统与耦合器的第一端电连接，耦合器的第二端与传感子系统电连接，耦合器的第三端与解调子系统的第一端电连接，解调子系统的第二端与光电转换子系统的第一端电连接，光电转换子系统的第二端与数据采集子系统电连接；传感子系统包括导磁回路、引导极和传感器探头，导磁回路的第一端与引导极的中间连接，引导极的边缘与传感器探头的第一端电连接，传感器探头的第二端与导磁回路的第二端电连接；导磁回路中嵌入钕铁硼材料，传感器探头包括传感器探头本体和连接体，传感器探头本体的中心处固定连接有连接体，传感器探头本体与连接体相互垂直，传感器探头的形状为t形；传感器探头本体为321不锈钢传感器探头本体，连接体为terfenol-d稀土合金连接体。

可选地，传感器探头本体的形状为长方体，连接体的形状为长方体。

可选地，光纤光栅粘贴于连接体的中心线上，中心线垂直于传感器探头本体。

可选地，传感子系统与被测电流发生器电连接。

一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统的测试过程，测试过程包括：

耦合器接收光源子系统发出的光，并将光耦合后传输给传感子系统中的光纤光栅；

被测电流发生器在导磁回路的作用下产生变化的磁场，并使传感器探头的连接体运动；

连接体的运动驱动传感器探头中光纤光栅的中心波长变化，并将光纤光栅的中心波长传输给耦合器；

耦合器将光纤光栅的中心波长和光源的光进行耦合，并传输给解调子系统；

解调子系统将光纤光栅的中心波长解调出来，将电信号转换为光信号，并传输给光电转换子系统；

光电转换子系统将光信号转换为电信号，并将电信号传输给数据采集子系统。

可选地，解调子系统采用的方法为扫频波长解调法。

有益效果：本申请提供了一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统，该传感器系统包括光源子系统、传感子系统、解调子系统、光电转换子系统和数据采集子系统。各个子系统之间的连接关系如下：光源子系统与耦合器的第一端电连接，耦合器的第二端与传感子系统电连接，耦合器的第三端与解调子系统的第一端电连接，解调子系统的第二端与光电转换子系统的第一端电连接，光电转换子系统的第二端与数据采集子系统电连接。使用过程中，传感子系统中光纤光栅的中心波长变化，并传输给解调子系统；解调子系统将光纤光栅的中心波长解调出来，并传输给光电转换子系统，最后传输给数据采集子系统。传感子系统包括导磁回路、引导极和传感器探头。传感子系统中各个部件之间的连接关系如下：导磁回路的第一端与引导极的中间连接，引导极的边缘与传感器探头的第一端电连接，传感器探头的第二端与导磁回路的第二端电连接。使用过程中，被测的正弦交变电流信号所产生的交变磁场通过导磁回路和引导极的共同约束被送入传感器探头中。为了使输出的波形不会发生畸变，导磁回路中嵌入钕铁硼材料。钕铁硼材料提供了所需要的偏置磁场，保证了该传感器输出波形不会发生畸变。一种材料的一阶谐振频率与这种材料的泊松比成反比、与这种材料的弹性模量和形状面积尺寸成正比。对于一种特定的光纤光栅电流传感器，其导磁回路中留给放置传感器探头的纵向尺寸是固定的，因此，不能够通过增加横向尺寸的方式来增加形状面积，同时，也出于好取方的目的，则选择在纵向增加形状面积，因此，初步的设想是构建一个“t字体”结构。传感器探头包括传感器探头本体和连接体，传感器探头本体的中心处固定连接有连接体，传感器探头本体与连接体相互垂直，传感器探头的形状为t形。由于整个传感探头是放置于磁路中，因此，在磁致伸缩材料上增加的结构不能影响磁路的磁性材料，那么也就是说要加一种弹性模量大、泊松比小的非磁性材料。因此，将传感器探头本体为设置321不锈钢传感器探头本体，连接体为terfenol-d稀土合金连接体。这种321不锈钢包括1铬18镍9钛，材料不仅可以满足上述要求，同时它也是一种合金钢，方便拿取。本申请中，将传感器探头设置为t形结构，且将传感器探头本体设置为321不锈钢传感器探头本体，提高了传感器器探头的一阶谐振频率的上限。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为申请提供的一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统的结构示意图；

图2为申请提供的一种传感器探头的结构示意图；

图3为申请提供的“t字体”结构传感探头的频响特性数值仿真结果示意图；

图4为申请提供的传统长方体结构的传感器探头的频响特性仿真结果示意图；

附图说明：1-光源子系统，2-传感子系统，3-解调子系统，4-光电转换子系统，5-数据采集子系统，6-耦合器，7-被测电流发生器，21-导磁回路，22-引导极，23-传感器探头，231-传感器探头本体，232-连接体。

具体实施方式

图1为本申请提供的一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统的结构示意图；图2为本申请提供的一种传感器探头的结构示意图。参见图1和图2可知，本申请提供了一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统，该传感器系统包括光源子系统1、传感子系统2、解调子系统3、光电转换子系统4和数据采集子系统5。各个子系统之间的连接关系如下：光源子系统1与耦合器6的第一端电连接，耦合器6的第二端与传感子系统2电连接，耦合器6的第三端与解调子系统3的第一端电连接，解调子系统3的第二端与光电转换子系统4的第一端电连接，光电转换子系统4的第二端与数据采集子系统5电连接。使用过程中，传感子系统2中光纤光栅的中心波长变化，并传输给解调子系统3；解调子系统3将光纤光栅的中心波长解调出来，并传输给光电转换子系统4，最后传输给数据采集子系统5。传感子系统2包括导磁回路21、引导极22和传感器探头23。传感子系统2中各个部件之间的连接关系如下：导磁回路21的第一端与引导极22的中间连接，引导极22的边缘与传感器探头23的第一端电连接，传感器探头23的第二端与导磁回路21的第二端电连接。使用过程中，被测的正弦交变电流信号所产生的交变磁场通过导磁回路21和引导极22的共同约束被送入传感器探头23中。为了使输出的波形不会发生畸变，导磁回路21中嵌入钕铁硼材料。钕铁硼材料211提供了所需要的偏置磁场，保证了该传感器输出波形不会发生畸变。一种材料的一阶谐振频率与这种材料的泊松比成反比、与这种材料的弹性模量和形状面积尺寸成正比。对于一种特定的光纤光栅电流传感器，其导磁回路21中留给放置传感器探头23的纵向尺寸是固定的，因此，不能够通过增加横向尺寸的方式来增加形状面积，同时，也出于好取方的目的，则选择在纵向增加形状面积，因此，初步的设想是构建一个“t字体”结构。传感器探头23包括传感器探头本体231和连接体232，传感器探头本体231的中心处固定连接有连接体232，传感器探头本体231与连接体232相互垂直，传感器探头23的形状为t形。由于整个传感探头是放置于磁路中，因此，在磁致伸缩材料上增加的结构不能影响磁路的磁性材料，那么也就是说要加一种弹性模量大、泊松比小的非磁性材料。因此，将传感器探头本体231为设置321不锈钢传感器探头本体，连接体232为terfenol-d稀土合金连接体。这种321不锈钢包括1铬18镍9钛，材料不仅可以满足上述要求，同时它也是一种合金钢，方便拿取。本申请中，将传感器探头23设置为t形结构，且将传感器探头本体231设置为321不锈钢传感器探头本体，提高了传感器器探头23的一阶谐振频率的上限。

由于导磁回路21留给放置传感器探头23的纵向尺寸是固定的，且材料的一阶谐振频率与这种材料的弹性模量和形状面积尺寸成正比。为了提高传感器的检测频率，本实施例中，传感器探头本体231的形状为长方体，连接体232的形状为长方体。

为了方便接收光源子系统1中的光，且将满足条件的光反射传输给耦合器6中，本实施例中，光纤光栅粘贴于连接体232的中心线上，中心线垂直于传感器探头本体231。

为了使传感子系统2可以产生激励磁场，本实施例中，传感子系统2与被测电流发生器7电连接。使用过程中，被测电流发生器7产生的正弦交变电流信号传输给传感子系统2，并在传感子系统2产生激励磁场，并通过导磁回路21和引导级22的共同约束被送入传感器探头23中。

本申请中，除了提出了一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统外，还提供了一种用于提高光纤电流检测频率的传感器系统的测试过程，测试过程包括：

耦合器接收光源子系统发出的光，并将光耦合后传输给传感子系统中的光纤光栅；

被测电流发生器在导磁回路的作用下产生变化的磁场，并使传感器探头的连接体运动；

连接体的运动驱动传感器探头中光纤光栅的中心波长变化，并将光纤光栅的中心波长传输给耦合器；

耦合器将光纤光栅的中心波长和光源的光进行耦合，并传输给解调子系统；

解调子系统将光纤光栅的中心波长解调出来，将电信号转换为光信号，并传输给光电转换子系统；

光电转换子系统将光信号转换为电信号，并将电信号传输给数据采集子系统。

解调子系统采用的方法为扫频波长解调法。这种解调方法就是利用激光不断的对fbg反射回来的特定频率范围的光波长进行扫描，从而追踪由fbg反射回来的光波长的变化并将其记录下来，然后将采集到的连续变化的光波变换送入光电转换系统，从而得到连续变化且与时间相关的电信号，图3所表示的光电转换系统的功能也正是如此。并且，最终经过光电转换系统转换而得到的连续变化的电信号要通入到数据采集与处理系统中去，并通过该系统最终得到被测的未知的交变电流信号的相关信息。

为了验证这种提高光纤电流检测频率的传感器装置的效果，我们令“t字体”结构传感探头的横梁部分，即321不锈钢的尺寸为22mm×3mm×0.2mm，“t字体”结构传感探头的支架部分，即terfenol-d棒的尺寸为25mm×3mm×3mm；为了保证了研究中无关变量的相同性，传统的光纤光栅电流传感器的传感探头尺寸也设置为25mm×3mm×3mm。然后，用ansys软件对两种结构进行频响特性数值仿真，得到的具体结果参见图3，图4，图3为本申请提供的“t字体”结构传感探头的频响特性数值仿真结果示意图；图4为申请提供的传统长方体结构的传感器探头的频响特性仿真结果示意图。

参见图3的左上角可以清晰的读出,“t字体”传感探头结构的一阶谐振频率为f＝5378.93hz；参见图4的左上角可以清晰的读出，传统长方体结构的一阶谐振频率为f＝3071.38hz。因此，这种提高光纤电流检测频率的传感器装置相对于传统的光纤光栅电流传感器的可测电流频率提高了75.13％，因此，达到了提高光纤电流检测频率的目的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的实施方案后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未使用的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。