一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头

1.本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头。


背景技术：

2.随着电力工业市场化进程的加快、电网规模的日益增大和运行机制的不断发展，电网运行的安全性和稳定性面临着严峻的挑战，同时，频繁发生的自然灾害和电网事故更说明了智能电网发展的必然性，这就对在电力系统计量环节和继电保护中起重要作用的电流传感器技术要求越来越高。此外，实施“西电东送”是我国资源分布与生产力布局的客观要求，也是变西部地区资源优势为经济优势，促进东西部地区经济共同发展的重要措施。面对特高压下的大电流测量,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,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。目前普遍应用基于电磁感应的电流传感器存在着磁饱和、铁磁谐振、频带窄、动态范围小、有油易燃易爆等问题随着电压等级的提高，这些问题愈显突出，制造成本也愈加昂贵。而光纤电流传感器具有绝缘性好、抗电磁干扰、频带宽等优点，近些年其研究进展十分迅速，应用领域不断扩大。
3.光纤传感技术作为智能电网的组成部分，可以解决许多传统传感技术无法面对的问题，所以应该得到更大的重视。对比于传统电磁式电流传感器，光纤电流传感器有许多特点，如光纤电流传感器通常能应用于高压环境；能在强电磁干扰环境下工作；能应用于高速遥感及遥测系统以达到远程监控测量的目的；还具有体积小、质量小、制造成本低等优点。但至目前，法拉第磁光效应电流传感方案仍然受光纤线性双折射问题和环境温度因素的影响，光电混合式解决方案的高电位电子电路供电问题及电子电路可靠性问题一直没有很好的解决。光纤布拉格光栅的出现可能提供有效的解决途径。
4.经过近些年的研究与开发，fbg传感技术已成为光纤传感中可靠性最高、实用性最强的传感技术。由于具有波长编码、同光纤兼容并能构成准分布式测试系统等优点，被广泛地应用于工程结构的应变和温度测量。超磁致伸缩材料一是一种新型的磁一机械转换材料，具有伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快等优点，广泛地应用于换能和驱动。本文提出了光纤布拉格光栅和磁致伸缩材料组合的交流电流传感方法，采用电流的磁效应实现了对变化电流信号的检测。
5.光纤布拉格光栅(fbg)作为一种具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀性、不受光强波动影响、绝缘性好等优点的无源器件，在土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域得到广泛引用，并取得显著的研究成果。由于光纤主要成分为sio2，其细小质脆，在实际应用在容易损坏，为了在保护fbg免受损坏的前提下，提高光纤光栅温度灵敏度，我们通常采用氢氟酸腐蚀和飞秒激光刻蚀等方法对光纤光栅进行包层处理。
6.本发明提出的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，利用电流的磁效应，不同的待测电流通入金属螺线管，在陶瓷套管内部，产生不同的磁场强度，不同的磁场强度强度
使磁致伸缩材料产生不同的形变，影响fbg的光栅周期，反射波峰值发生漂移，通过峰值波长的变化量，得出待测电流的大小。此外，该传感探头使用氢氟酸，腐蚀了fbg中间部分包层，并用磁控溅射法涂覆上一层磁致伸缩膜，提高了待测电流的测量灵敏度。


技术实现要素：

7.针对上述所提及的问题，本发明提出了一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头的设计方案，能实现对待测电流的高灵敏度测量。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，结构包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、匹配液(4)、光谱仪(5)和计算机(6)，其特征在于：所述的传感探头(3)的总长度为10～15mm，包括光纤布拉格光栅(3
‑
1)、磁致伸缩膜(3
‑
2)、陶瓷套管(3
‑
3)和金属螺线管(3
‑
4)，所述的光纤布拉格光栅(3
‑
1)的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，其中光纤布拉格光栅(3
‑
1)的包层，用氢氟酸作腐蚀处理，将包层直径腐蚀至50μm，腐蚀长度为7mm，在处理过的光纤布拉格光栅(3
‑
1)的包层上，用磁控溅射法涂覆上一层磁致伸缩膜(3
‑
2)，磁致伸缩膜(3
‑
2)的厚度为30～40μm；所述的陶瓷套管(3
‑
3)的内直径为1mm，外直径为5mm，长度为10mm，所述的金属螺线管(3
‑
4)采用包裹金属铜线的漆包线，紧密均匀缠绕在陶瓷套管(3
‑
3)上，金属螺线管(3
‑
4)一共包括6层，每层匝数为20匝，金属螺线管(3
‑
4)的内直径为5mm，外直径为9mm，所述的光纤布拉格光栅(3
‑
1)和陶瓷套管(3
‑
3)，分别固定在高精度光学平台上，使光纤布拉格光栅(3
‑
1)穿入陶瓷套管(3
‑
3)，保证磁致伸缩膜(3
‑
2)置于陶瓷套管(3
‑
3)内部中心区域，最后对整个传感探头(3)进行封装处理。
10.根据权利要求1所述的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，其特征在于：所述的金属螺线管(3
‑
4)采用包裹金属铜线的漆包线，其直径为0.5mm。
11.本文通过将待测电流通入金属螺线管，进而在金属螺线管内部产生磁场，根据biot
‑
savart定律可得并排密绕的金属螺线管在其中心位置产生的磁场强度强度为
[0012][0013]
式中，h为螺线管产生的磁场强度强度即外加磁场强度强度；n为线圈匝数；l为螺线管长度：r0为线圈半径。
[0014]
在螺线管产生的磁场强度强度h的作用下，磁致伸缩材料沿轴向方向的磁致伸缩与磁场强度强度的关系式为
[0015][0016]
式中：l为磁致伸缩膜的原始长度；c磁致伸缩材料的伸缩系数。
[0017]
磁致伸缩系数c磁滞伸缩系数表示在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上发生的变化的程度，表示为：式中l为材料的原始长度；δl为材料磁化后长度的改变；通常磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是指沿磁场强度方向的测量值。c是磁场强度和温度的函数，在一定温度下，|c|随磁场强度增加而增大，达到饱和磁化时，达到稳定的饱和值，
称为饱和磁致伸缩系数，以c
s
表示。对一定的材料c
s
是个常数。
[0018]
动态磁致伸缩系数d
33
动态磁致伸缩系数表示磁致伸缩值对磁场强度的敏感程度。
[0019][0020]
机电藕合系数k
33
机电耦合系数表示磁能与机械能相互转换的效率。
[0021][0022]
式中μ0为真空磁导率；μ
c
为相对磁导率；e
h
为杨氏模量。
[0023]
此外，当有宽带光源在fbg中传输时，同时不通入待测电流，会产生模式耦合，满足特定条件的光会反射：
[0024]
λ
b
＝2n
eff
λ
[0025]
式中n
eff
为布拉格光纤光栅有效折射率，λ为布拉格光纤光栅的原周期，λ
b
为中心谐振波长。
[0026]
得出在螺线管中通入待测电流i时，fbg的周期变换为λ
δ
，即
[0027][0028]
式中δl为磁致伸缩膜的长度变化量。
[0029]
在螺线管中通入待测电流i时，产生模式耦合，满足特定条件的光会反射：
[0030]
λ
δb
＝2n
eff
λ
δ
[0031]
δλ＝λ
δb
‑
λ
b
[0032]
式中n
eff
为布拉格光纤光栅有效折射率，λ
δ
为布拉格光纤光栅的原周期，λ
δb
为中心谐振波长，δλ为中心谐振波长漂移量。
[0033]
所提出的传感探头结构，利用电流的磁效应和磁致伸缩膜的磁致伸缩特性，通入不同的待测电流的金属螺线管，在陶瓷套管内部产生不同的磁场强度，不同磁场强度使磁致伸缩膜发生伸缩，进而改变了fbg的周期，使反射波长峰值发生漂移，从而实现对待测电流的测量，利用去除包层和涂敷磁致伸缩膜，提高该传感探头的灵敏度，实现高灵敏度电流检测；此外，光纤末端插入甘油匹配液中，避免了透射光波长的部分反射对测量结果造成的影响。
[0034]
首先打开宽带光源，然后将不同的待测电流通入金属螺线管，发出的光经光纤环形器传输至该传感探头中，由于电流的磁效应，将会在陶瓷套管内部产生不同的磁场强度，由于磁致伸缩膜的磁致伸缩效应，产生的磁场强度将会引起磁致伸缩膜发生伸缩，进而使fbg的周期发生变化，通过光谱仪探测反射波长峰值，最后通过计算机分析，通过检测反射波长峰值漂移量，得出待测电流产生的磁场强度，进而解调出待测电流的大小。
附图说明
[0035]
图1为本发明所述的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头的检测原理图；
[0036]
图2为本发明所述的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头的结构示意图；
[0037]
图3为本发明所述的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头的横向截面图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合图2对本发明的具体实施方式作进一步说明。
[0039]
本发明是可以对电流进行探测的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，具体实施步骤如下：
[0040]
步骤一：光纤光栅的刻写
[0041]
首先打开氩离子激光器，将出光功率调至100mw，并等待5分钟，使激光器出光稳定。接着选取适当长度高掺锗的单模光纤，用剥线钳刮去涂单模光纤涂敷层，并多次用酒精清洁干净去除涂敷层区域的残留碎屑，用光纤夹拉直光纤并保证光纤平行于相位掩膜板且在掩膜区下方约1mm。激光经过多次反射后通过相位掩膜板形成干涉光，最后通过电脑控制一维位移平台匀速运动，干涉光会使光纤连续曝光，从而制备得到光纤布拉格光栅，刻制长度达7mm左右。
[0042]
步骤二：光纤布拉格光栅包层的腐蚀处理
[0043]
取适当长度的光纤布拉格光栅，用夹具将光纤布拉格光栅固定在光学平台上，通过湿法腐蚀去除单模光纤的包层，具体选用40％浓度的氢氟酸溶液。在腐蚀之前，先在光学平台中央的三维调整架上固定好一片聚乙烯片，再将氢氟酸溶液滴几滴在聚乙烯片上，通过调整三维调整架将氢氟酸液滴准确置于单模光纤正下方。然后提升三维调整架让氢氟酸浸没单模光纤。具体腐蚀的区域大小可以通过控制氢氟酸液滴的大小以及三维调整架的高度来控制，腐蚀长度为7mm，将包层直径腐蚀至50μm。
[0044]
步骤三：用磁控溅射法涂覆磁致伸缩膜
[0045]
取适当长度处理好的光纤布拉格光栅，通过磁控溅射法在光纤被腐蚀过的包层上进行镀磁致伸缩膜，分四次进行镀膜，每次镀膜完成后调整样品架使传感探头旋转90
°
，最终达到均匀镀膜的目的。镀膜长度为7mm，银膜厚度为30
‑
40μm。
[0046]
步骤四：光纤与套管的组装
[0047]
首先将处理好的光纤布拉格光栅和陶瓷套管，分别置于三维调整平台的两个夹具上，并粗略调整光纤布拉格光栅和陶瓷套管的位置，使两者保持在相同的水平高度上；接着将显微镜移至陶瓷套管端面处，要能够同时观察到陶瓷套管和处理好的光纤布拉格光栅的端面，在靠近陶瓷套管左端面一段距离时停留，进行微调对准，保持两者在水平等多个维度一致，调整对准；最后缓慢的将处理好的光纤布拉格光栅结构插入陶瓷套管内，直至陶瓷套管正好覆盖光纤，并保证光纤布拉格光栅的磁致伸缩膜，置于陶瓷套管内部中心区域。所用到的陶瓷套管的内直径为1mm，外直径为5mm，长度为10mm。
[0048]
步骤五：螺线管的制作和传感探头的封装
[0049]
采用包裹金属铜线的漆包线，均匀紧密的缠绕在陶瓷套管上，漆包线的直径为0.5mm，金属铜线圈一共绕制6层，每层匝数为20匝，最后对整个传感探头进行封装处理。
[0050]
步骤六：对整个传感探头进行清洗晾干。
[0051]
本发明的基本原理为：所提出的传感探头结构，利用电流的磁效应和磁致伸缩膜的磁致伸缩特性，通入不同的待测电流的金属螺线管，在陶瓷套管内部产生不同的磁场强度，不同磁场强度使磁致伸缩膜发生伸缩，进而改变了fbg的周期，使fbg的反射波长峰值发生漂移，从而实现对待测电流的测量，利用去除包层和涂敷磁致伸缩膜，提高该传感探头的灵敏度，实现高灵敏度电流检测；此外，光纤末端插入甘油匹配液中，避免透射光波长的部
分反射，以免降低待测电流的测量精度。