專利名稱：一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭及交變電流測量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭及交變電流測量方法和系統(tǒng)，屬于光纖 傳感及光學(xué)測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器的原理是將待測量轉(zhuǎn)化為光纖光柵布拉格波長的漂移量，制作簡 單，但其波長調(diào)制特性，給信號解調(diào)帶來一定的困難。普通的光纖法布里-珀羅干涉儀
(FPI)傳感器利用了光纖傳光和F-P干涉原理，測量精度高，但制作工藝難度較大。 光纖光柵FPI由在同一根光纖中寫入兩個相同的光纖光柵構(gòu)成，綜合了光纖光柵和光 纖FPI的優(yōu)點，不僅制作簡單，而且具有體積小、質(zhì)量輕、電絕緣性好、易于實現(xiàn)系 統(tǒng)的全光纖結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，可達(dá)到傳統(tǒng)光纖FPI傳感器的測量精度，受到了越來越廣泛 地關(guān)注。
在電力系統(tǒng)中，對輸變電線路的電壓、電流、功率等參數(shù)的監(jiān)測尤為重要。隨著 電網(wǎng)電壓的不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式傳感器因絕緣性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂等，越 來越不能滿足要求。為此，全光纖高壓電流傳感器成為研究的熱點之一。目前，光纖 電流傳感器使用的測量方法有光偏振態(tài)測量法、波長調(diào)制測量法和光干涉測量法。 其中光干涉測量法的原理是利用外場改變相干光的相位差進(jìn)行測量，例如2006年《儀 表技術(shù)與傳感器》第四期的"干涉式光纖電流傳感器"。干涉型光纖電流傳感器采用的 干涉儀結(jié)構(gòu)主要有馬赫-曾德(M-Z)干涉儀、邁克耳孫干涉儀和FPI。馬赫-曾德干涉 儀與邁克耳孫干涉儀的構(gòu)造基本相同，由信號臂光纖和參考臂光纖構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的 光纖電流傳感器由于傳感光束和參考光束分別是在兩根光纖中傳輸，故光纖內(nèi)部的雙 折射、環(huán)境溫度、振動、彎曲等因素的干擾，會嚴(yán)重影響傳感器的性能。FPI型光纖電流傳感器的傳感光束和參考光束是在同一根光纖中傳輸，有效地解決了光纖的雙折 射、振動和彎曲等問題，但溫度的影響始終無法解決。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭及交變 電流測量方法和系統(tǒng)，改善了原有電流傳感器的性能，制作工藝相對簡單，可以實現(xiàn) 溫度和交變電流的同時測量。
技術(shù)方案
本發(fā)明的提出的電流傳感頭，其特征在于包括光纖光柵法布里-珀羅干涉儀12、 磁致伸縮材料8和2塊永磁體7; 2塊永磁體7相對平行置于磁致伸縮材料8的兩側(cè)， 光纖光柵法布里-珀羅干涉儀12的光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料8上；磁致伸 縮材料8的長度光纖光柵F-P腔長或小于光纖光柵F-P腔長的1.5倍；2塊永磁體7的 長度大于或等于光纖光柵F-P腔長的長度；所述光纖光柵F-P腔位于光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的兩段光纖光柵6之間。
所述的2塊永磁體7垂直固定在磁致伸縮材料8的兩端。
所述光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的反射率小于5%。
所述的磁致伸縮材料8采用等長的壓電陶瓷11，永磁體7采用互感線圈10和傳 輸線9;互感線圈10通過傳輸線9與壓電陶瓷11連接。
一種利用上述的任一種電流傳感頭進(jìn)行測量交變電流的方法，其特征在于步驟如
下
步驟l:將電流傳感頭置于待測交變電流產(chǎn)生的磁場中，輸入一個波長為A、光強(qiáng) 為/o的光信號，電流傳感頭輸出一個光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號；步驟2:根據(jù)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號得到光纖光柵法布里-珀羅干涉儀光纖光
F-P腔長變化量A/2 =
arccos
--1
、,o及a 乂
丄
2朋
，其中A為光纖光柵FPI對波長
為義的單色光強(qiáng)度的峰值反射率，^為光纖光柵F-P腔干涉信號的初相位，《為光纖 纖芯的折射率；
步驟3:根據(jù)A/z與電流強(qiáng)度的線性關(guān)系，得到電流強(qiáng)度的測量值/'為
廣
arccos
--1
、A)及/1 乂
義
2朋A
，其中A為比例系數(shù)由常規(guī)實驗定標(biāo)的方式得到;
步驟4:根據(jù)測量值Z'與實際值/對溫度的補(bǔ)償關(guān)系/:
C
^——/'，得出環(huán)境
中所測量的電流實際值為z' =
arccos
一i
義
2mA
，其中"2為磁致
伸縮材料的溫度磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，CW為磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)，且
《2和Ceff兩個系數(shù)值由常規(guī)實驗定標(biāo)的方式得到。
一種實現(xiàn)上述測量交變電流方法的系統(tǒng)，其特征在于電流傳感頭通過單模光纖
3與光纖耦合器4 一側(cè)的一個端口連接，另一端口通過單模光纖3置于折射率匹配液5 中；光纖耦合器4的另一側(cè)的兩個端口分別于單色光源1和光電探測裝置2連接。 有益效果
本發(fā)明提供的溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，可以進(jìn)行本發(fā)明的電流傳感頭進(jìn)行交變 電流測量方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)電流傳感器的溫度、電流交叉 敏感問題，實現(xiàn)了溫度對電流的補(bǔ)償測量，提高了測量精度。本發(fā)明還可通過提高電 流對磁致伸縮元件的作用效果和光纖光柵F-P腔受制于磁致伸縮元件部分的長度兩種 方式來改善電流測量的靈敏度和量程。同時，本發(fā)明具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、
性能穩(wěn)定、靈敏度高、電絕緣性好、耐腐蝕的優(yōu)點，可在惡劣條件下工作。


圖1:為本發(fā)明實施例1光纖光柵FPI電流測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖2:為本發(fā)明實施例2光纖光柵FPI電流測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖3:為本發(fā)明實施例3光纖光柵FPI電流測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖4:為單色光強(qiáng)度峰值反射率^與溫度的關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為
1、單色光源；2、光電探測裝置；3、單模光纖；4、光纖耦合器；5、折射率匹配 液；6、光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的兩段光纖光柵；7、永磁體；8、磁致伸縮材料； 9、傳輸線；10、互感線圈；11、壓電陶瓷；12、光纖光柵法布里-珀羅干涉儀。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
本發(fā)明實施例的一種溫度補(bǔ)償型的交變電流傳感頭，其中包括光纖光柵法布里-
珀羅干涉儀12、磁致伸縮材料8和2塊永磁體；2塊永磁體相對置于磁致伸縮材料8 的兩側(cè)，光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的的兩段光纖光柵6之間形成的光纖光柵FPI粘 貼在磁致伸縮材料8上。該傳感頭還可以將磁致伸縮材料8和2塊永磁體替換為壓電 陶瓷ll、互感線圈10以及傳輸線9;互感線圈IO將輸出的電壓信號，通過傳輸線9 與輸入壓電陶瓷ll連接。
本發(fā)明實施例提出的測量交變電流的基本方法是將電流傳感頭置于待測交變電 流產(chǎn)生的磁場中，粘貼在磁致伸縮材料上的光纖光柵FPI感測周圍環(huán)境中的溫度和磁 感應(yīng)強(qiáng)度的大小。單色光源發(fā)出的光信號進(jìn)入光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵 F-P腔中，干涉后形成近似為雙光束干涉信號輸出。根據(jù)雙光束干涉信號得到光纖光 柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵F-P腔的腔長變化量，再通過腔長變化量與電流的線 性關(guān)系得到交變電流的測量值。最終，利用電流測量值與實際待測值之間對溫度的補(bǔ)償關(guān)系得出交變電流的實際值。
本方法的實現(xiàn)裝置是，光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵FPI粘貼在磁致伸 縮材料上，并將其通過單模光纖與光纖耦合器的一個端口相連，單色光源與光電探測 裝置與光纖耦合器的另外兩個端口相連，光纖耦合器的第四個端口通過單模光纖插入 到折射率匹配液中。
實施例l:參閱附圖l，為所述光纖光柵FPI電流測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。光纖光柵 FPI12粘貼在磁致伸縮材料8上，永磁體7平行固定在磁致伸縮材料8兩側(cè)，光纖光 柵FPI12通過單模光纖3與光纖耦合器4 一側(cè)的一個端口連接，另一端口與折射率匹 配液5相連，光纖耦合器4的另一側(cè)的兩個端口分別與單色光源1和光電探測裝置2 連接。
所述光纖光柵FPI12的F-P腔受制于磁致伸縮材料8，兩光纖光柵部分6自由放 置；所述光纖光柵FPI12反射率小于5%。
所述單色光源發(fā)出波長為義、光強(qiáng)為/o的光信號，通過耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵FPI 傳感器探頭中。由于光纖光柵FPI的反射率小于5M，所以反射回的光信號近似為雙光 束干涉信號，可近似表示為
/ = /oi 2〖l + cos(2兀wA/z/義+ (2^)] 式中，^表示腔長變化過程中光纖光柵FPI對波長為義的單色光強(qiáng)度的峰值反射
率，由光纖光柵FPI兩端的光纖光柵決定；W表示光纖纖芯的折射率；AA表示腔長的 伸縮量；^表示光纖光柵FPI干涉信號的初相位，對測量結(jié)果沒有影響，為一常值。 由此得到到光纖光柵F-P腔的腔長變化量A/z為
、n ;i
arccos
1
vA)A 乂
2朋
所述磁致伸縮材料在永磁體的作用下，工作在線性區(qū)。交變電流周圍的磁場作用于磁致伸縮材料，引起磁致伸縮材料的長度發(fā)生周期性變化。所述光纖光柵F-P腔隨 之發(fā)生形變。形變對光纖的影響分為兩部分 一是彈光效應(yīng)引起的纖芯折射率變化； 二是應(yīng)變引起的光纖長度的變化。兩者的共同作用引起光信號在FPI中傳輸?shù)墓獬贪l(fā) 生周期性變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)大小周期性變化。待測交變電流為/ = /。COS^什p) 時，且光纖光柵F-P腔的腔長變化量A/z與電流強(qiáng)度/的關(guān)系為線性關(guān)系
A/z =力/ = J/0 cos(" + p)
式中A為比例系數(shù)，可以通過實驗測得。因此得到在不考慮溫度影響的情況下， 電流的測量值與實際值/相等，可以表示為
' 、n ;i
i' = Z0 cos(w/ + p)=
arccos
1
2朋A
由上式可以看出，如果待測電流的頻率w時，且"A/p;i時，反射光信號/的頻率
特性只與電流的幅值/o有關(guān)。因此通過分析反射光信號/的頻率特性就可以得到待測
交變電流/'。
所述光纖光柵F-P腔受到環(huán)境溫度的影響發(fā)生形變。溫度對光纖的影響主要體現(xiàn) 在光纖熱膨脹效應(yīng)引起的光纖長度變化及光纖熱光效應(yīng)引起的纖芯折射率變化。兩者 的共同作用引起了光纖光柵FPI兩端的光纖光柵反射率的改變，從而導(dǎo)致^的變化。 請參閱圖4，為^與溫度的變化關(guān)系。測量溫度時要求^在一個單調(diào)區(qū)間內(nèi)變化。為 獲得最大的溫度測量范圍，需要選取合適的工作點，具體方法如下確定待測溫度的 變化范圍，選取合適的工作波長，使得A在中間溫度時為最大反射率的一半。
由于溫度的變化會改變磁致伸縮材料的性質(zhì)，進(jìn)而影響到對電流的測量。因此， 需要對電流值進(jìn)行修正。 一方面，溫度恒定時，磁致伸縮材料的伸長量與材料所處的 磁場強(qiáng)度成正比；另一方面，磁場恒定時，磁致伸縮材料的伸長量與溫度也成正比。 所以，可以假定磁致伸縮材料受溫度和磁場作用之后的應(yīng)變量s為f =——- Ceff// + /f,A71 + /r2//Ar 〖o(jì)
式中，《l為磁致伸縮材料應(yīng)變對溫度的靈敏度系數(shù)、^2為磁致伸縮材料的溫度 磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，Ceff為磁致伸縮材料在某一恒定溫度下的磁致伸縮系數(shù)。 三個系數(shù)值可由實驗定標(biāo)的方式得到。因此通過分析得到，電流的實際修正值/和實 測的電流值/'的關(guān)系為
;=b￡——z"
ceff+K2.Ar
因此，通過檢測輸出光信號的強(qiáng)度和頻率特性可實現(xiàn)電流和溫度的同時測量，進(jìn) 而得到溫度補(bǔ)償后的實際電流值。
實施例2:參閱附圖2，與實施例l的不同在于，所述兩塊永磁體7分別固定在磁 致伸縮材料的兩端。
實施例3:參閱附圖3，與實施例l的不同在于，使得光纖光柵FPI12腔長周期性 變化的驅(qū)動元件包括傳輸線9，壓電陶瓷11和互感線圈10。所述互感線圈10的輸出， 通過傳輸線9，與壓電陶瓷ll連接。
所述互感線圈將母線中的電流轉(zhuǎn)化為電壓，通過傳輸線，加載到壓電陶瓷上。所 述壓電陶瓷在此電壓的驅(qū)動下發(fā)生形變，作用于光纖光柵F-P腔，引起光纖光柵F-P 腔產(chǎn)生形變。
本方法的實現(xiàn)裝置是，光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵FPI粘貼在磁致伸 縮材料上，并將其通過單模光纖與光纖耦合器的一個端口相連，單色光源與光電探測 裝置與光纖耦合器的另外兩個端口相連，光纖耦合器的第四個端口通過單模光纖插入 到折射率匹配液中。在測量過程中，將交變電流傳感頭置于待測交變電流所產(chǎn)生的磁 場中，所用的光纖光柵FPI在室溫(2(TC)下的中心波長為1550nm附近，帶寬0.2nm，光柵反射率<5%，用改性丙烯酸酯膠將F-P腔粘貼在磁致伸縮材料表面，兩粘貼點間
距為6cm。當(dāng)所需測量的電流值大小發(fā)生變化時，單色光源發(fā)出的窄帶光，經(jīng)由光纖 光柵FPI發(fā)射后，再經(jīng)光電探測裝置探測到的信號，在示波器上顯示的測量波形的周 期會發(fā)生變化，根據(jù)波形的不同周期特性得到電流值的大小；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時， 示波器上顯示得到的波形的振幅會發(fā)生變化，進(jìn)而根據(jù)振幅的大小得到溫度的大小。 最終由電流的實際修正值/和實測的電流值/'的關(guān)系，得到溫度補(bǔ)償后的電流值大小。
權(quán)利要求
1.一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，其特征在于包括光纖光柵法布里-珀羅干涉儀(12)、磁致伸縮材料(8)和2塊永磁體(7)；2塊永磁體(7)相對平行置于磁致伸縮材料(8)的兩側(cè)，光纖光柵法布里-珀羅干涉儀(12)的光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料(8)上；磁致伸縮材料(8)的長度光纖光柵F-P腔長或小于光纖光柵F-P腔長的1.5倍；2塊永磁體(7)的長度大于或等于光纖光柵F-P腔長的長度；所述光纖光柵F-P腔位于光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的兩段光纖光柵(6)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，其特征在于所述的2塊永磁 體(7)垂直固定在磁致伸縮材料(8)的兩端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，其特征在于所述光纖光柵法 布里-珀羅干涉儀的反射率小于5%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，其特征在于所述的磁致 伸縮材料(8)采用等長的壓電陶瓷(11)，永磁體采用互感線圈(10)和傳輸線(9);互感線圈(10)通過傳輸線(9)與壓電陶瓷(11)連接。
5. —種利用權(quán)利要求1~4所述的任一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭進(jìn)行測量交變電流 的方法，其特征在于步驟如下步驟l:將電流傳感頭置于待測交變電流產(chǎn)生的磁場中，輸入一個波長為義、 光強(qiáng)為/。的光信號，電流傳感頭輸出一個光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號；步驟2:根據(jù)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號得到光纖光柵法布里-珀羅干涉儀光纖光柵F-P腔長變化量M =arccos.1卜A ，其中A為光纖光柵F-P腔2朋對波長為A的單色光強(qiáng)度的峰值反射率，^為光纖光柵F-P腔干涉信號的初相位， "為光纖纖芯的折射率；步驟3:根據(jù)M與電流強(qiáng)度的線性關(guān)系，得到電流強(qiáng)度的測量值/'為<formula>formula see original document page 3</formula>，其中A為比例系數(shù)由常規(guī)實驗定標(biāo)的方式得到；步驟4:根據(jù)測量值/'與實際值/對溫度的補(bǔ)償關(guān)系<formula>formula see original document page 3</formula>得出環(huán)c。,境中所測量的電流實際值為<formula>formula see original document page 3</formula>，其中":為磁致伸縮材料的溫度磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，CW為磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)，且"2和CW兩個系數(shù)值由常規(guī)實驗定標(biāo)的方式得到。
6. —種實現(xiàn)權(quán)利要求5所述的測量交變電流方法的系統(tǒng)，其特征在于電流傳感頭通過單模光纖(3)與光纖耦合器(4) 一側(cè)的一個端口連接，另一端口通過單模 光纖(3)置于折射率匹配液(5)中；光纖耦合器(4)的另一側(cè)的兩個端口分別于單色光源(1)和光電探測裝置(2)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭及交變電流測量方法和系統(tǒng)，將電流傳感頭置于待測交變電流產(chǎn)生的磁場中，粘貼在磁致伸縮材料上的光纖光柵FPI感測周圍環(huán)境中的溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。單色光源發(fā)出的光信號進(jìn)入光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵F-P腔中，干涉后形成近似為雙光束干涉信號輸出。根據(jù)雙光束干涉信號得到光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的光纖光柵F-P腔的腔長變化量，再通過腔長變化量與電流的線性關(guān)系得到交變電流的測量值。最終，利用電流測量值與實際待測值之間對溫度的補(bǔ)償關(guān)系得出交變電流的實際值。改善了原有電流傳感器的性能，制作工藝相對簡單，可以實現(xiàn)溫度和交變電流的同時測量。
文檔編號G01R19/00GK101598748SQ20091002316
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者呂全超, 姜碧強(qiáng), 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)