有偏置磁場的gmm-fbg電流檢測裝置制造方法
【專利摘要】有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，屬于光學領域，本實用新型為解決法拉第磁光效應電流傳感方案仍然受光纖線性雙折射問題和環(huán)境溫度因素的影響的問題。本實用新型包括GMM-FBG部和檢測部，所述GMM-FBG部包括由多片正方形硅鋼片疊成的硅鋼磁路部，所述硅鋼磁路部的一條邊上具有電流傳感元件缺口和永磁材料缺口，在電流傳感元件缺口設置GMM棒，GMM棒的表面設置光纖光柵，光纖光柵通過兩條引線光纖穿過硅鋼磁路部后露出；在永磁材料缺口中設置永磁體；在硅鋼磁路部上纏繞導線連接交流電源的兩端；所述檢測部包括耦合器、ASE寬帶光源、光電轉換部和數據采集部。
【專利說明】有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，屬于光學領域。
【背景技術】
[0002]隨著電力工業(yè)市場化進程的加快，對在電力系統(tǒng)計量環(huán)節(jié)和繼電保護中起重要作用的電流傳感器技術要求越來越高。目前普遍應用基于電磁感應的電流傳感器存在著磁飽和、鐵磁諧振、頻帶窄、動態(tài)范圍小、有油易燃易爆等問題，隨著電壓等級的提高，這些問題愈顯突出，制造成本也愈加昂貴。而光學電流傳感器具有絕緣性好、抗電磁干擾、頻帶寬等優(yōu)點，近些年其研究進展十分迅速，應用領域不斷擴大。但至目前，法拉第磁光效應電流傳感方案仍然受光纖線性雙折射問題和環(huán)境溫度因素的影響，光電混合式解決方案的高電位電子電路供電問題及電子電路可靠性問題一直沒有很好的解決。光纖布拉格光柵(FiberBragg Grating, FBG,簡稱光纖光柵)的出現可能提供有效的解決途徑。
[0003]國際上報道應用GMM(Giant Magnetostrictive Material,超磁致伸縮材料)-FBG體系實現工頻交流傳感的研究始于2004年，多集中于溫度影響的研究，由于FBG動態(tài)信號解調技術的限制，國內相關的研究多限于將GMM-FBG體系暴露于螺線管內的直流磁場內，觀察GMM磁致應變導致FBG反射中心波長變化的現象及規(guī)律。
[0004]溫度不變時，中心波長為λ Β的FBG沿軸向應變ε與波長變化量Λ λ Β關系為
[0005]Δ λΒ=(1-ρ6) λΒ ε (I)
[0006]放大自發(fā)福射(Amplified Spontaneous Emission, ASE)寬帶光源是以 1550nm 為中心波長的具有波分復用能力單模光纖通信系統(tǒng)的商業(yè)化光源。商業(yè)化的ASE寬帶光源未平坦處理之前，其譜密度在1531?1534nm之間有約Inm/dB斜率曲線區(qū)，溫度穩(wěn)定性很好，如圖1中1531?1534nm范圍。若將這一段光功率譜密度與光波長近似為線性關系，FBG的反射譜密度函數近似為高斯曲線函數，入射光通過FBG的反射和ASE光源的輸出譜，光強與波長之間關系可表述為線性濾波函數與FBG反射譜密度函數的相關，見圖1。當FBG受到擾動時，FBG反射譜中心波長變化Λ λ Β與通過光電轉換系統(tǒng)輸出電平變化Λ U間線性關系為
[0007]Δ U( Δ λ B) =GkR0 Δ λ Β (2)
[0008]式中Rtl為FBG峰值反射率，G為光電轉換系統(tǒng)增益，k為常數。
[0009]將GMM-FBG體系暴露于交變磁場中，交變磁場致GMM的脈動應變被轉換成FBG的波長動態(tài)變化，由解調器變成電平信號，電平信號中包含了電流信息。
[0010]設在待測電流i(t)產生的激勵磁場作用下，GMM上產生的應變?yōu)棣泞?，則待測電流、FBG中心波長及系統(tǒng)輸出電平Λ U的對應關系為
[0011]Λ U⑴=GkR0 (1-Pe) ε ⑴ λ B (3)

【發(fā)明內容】

[0012]本實用新型目的是為了解決法拉第磁光效應電流傳感方案仍然受光纖線性雙折射問題和環(huán)境溫度因素的影響，光電混合式解決方案的高電位電子電路供電問題一直沒有很好解決，難以實現工程應用的問題，提供了一種有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置。
[0013]本實用新型所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，它包括GMM-FBG部和檢測部，
[0014]所述GMM-FBG部包括由多片正方形硅鋼片疊成的硅鋼磁路部，所述硅鋼磁路部的一條邊上具有電流傳感元件缺口和永磁材料缺口，在所述電流傳感元件缺口的兩個端面之間設置GMM棒，GMM棒的任意一端被缺口任一端面上設置的四個導磁柱固定；GMM棒與電流傳感元件缺口的上端面之間有空隙；
[0015]GMM棒的表面設置光纖光柵，光纖光柵連接第一引線光纖和第二引線光纖，第一引線光纖和第二引線光纖向缺口的相反兩個方向延伸，分別穿過硅鋼磁路部后露出；
[0016]在永磁材料缺口中設置永磁體；
[0017]在硅鋼磁路部上與兩個缺口相對的一條邊上繞有導線，所述導線纏繞到硅鋼磁路部上，所述導線的兩條引線端連接交流電源的兩端；
[0018]所述檢測部包括耦合器、ASE寬帶光源、光電轉換部和數據采集部；ASE寬帶光源輸出的光束入射至I禹合器，稱合器輸出的光束經光纖光柵反射后，由第二引線光纖輸出，并返回入射至耦合器，耦合器輸出的光束入射至光電轉換部，光電轉換部的電信號輸出端與數據采集部的電信號輸入端相連。
[0019]本實用新型的優(yōu)點:本實用新型基于GMM磁致伸縮系數大、FBG傳感可靠等優(yōu)點，將GMM與FBG組合(簡稱為GMM-FBG體系)作為傳感器進行電流檢測?？紤]到GMM材料的特性曲線在小磁場范圍內伸縮系數小、靈敏度低及GMM應變與激勵磁場非線性缺點，設計了有偏置磁場的電流檢測裝置，采用釹鐵硼材料，提高靜態(tài)工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是ASE光源輸出譜與FBG反射譜曲線；圖中曲線I表示ASE曲線，曲線2表示FBG反射譜密度函數曲線；
[0021]圖2是本實用新型所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置的結構示意圖；
[0022]圖3是圖2的A向視圖；
[0023]圖4是圖2的局部放大圖；
[0024]圖5是GMM-FBG磁滯迴線族；
[0025]圖6是電流互感器的輸出電平幅值與激勵電流幅值實驗關系曲線圖，圖中的離散的圓點表示實驗數據，曲線部分為擬合曲線；
[0026]圖7是本實用新型所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置的磁路圖；
[0027]圖8是圖7的局部放大圖，其中10表示磁力線。
【具體實施方式】
[0028]【具體實施方式】一:下面結合圖2至圖7說明本實施方式，本實施方式所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，它包括GMM-FBG部和檢測部，
[0029]所述GMM-FBG部包括由多片正方形硅鋼片疊成的硅鋼磁路部1，所述硅鋼磁路部I的一條邊上具有電流傳感元件缺口和永磁材料缺口，在所述電流傳感元件缺口的兩個端面之間設置GMM棒4，GMM棒4的任意一端被缺口任一端面上設置的四個導磁柱2固定；GMM棒4與電流傳感元件缺口的上端面之間有空隙；
[0030]GMM棒4的表面設置光纖光柵3，光纖光柵3連接第一引線光纖5和第二引線光纖6，第一引線光纖5和第二引線光纖6向缺口的相反兩個方向延伸，分別穿過硅鋼磁路部I后露出；
[0031 ] 在永磁材料缺口中設置永磁體9 ；
[0032]在硅鋼磁路部I上與兩個缺口相對的一條邊上繞有導線7，所述導線7纏繞到硅鋼磁路部上，所述導線7的兩條引線端連接交流電源8的兩端；
[0033]所述檢測部包括耦合器10、ASE寬帶光源11、光電轉換部12和數據采集部13 ；ASE寬帶光源11輸出的光束入射至I禹合器10, f禹合器10輸出的光束經光纖光柵3反射后，由第二引線光纖6輸出，并返回入射至I禹合器10, f禹合器10輸出的光束入射至光電轉換部12,光電轉換部12的電信號輸出端與數據采集部13的電信號輸入端相連。
[0034]導磁柱2采用鐵氧體材料。
[0035]硅鋼磁路部I采用型號為W470、厚度為0.35mm的硅鋼片疊加而成。型號W470的硅鋼片是無取向、高導磁性冷軋硅鋼片。
[0036]娃鋼磁路部I的厚度為2cm?3cm。
[0037]GMM棒4與電流傳感元件缺口上端面之間的空隙為0.05mm。
[0038]在導線7連接調壓器8的回路上串聯電阻R和電流表。
[0039]永磁體9采用釹鐵硼材料。
[0040]本實施方式中設計了近似于工程電流互感器的磁路系統(tǒng)，由硅鋼疊片、鐵氧體材料、釹鐵硼材料和GMM棒組成磁回路。根據磁場仿真分析，母排中電流感應的磁場大部分被限制在磁回路中，見圖7和圖8，用鐵氧體塊狀材料改善磁力線由硅鋼疊片向GMM棒4中耦合，硅鋼片和鐵氧體材料的相對磁導率大于1000，而GMM的相對磁導率在5-10范圍內。由仿真分析表明，被硅鋼疊片約束的磁力線10的40%會通過GMM棒4，相比螺線管結構或赫姆霍茲線圈結構，該磁路系統(tǒng)對引導磁力線進入GMM棒4更有效。該結構的另一優(yōu)點是GMM-FBG體系遠離電流母排或線圈，不受電流發(fā)熱的影響。設置偏置直流磁場，可以使GMM工作在線性區(qū)，消除GMM倍頻效應和非線性效應的影響，應用釹鐵硼高強永磁體9置于磁路之中，永磁恒定磁場經磁路被施于GMM上，調整永磁材料的結構尺寸可改變恒定偏置磁場強度。經有限元分析，優(yōu)化的結構尺寸如下:硅鋼片疊成截面2cmX2cm、邊長為30cm的正方形框架；GMM4尺寸設計成15X3X3 (mm3),設計時長度方向尺寸盡可能的短，以使Terfenol-D棒的一階諧振頻率遠離工作頻率，截面也盡可能的小，有利于降低總的損耗，該尺寸棒的一階諧振頻率為15kHz，遠離與50Hz的工作頻率和電力系統(tǒng)的3、5次諧波頻率。
[0041]將多層硅鋼片疊成厚度2cm?3cm的正方形回路，可減少交變磁場在硅鋼片中的渦流損耗。GMM棒4 一端固定到硅鋼片光纖光柵缺口的上端面上，另一端和硅鋼片電流傳感元件缺口的下端面之間留有一定的伸縮空間，滿足激勵磁場作用下GMM棒4的最大伸縮量。實驗測得無預應力情況下，GMM棒4產生的最大應變小于700 μ ε，若在GMM棒4與缺口下端面之間留有0.05mm的伸縮空間，足以滿足長度7cm的GMM棒4的最大伸縮量，由于伸縮空間太小，實際操作難以精確控制，仿真時將此空間設為0.2mm。
[0042]遵循通過GMM棒4磁通最大的原則，GMM棒4寬度應小于硅鋼片截面寬度。由于GMM棒4的相對磁導率較小，磁阻接近空氣的磁阻，所以磁路中通過硅鋼片的磁力線有一部分是通過GMM棒4周圍的空氣而閉合。為了減少漏磁，在GMM棒4上下兩側各施加一個導磁材料-鐵氧體材料,鐵氧體材料的相對磁導率比空氣相對磁導率大，同樣體積鐵氧體材料的磁阻比空氣小，利用鐵氧體材料可將硅鋼片中原來通過空氣的部分磁力線有效地耦合到GMM棒4上，雖然還有部分漏磁，但是鐵氧體材料的施加可以保證一定比例的磁力線進入GMM棒4，增加GMM棒4內有效磁通。由于四個鐵氧體材料限制了磁場作用在GMM棒4的有效區(qū)域，即暴露在鐵氧體材料外部的GMM棒4長度，該長度至少為粘貼FBG的長度(FBG長約為Icm),使均勻磁場作用下FBG應變無啁啾現象。
[0043]電流互感器實驗裝置由電磁系統(tǒng)、光源、傳感系統(tǒng)、解調系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)組成，見圖2。ASE寬帶光源11發(fā)出的光經過耦合器10到達GMM-FBG傳感器，被FBG反射后轉變成光強信號進入光電轉換部12轉換成電平信號，由數據采集系統(tǒng)進行數據處理。磁路中磁場由纏繞到硅鋼疊片上的載流導線產生，纏繞導線850匝，電流讀數采用安匝電流。
[0044]GMM-FBG傳感器定標時，除去永磁體9 (無偏置磁場)。將電流源通過直流電流，通過數據采集系統(tǒng)采集對應的系統(tǒng)輸出電平，建立GMM-FBG傳感器的磁滯迴線，如圖5所示。其中橫坐標為通過導線的安匝電流及轉換的磁場，縱坐標為輸出電平及由FBG中心波長轉換的應變。由圖5可以看出，在GMM無預應力條件下，激勵安匝電流在1200A范圍內GMM應變與激勵電流為準線性關系，可以利用該準線性段進行電流傳感。
[0045]根據圖5選擇偏置磁場為35kA/m (圖5中B點，對應永磁體9充磁方向特征尺寸為1.8mm、φ15mm的圓片結構)，激勵源為工頻信號。將雙蹤示波器的兩個通道ch1、ch2分別接到圖2中標準電阻R和光電轉換系統(tǒng)的輸出端，用來監(jiān)測傳感系統(tǒng)的輸入、輸出信號。
[0046]改變工頻電流幅值建立輸入工頻電流信號“正向”幅值與傳感器輸出電平幅值的關系，如圖6所示，輸入信號與輸出信號幅值呈較好的線性關系。當偏置磁場在35kA/m時，激勵安匝電流小于700A范圍內互感系統(tǒng)電流檢測靈敏度為2.96mV/A。
[0047]輸出電平幅值與激勵電流幅值的線性關系為Λ U=2.961+1.9，式中I為激勵電流幅值，Λ U為輸出電平。
【權利要求】
1.有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，它包括GMM-FBG部和檢測部， 所述GMM-FBG部包括由多片正方形硅鋼片疊成的硅鋼磁路部(I )，所述硅鋼磁路部(I)的一條邊上具有電流傳感元件缺口和永磁材料缺口，在所述電流傳感元件缺口的兩個端面之間設置GMM棒(4),GMM棒(4)的任意一端被缺口任一端面上設置的四個導磁柱(2)固定；GMM棒(4)與電流傳感元件缺口的上端面之間有空隙； GMM棒(4)的表面設置光纖光柵(3)，光纖光柵(3)連接第一引線光纖(5)和第二引線光纖(6)，第一引線光纖(5)和第二引線光纖(6)向缺口的相反兩個方向延伸，分別穿過硅鋼磁路部(I)后露出； 在永磁材料缺口中設置永磁體(9 ); 在硅鋼磁路部(I)上與兩個缺口相對的一條邊上繞有導線(7)，所述導線(7)纏繞到硅鋼磁路上，所述導線(7)的兩條引線端連接交流電源(8)的兩端； 所述檢測部包括耦合器(10)、ASE寬帶光源(11 )、光電轉換部(12)和數據采集部(13);ASE寬帶光源(11)輸出的光束入射至耦合器(10)，耦合器(10)輸出的光束經光纖光柵(3)反射后，由第二引線光纖(6)輸出，并返回入射至f禹合器(10 ), f禹合器(10 )輸出的光束入射至光電轉換部(12),光電轉換部(12)的電信號輸出端與數據米集部(13)的電信號輸入端相連。
2.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，導磁柱(2)采用鐵氧體材料。
3.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，硅鋼磁路部(I)采用型號為W470、厚度為0.35mm的硅鋼片疊加而成。
4.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，硅鋼磁路部(I)的厚度為2cm?3cm。
5.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，GMM棒(4)與電流傳感元件缺口上端面之間的空隙為0.05mm。
6.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，在導線(7)連接調壓器8的回路上串聯電阻R和電流表。
7.根據權利要求1所述有偏置磁場的GMM-FBG電流檢測裝置，其特征在于，永磁體(9)采用釹鐵硼材料。
【文檔編號】G01R19/00GK203595746SQ201320837300
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】熊燕玲, 李喬藝, 王鵬, 張偉超, 劉杰, 趙洪 申請人:哈爾濱理工大學