光纤光栅大电流传感研究

1、常瑞周次明陈留勇姜德生(武汉理工大学光纤中心,武汉430070 )摘要 利用电磁力的原理,提出了一种测量高压大电流的方法，将高压大电流母线缠绕成单匝或 双匝螺线管，产生吸引力，使光纤光栅产生应变以此来测量大电流。通过实验使用多匝螺线管和 小电流进行了模拟大电流测量。模拟实验结果表明，光纤光栅波长对电流大小的灵敏性逐步增 强，特别适合于大电流的测量。尖键词 光纤光栅传感；电流传感器；电磁力中图分类号 tp212.14 文献标识码 a1引言随着电力工业的发展,输变电线路电压等级 和电流强度越来越高，对电流和电压传感器的性 能要求也更趋严格。目前应用在超高压(100 500 kv丿线路中的电流传感器

2、是传统的电流互感 器，制造复杂，绝缘比较困难，维护费用高，而且 还有引入高电压进入安全区域的危险，因此大电 流测量技术的研究成为当前电流fl !1量领域的一 个前沿课题。光纤电流传感方法由于其固有的优点，近2( 年来，国内外学者做了大量的研究工作提岀了餅 多设计方案，也取得了一定的成果。利用马赫2曾 德尔干涉仪测量的光纤电流传感器，由于受光纤萍 身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约 比较严重，使得研究应用难以深入利用法拉第 效应的电流传感器设计简单，容易加工，但其受光 纤本身的线性双折射影响极大，实用化比较g 难,利用磁致伸缩效应的光纤电流传感器主要问题 在于磁致伸缩材料本身对被测磁场也

3、有一定的影 响，而且在实用中受温度影响较大，效果并不理 想w。目前只有光电混合式的光学电流传感器在 小范围内进行了实用化,但是传感器中有些器件需 要提供电源成为这项技术进一步推广的矢镯 问题。光纤光栅传感技术在近几年取得了快速的发 展，并在石化交通和军事等领域得到广泛应用。 在光纤光栅电流传感研究方面,有少量利用磁致伸 缩材料和电致伸缩材料乃至有电流热效应进行光 纤光栅电流传感的报道。本实验利用电磁力的 原理，提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝暢 线管，产生吸引力，带动光纤光栅产生应变，并通迥 对光纤光栅波长的测量，实现对吐待测高压大电流 测量的方法，并使用多匝螺线管和小电流进行了樓 拟大电

4、流测量。2基本原理光纤光栅栅距的变化,将引起布拉格波长的变 化。若波长变化量与被测物理量间存在某种联系, 利用光纤光栅波长解调器观测波长变化值,即可获 得该被测物理量。环境温度不变时，轴向应变£引起光纤光栅的 波长的相对移动值为血仅 4= (1 必()其中"为有效光弹系数，鼻为光纤光栅波长的 变化量人为光纤光栅的波长值。应变可表示为8= 厶/厶=f/ e4(2)其中，厶为光纤光栅的伸长量，厶为光纤光栅的有 效长度，e为弹性模量m为光纤的横截面积肿为2012pftw#ww#2012-07-19# 龄陀-07-19#光纤在轴向上所受到的外力。联立式（1丿和式得鼻 zi= （1

5、p） f/ ea可见光纤光栅波长的移动量与受力的大小成正比。本文提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双 匝螺线管，产生吸引力带动光纤光栅产生应变，并 通过对光纤光栅波长的测量,实现对待测高压大电 流的测量。当气隙西良小时，通电螺线管的电磁吸力"釦 其中q为电压，/为气隙磁导，负号表示用向 减小的方向.当气隙5很小时，可以近似地认为气 隙磁导其中“为磁导率,忽略铁磁阻和非工作气隙的磁匕 阻,5就近似地等于通电线圈的总磁动势，所以"=in r（6）其中，n为线圈的匝数，将式（5丿、（6丿代入式（4儿 得到电吸力用与电流/的函数尖系e = *护i2由式（7丿看出电磁吸力用正比于尸。如

6、果将此电 磁力直接作用在光纤光栅轴向上，式（3丿可推导为aizi = tf对于特定装置，k、卩均为常量，可以通过实验方式 确定。3模拟实验装置根据式，在气隙和磁导率确定时，相同安匝 数螺线管产生的电磁力相等，因此可以使用多匝蜴 线管在小电流情况下，模拟单匝或两匝螺线管在高 电压大电流情况下产生的电磁力，并将此电磁力作 用在光纤光栅上，获得电流的大小。如采用1 00（ 匝螺线管中通入1 a的电流时所产生的磁力，理恁 情况下可以认为等同于将1 000 a电流通入单匝暢 线管时所产生的磁力。本模拟实验装置如图1所示。通电螺线管严 生的电磁吸力作用在紧紧固定在杠杆一端的衔锣 上，被固定在杠杆另一端的光

7、纤光栅受到此轴向扛 力的作用，发生轴向应变，使光纤光栅反射波长移 动。电流越大，产生的电磁力也越大，光纤光栅浓 长移动也越大。图1光纤-光栅电流传感器实验结构示意图fig. 1 sketch map of optic fiber grating electriccurrent sensor experiment structure本实验中螺线管匝数为2 000匝,电阻为7 q , 使用型号为lightwave ldc23744b的可调谐恒济 电源为螺线管提供工作电流，电流强度调谐精度 80 “a，可提供最大电压10 v。光纤光栅波长读出 机构为用f2p腔原理制成的波长解调器,其波长 的解调精度

8、达到10 2 nm o光纤光栅的长度为 8 mm，自由状态下波长为1 300.680 nm，为了使魏 据更准确，螺线管通电前，给光纤光栅施加预张力 布拉格波长移到1301 . 928 nm螺线管与电磁衔钞 间气隙为 2. 3 mm =0. 22 °4实验结果在电流传感模拟实验前，测量了螺线管产生电 磁力与电流之间的尖系。给线圈通入电流，通电结 圈产生电磁力，随着电流的增大，电磁力也随之堤 大。记录电磁力每1 g力（即0.0098 n）变化的情为 下对应的电流值。电流强度从0 ma增至最大限额 1 224 ma,电磁力从0增至763 g,结果如图2 所示。图2电磁力与电流的另系fig.

9、 2 relationship between electromagnetic forceand current图2中，芽斤示数据为电磁力随电流变化尖 系，从图中可以看出在电流强度达到136 ma之前， 电磁力并未发生明显变化，到136 ma之后，电磁丈 从零幵始增大，闕着电流不断增大，电磁力也髓之 快速增加。为了更进一步地分析和验证电流与哇 磁力间的矢系，根据千斤示的实测数据，作出电滨 平方与电磁力间的矢系曲线图，用像示，明显圮 看出电磁力与电流平方的正比矣系，与理论分析非 常吻合°模拟电流测量时，调节电源输出改变线圈中能 电流，通过光纤光栅解调器，观测不同电流强度治 应的布拉格波

10、长。随着电流的增大，光纤光栅的浪 长随着增加，电流强度从0 ma增至最大限额 1 000 ma左右，每10 ma记录下相应的布拉格浪 长变化的数据，经过重复多次实验，实验结果如图 3所示。/a图3布拉格波长与电流的矢系fig. 3 relationship between bragg wavelengthand the current图3中，做据分别为三次实验的结果。本 实验中采用的螺线管匝数约为2 000匝，通入1 a的 电流时所产生的磁力，理想情况下可以认为等同于 将1 000 a电流通入双匝螺线管时所产生的磁力。 输入电流从（）ma开始，直至增大到110 ma ,布拉格 波长未发生明显漂

11、移，从110 nia至260 ma ,相应的 大电流从110 a增大260 a，布拉格波长有了微小的 变化;在电流超过300 ma后,随着电流不断调节增 大拉格波长的变化愈加明显；在电流达到 700 ma左右的值时，布拉格波长增大1 nm左右，当 电流增大至1 000 ma左右时，布拉格波长变化了 4nm左右。由此可见，由于受本文实验装置和电磁 力大小与电流平方成比彳列尖系的限制，在260 ma以 内，光纤光栅波长对电流并不敏感，但电流超过此值 后,波长对电流大小的灵敏性逐步增强。因此本方 法和装置特别适合于测量大电流。为了进一步分 析和验证电流强度与布拉格波长的尖系,根据图3中的三组实测数据

12、分别作三条 电流平方与布拉格波长间的尖系曲线图，如图4所 示。/7ma*图4布拉格波长与电流平方的尖系fig. 4 relationship between wavelength andsquare of the current图4中，数据分别对应图3中的三组实 验结果，由数据可以看出在电流平方约大于 200 000 ma?之后，布拉格波长与电流平方成线性 尖系°5讨论根据图3中实验数据，电流在110300 ma之 间，布拉格波长只有微小漂移量，波长对电流变化 不灵敏，电流达到300 ma之后，灵敏度不断增加， 电流增至980 ma左右，灵敏度最高，可达 23 pm/ ma。由此可见

13、，光纤光栅波长对电流大小 的灵敏性随电流的增大而逐步增强。由于本实验装置的局限性，电流在达到一定阈 值（本实验是110 ma）之前看不到明显实验现象, 这就造成在进行大电流测量时，这种特定装置存在 测量下限的限制,如果设计另外的装置，可能增加 光纤光栅对较小电流的敏感性，降低这种测量下 限，能获得不同性能等级的光纤光栅电流传感器。由图4可以看出，本实验中还存在一定误差, 导致»!寸应数据的线性度不好，主要原因在于:根 据式（7）,本实验装置中电磁吸力&受气隙旷的影 响,根据图5所示，通电一段时间之后，磁通有扩散 现象，气隙使导磁面增大，所以气隙的有效长度缩误差的一个原因。图5

14、气隙缩短示意图fig. 5 sketch map of shortened6结论该实验当有电流通过时严生的电磁力使得光 纤受拉应力作用，反射波长向长波长方向漂移。遁 过实验发现，电流强度越大，移动量越多，该方法笊 优点是，光纤光栅波长对电流大小的灵敏性逐步增 强，所以特别适台于测量大电流。有待改善的地方 是提高机械装置的可靠性，在实际应用中要增加修 正光纤光栅受温度影响的装置。参考文献1许玲，惠小丽光学电流传感器的实现方案及其现状j.光电子技术与信息.2004,17(1) :19225.2 聂一雄，尹项根，张哲.对光纤电流传感器应用中的若 干问题的探讨j高压电路,2001,37 (1) :27

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16、ong , yet el electric current mea surement wit h high re solution using fb g co vered by al uniini uni thin fil ni c spie, 2001 .45 95 : 55259.6 dej un feng , guiyun kai, lei ding , et al. experi2 mental study on fiber bragg grating electric current sensorc. spie .2000 ,4082 :22227.7 娄杰，李庆民，赵彤，等电磁铁动

17、态吸力公式的一 种推演及动态运动过程分析j 低压电器,2005 . (11) :362428 michael todda . mark seavera , tim wienerb , et al. structural mo nito ri ng usi ng a novel higli2perfo r ma net- fiber optic measurement system c . spie、2002 , 4694:112179 zhishen wu , bin xu. a real2time structural paramet2 ric identificatio n system

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