CN101672865A - 一种新型光纤电流传感器系统 - Google Patents

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齐龙舟
刘亮
皋魏
席刚
周正仙
仝芳轩
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Abstract

本发明提供一种光纤电流传感器系统，该系统包括控制单元以及和控制单元通过传感光缆连接的传感头，所述传感头包括电缆和缠绕电缆的传感光缆，所述传感光缆内封装有传感光纤和参考光纤，所述传感光纤上涂敷有磁致伸缩材料，所述控制单元包括激光器，与激光器连接的光纤耦合器，与光纤耦合器通过传感光缆连接的反射镜，与光纤耦合器连接的光电转换器，与光电转换器连接的数据处理器，与数据处理器连接的信号采集器，用于采集数据处理器的输出信号并送至计算机中进行分析处理。本系统采用光纤作传感介质，与传统的电流传感器相比，系统具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、耐高压、安全性好等特点。

Description

一种新型光纤电流传感器系统
技术领域
本发明属于一种光纤传感器技术，具体涉及一种光纤电流传感器系统及其传感方法。
背景技术
在人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件，传感器与人类的关系愈来愈密切。传感器技术是现代信息技术的重要组成部分，也是代表国家科技竞争力的核心技术之一。
电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有着举足轻重的地位。近年来随着我国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高，由80年代的220KV骨干电网发展到目前500KV骨干电网，预计随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1200KV的输电线路进行电力的输送。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，因此，必须研究和发展新型的高压设备，电流传感器就是其中之一。
电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面，要求测量装置具有很高的测量准确度及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反应迅速。同时，电力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要求。目前，在电力系统中广泛使用的电流传感器是电磁式电流传感器，其传感头采用电磁感应原理。电磁式电流互感器的结构简单，可靠性高，不易损坏，这是其主要优点。但由于结构和使用条件的特殊性，它也存在频率响应差、电磁干扰严重等缺点。
现在被大多数人采用的电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。具体原理是当电缆中有电流通过时，会产生磁场。磁场的强弱与通过的电流大小成正比。将传感光缆置于电缆磁场内，电缆中电流的变化引起磁场强度发生变化，磁场的变化引起光缆中传输光相位发生变化。再通过干涉技术将相位变化转换为强度变化，并通过光电转换检测出来传送至计算机。
但现有的采用上述原理的电流传感器频率响应差、电磁干扰严重、相位变化较小，所以导致检测精度不高。
为此设计一种新型光纤电流传感器以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的光纤电流传感器系统及传感方法。系统采用光纤作传感介质，与传统的电流传感器相比，系统具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、耐高压、安全性好等特点。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供一种光纤电流传感器系统，该系统包括控制单元以及和控制单元通过传感光缆连接的传感头，所述传感头包括缠绕电缆的传感光缆，所述传感光缆内封装有传感光纤和参考光纤，所述传感光纤上涂敷有磁致伸缩材料，所述控制单元包括
激光器，用于产生光源；
与激光器连接的光纤耦合器，用于将光源从一条光纤中分至多条光纤中；
与光纤耦合器通过传感光缆连接的反射镜，用于将传感光纤和参考光纤内的光反射至耦合器处并发生干涉；
与光纤耦合器连接的光电转换器，用于将光强变化转换为电压变化；
与光电转换器连接的数据处理器，用于处理光电转换器的输出信号；
与数据处理器连接的信号采集器，用于采集数据处理器的输出信号并送至计算机中进行分析处理。
优选的，所述磁致伸缩材料为稀土。
优选的，所述传感光纤上涂敷磁致伸缩材料的方法为化学气相沉积法。
本发明的优点如下：
1)传感器探头由全光纤组成，利用在传感光纤的外壁涂敷磁致伸缩材料来进行传感；
2)系统体积小，免受电磁干扰，传感器容易安装；
3)系统动态范围大，探测灵敏度高。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明具体结构示意图。
具体实施方式
以下将通过具体实施例来对本发明的进行详细说明。
一种光纤电流传感器系统，该系统包括控制单元3以及和控制单元通过传感光缆连接的传感头，所述传感头缠绕电缆2的传感光缆1，所述传感光缆1内封装有传感光纤11和参考光纤12，所述传感光纤11上涂敷有磁致伸缩材料，所述控制单元3包括
激光器31，用于产生光源；与激光器连接的光纤耦合器32，用于将光源从一条光纤中分至多条光纤中；与光纤耦合器通过传感光缆1连接的反射镜4，用于将传感光纤和参考光纤内的光反射至耦合器处并发生干涉；与光纤耦合器连接的光电转换器33，用于将光强变化转换为电压变化；
与光电转换器连接的数据处理器34，用于处理光电转换器的输出信号；与数据处理器连接的信号采集器35，用于采集数据处理器的输出信号并送至计算机36中进行分析处理。
当电缆中有电流通过时，会产生磁场。磁场的强弱与通过的电流大小成正比。将传感光缆1置于电缆磁场内，电缆2中电流的变化引起磁场强度发生变化，磁场的变化引起光缆中传输光相位发生变化。通过干涉技术将相位变化转换为强度变化，并通过光电转换检测出来。系统根据光强的变化检测电缆中电流的变化，当有事件发生时，以此进行报警。
系统所用的光缆为特殊光缆，在光缆中传感光纤的外围涂敷有磁致伸缩性材料，如稀土。磁致伸缩材料是指因磁化而引起弹性变形的磁性材料。磁致伸缩的原因是由于在磁化时材料磁畴结构变化引起晶格间距的改变，因此磁致伸缩材料必须是铁磁物质。常用的磁致伸缩材料是以铁、钴、镍为主的合金及软磁铁氧体。
所述传感光纤上涂敷磁致伸缩材料的方法为化学气相沉积法。当放置于磁场中，磁场变化时，材料会随之伸缩，由此会挤压光纤，导致光纤的长度和折射率发生变化。
使用时，激光器发出的光，经耦合器注入到传感光纤和参考光纤中，传感光纤和参考光纤封装于同一根传感光缆内。传感光缆安装于待测的电缆周围，当电缆中有电流通过时，会产生磁场，磁场导致传感光纤外围的磁致伸缩材料发生形变，引起光纤长度和折射率发生变化。传感光纤和参考光纤中的光，经反射镜反射后，在耦合器处发生干涉。由于参考光纤为普通单模光纤，外围没有磁致伸缩材料，其相位没有受到电缆中电流产生的磁场的影响，则传感光纤和参考光纤中的光相位差会发生变化。干涉后，系统将相位变化转换为光强变化，并通过光电转换器转换为电压变化。光电转换器输出的传感信号，经数据处理器数据处理后，被信号采集器采集，最终送入计算机中进行分析处理，并根据分析结果对电缆中电流实施监控。
本发明的有益效果如下：
1)传感器探头由全光纤组成。利用在传感光纤的外壁涂敷磁致伸缩材料来进行传感；
2)系统体积小，免受电磁干扰，传感器容易安装；
3)系统动态范围大，探测灵敏度高
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (3)

1.一种光纤电流传感器系统，其特征在于：该系统包括控制单元以及和控制单元通过传感光缆连接的传感头，所述传感头包括缠绕电缆的传感光缆，其特征在于：所述传感光缆内封装有传感光纤和参考光纤，所述传感光纤上涂敷有磁致伸缩材料，所述控制单元包括
激光器，用于产生光源；
与激光器连接的光纤耦合器，用于将光源从一条光纤中分至多条光纤中；
与光纤耦合器通过传感光缆连接的反射镜，用于将传感光纤和参考光纤内的光反射至耦合器处并发生干涉；
与光纤耦合器连接的光电转换器，用于将光强变化转换为电压变化；
与光电转换器连接的数据处理器，用于处理光电转换器的输出信号；
与数据处理器连接的信号采集器，用于采集数据处理器的输出信号并送至计算机中进行分析处理。
2.如权利要求1所述的光纤电流传感器系统，其特征在于：所述磁致伸缩材料为稀土。
3.如权利要求1所述的光纤电流传感器系统，其特征在于：所述传感光纤上涂敷磁致伸缩材料的方法为化学气相沉积法。
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