CN101782601A - 一种级连式光纤光栅自解调电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种级连式光纤光栅自解调电流传感器，包括通过光纤链路相连的宽带光源、光隔离器、2×2光纤耦合器、粘结在悬臂梁上的光纤光栅、折射率匹配液、光电探测器以及与光电探测器相连的信号处理单元、与数据处理单元相连的电脑控制系统和与电脑控制系统相连的电磁驱动单元和电磁线圈、永久磁铁固定在悬臂梁的自由端。本发明的技术特点是采用悬臂梁式重力摆结构和“级连式”光纤光栅传感自解调技术。本发明仅用两只光纤光栅即实现了传感又实现了解调，大大降低了光纤光栅传感器解调系统的成本和复杂程度。可用于电流和电磁场测量等领域。

Description

一种级连式光纤光栅自解调电流传感器

技术领域

本发明涉及一种级连式光纤光栅自解调电流传感器，属于传感器与检测技术领域。

背景技术

目前，国内外研究学者和技术人员提出了很多种类的光学电流传感器，光纤电流传感器是其中一种重要的类型。基于不同的原理、设计结构的光纤传感器及其理论和实验研究结果也有见报道。如(Y.W.Lee，I.Yoon，B.Lee，A simple fiber-optic current sensor usinga long-periodfiber grating inscribed on a polarization-maintaining fiber as a sensor demodulator，Sens.ActuatorsA 112，2004)提出的基于光纤双折射效应、利用偏振或干涉测量系统对沿着光纤传输的光的偏振态在电流作用下的变化来实现电流检测的传感器；(Y.Park，W.Seo，C.E.Lee，H.F.Taylor，Fiber Fabry-P′erot type optical current sensor with frequency ramped signal processingscheme，J.Opt.Soc.Korea，2，1998)提出了基于光纤珐布里-珀罗干涉仪式电流方法；(J.A.Ferrari，E.Garbusi，E.M.Frins，C.D.Perciante，Optical current sensor using a self-induced lightsource，Opt.Eng.43(9)，2004)提出了基于法拉第效应的光纤电流传感器。然而，基于干涉检测方法的光纤电流传感器特性容易受到环境温度的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处、提出一种信号解调方便、成本低、实用可靠、精度较高、特性不受环境温度影响的光纤光栅电流传感器。

本发明提出了一种级连式光纤光栅自解调电流传感器，包括等应变悬臂梁式重力摆结构和“级连式”光纤光栅传感自解调技术。其特征在于，包括以下内容：

1.一种用于电流测量的光纤光栅传感器，包括宽带光源，两只光纤光栅，悬臂梁单元、光纤链路及2×2光纤耦合器，光纤隔离器、折射率匹配液、电磁线圈、光电探测器及信号处理单元、电磁驱动单元、电脑控制系统，其特征在于：所述的悬臂梁单元包括等腰三角形等厚悬臂梁和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁作为重力摆结构。

2.按照权利要求1所述的光纤光栅电流传感器中的光纤链路，其特征在于：所述的光纤链路为：连接宽带光源输出端的光纤与一只光纤隔离器相连，光纤隔离器的输出端与一个2×2光纤耦合器相连，光纤耦合器的输出端与第一只光纤光栅相连；经过这个光纤光栅透射的光再通过光纤与第二只光纤光栅相连，第二只光纤光栅的透射光与折射率匹配液相连，其反射光重新返回第一只光纤光栅，经第一只光纤光栅透射后在返回光纤耦合器，从光纤耦合器反向输出的光最后通过光纤被一只光电探测器接收；形成“级连式”光纤链路结构。

3.按照权利要求1所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于：所述的光纤光栅传感器的悬臂梁左右表面，对称粘结着刻制在同一根光纤上的两只光纤光栅，且它们参数接近，反射光谱相互重叠；随着被测电流的增大，重力摆式悬臂梁的摆臂在电磁力的作用下发生弯曲变形，使得一只光栅受拉应力、一只光栅受压应力，两只光栅的反射光谱彼此开始分离。通过检测最终输出光强的变化即可方便得出被测电流的大小，使传感与解调合二为一，仅用两只光纤光栅既实现了传感、又实现了解调，同时也解决了光纤光栅传感器的温度交叉敏感问题。

4.按照权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的与电磁驱动单元相连的电磁线圈与悬臂梁自由端的永久磁铁的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入被测电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。

本发明具有如下特点：

(1)调整重力摆式悬臂梁的重物质量很容易改变测量范围和测量灵敏度，所以可以根据测量范围和测量灵敏度要求选择重物质量，

(2)传感器信号传输通道由全光学元件构成，电绝缘、安全性好、结构简单、实用性强；

(3)传感单元使用两个参数接近的光纤光栅，起到温度补偿作用，加上对传感单元进行封装，可以减小环境温度对测量的影响；

(4)用两只光纤光栅以级连的形式同时实现了传感和解调，大大降低了光纤光栅传感器解调系统的成本和复杂度；

附图说明

图1为本发明提供的级连式光纤光栅自解调电流传感器的系统结构示意图。

图2为本发明对直流输入电流的测量结果。

图3为利用本发明对三角波交流输入信号的测量结果。

具体实施方式

本发明提出的一种级连式光纤光栅自解调电流传感器，包括等应变悬臂梁式重力摆结构和“级连式”光纤光栅传感自解调技术，结合附图说明如下：

图1为本发明提供的级连式光纤光栅自解调电流传感器的系统结构示意图，整个传感器系统包括宽带光源10，两只光纤光栅14和15，悬臂梁单元、光纤链路及2×2光纤耦合器12，光纤隔离器11、折射率匹配液16、电磁线圈21、光电探测器17及信号处理单元18、电磁驱动单元20、电脑控制系统19。悬臂梁单元包括等腰三角形等厚悬臂梁13和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁22作为重力摆结构。连接宽带光源输出端的光纤与一只光纤隔离器11相连，光纤隔离器11的输出端与一个2×2光纤耦合器12相连，光纤耦合器12的输出端与第一只光纤光栅15相连；经过这个光纤光栅透射的光再通过光纤与第二只光纤光栅14相连，第二只光纤光栅的透射光与折射率匹配液16相连，其反射光重新返回第一只光纤光栅15，经第一只光纤光栅透射后在返回光纤耦合器12，从光纤耦合器12反向输出的光最后通过光纤被一只光电探测器17接收；形成“级连式”光纤链路结构。在光纤光栅传感器的悬臂梁左右表面，对称粘结着刻制在同一根光纤上的两只光纤光栅14和15，且它们参数接近，反射光谱相互重叠；与电磁驱动单元20相连的电磁线圈21与悬臂梁自由端的永久磁铁22的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入被测电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。随着被测电流的增大，重力摆式悬臂梁的摆臂在电磁力的作用下发生弯曲变形，使得一只光栅受拉应力、一只光栅受压应力，两只光栅的反射光谱彼此开始分离。通过检测最终输出光强的变化即可方便得出被测电流的大小，使传感与解调合二为一，仅用两只光纤光栅既实现了传感、又实现了解调，同时，由于最终是采用两只光纤光栅反射谱中心波长的差动信号作为输出，温度对两只光纤光栅的影响属于共模信号，可被消除，因此本方法也解决了光纤光栅传感器的温度交叉敏感问题。

由于光纤光栅波长反射功率谱可近似表示为改进的高斯模型：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=R\·\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0}{B}\right)}^2]+\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

其中，δ(λ)为反射功率谱的边带反射率，在通常情况下可近似表示为常数δ，λ₀为初始状态下FBG反射谱的中心波长，即布喇格波长，B为反射谱的3dB带宽，

为反射谱的峰值反射率，即中心波长反射率，其中Δn_max是折射率的最大变化量，L是光栅长度。

当作用在FBG上的物理量(如温度，轴向应力等)发生变化时，会引起n和Λ的相应改变，从而导致λ_B的移动，而反射功率谱的形状将不发生改变。因此，通过测量λ_B的改变量可以间接测量作用于FBG的物理量。

基于(1)式，对于级连式的两只光纤光栅，它们的反射光谱可分别表示为：

$R_1\left(\mathrm{\λ}\right)=R_1\·\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{B_1}\right)}^2]+{\mathrm{\δ}}_1$

                          (2)

$R_2\left(\mathrm{\λ}\right)=R_2\·\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{B_2}\right)}^2]+{\mathrm{\δ}}_2$

而经过两个光纤光栅反射后，最终得到的反射光谱R(λ)可以表示为经过多次反射的反射光的加和：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=R_1\left(\mathrm{\λ}\right)+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{[1-R_1\left(\mathrm{\λ}\right)]}^2{R_2}^n\left(\mathrm{\λ}\right)R_1^{n-1}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(3\right)$

其中，1-R₁(λ)是光纤光栅15的透射谱函数。

经过两只光纤光栅共同反射后的光强W与两只光纤光栅布喇格波长差Δλ的关系可表示为：

$W\left(\mathrm{\Δ\λ}\right)=\underset{{\mathrm{\λ}}_0-\frac{B}{2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_0+\frac{B}{2}}{\∫}}{a}_c\·I_0\{R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})$

$+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{[1-R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})]}^2{R_2}^n\left(\mathrm{\λ}\right)R_1^{n-1}(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})\}\mathrm{d\λ}$

$={\mathrm{\α}}_c\·I_0\underset{{\mathrm{\λ}}_0-\frac{B}{2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_0+\frac{B}{2}}{\∫}}\{R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})+\frac{{[1-R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})]}^2{R}_2\left(\mathrm{\λ}\right)}{1-R_2\left(\mathrm{\λ}\right)R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})}\}\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

$={\mathrm{\α}}_c\·I_0\underset{{\mathrm{\λ}}_0-\frac{B}{2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_0+\frac{B}{2}}{\∫}}\left\{\frac{R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})+R_2\left(\mathrm{\λ}\right)-2R_2\left(\mathrm{\λ}\right)R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})}{1-R_2\left(\mathrm{\λ}\right)R_1(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})}\right\}\mathrm{d\λ}$

其中，B是宽谱光源发光光谱的谱宽，I₀是宽谱光源的发光强度，常数α_c为系统总的衰减系数。

从公式(4)可以看出，当被测参数有所变化后，两只光纤光栅的反射波长彼此分离，表现为波长差Δλ，而这个波长差的产生将导致最终光电探测器17接收到的光强度的变化，经过光电探测器的光电转换后，就可由信号处理单元18处理了。

图2为当给电磁线圈21通入直流电流时，传感器的测量电压输出特性曲线。而图3是当给电磁线圈通入交流三角波信号时，传感器的测量结果。可以看到，传感器系统可以实现对直流电流和交流电流信号的检测。

Claims (4)

1.一种级连式光纤光栅自解调电流传感器，包括宽带光源，两只光纤光栅，悬臂梁单元、光纤链路及2×2光纤耦合器，光纤隔离器、折射率匹配液、电磁线圈、光电探测器及信号处理单元、电磁驱动单元、电脑控制系统，其特征在于：所述的悬臂梁单元包括等腰三角形等厚悬臂梁和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁作为重力摆结构。

2.按照权利要求1所述的光纤光栅电流传感器中的光纤链路，其特征在于：所述的光纤链路为：连接宽带光源输出端的光纤与一只光纤隔离器相连，光纤隔离器的输出端与一个2×2光纤耦合器相连，光纤耦合器的输出端与第一只光纤光栅相连；经过这个光纤光栅透射的光再通过光纤与第二只光纤光栅相连，第二只光纤光栅的透射光与折射率匹配液相连，其反射光重新返回第一只光纤光栅，经第一只光纤光栅透射后在返回光纤耦合器，从光纤耦合器反向输出的光最后通过光纤被一只光电探测器接收；形成“级连式”光纤链路结构。

3.按照权利要求1所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于：所述的光纤光栅传感器的悬臂梁左右表面，对称粘结着刻制在同一根光纤上的两只光纤光栅，且它们参数接近，反射光谱相互重叠；随着被测电流的增大，重力摆式悬臂梁的摆臂在电磁力的作用下发生弯曲变形，使得一只光栅受拉应力、一只光栅受压应力，两只光栅的反射光谱彼此开始分离。通过检测最终输出光强的变化即可方便得出被测电流的大小，使传感与解调合二为一，仅用两只光纤光栅既实现了传感、又实现了解调，同时也解决了光纤光栅传感器的温度交叉敏感问题。

4.按照权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的与电磁驱动单元相连的电磁线圈与悬臂梁自由端的永久磁铁的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入被测电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。

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