CN102818920A - 基于电磁力的光纤电流测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁力的光纤电流测量装置及方法，该装置包括通过金属导线与被测电流连接的金属螺线管，所述的金属螺线管内设有金属推杆，所述的金属推杆的右侧依次穿过金属定铁和回位弹簧后与金属动铁连接，所述的金属动铁上设有调节螺杆，该调节螺杆穿过辅助定位装置的右侧板，所述的金属推杆的左侧穿过辅助定位装置的第一左侧板后与弹性元件连接，所述的弹性元件上设有光纤应力传感探头，光纤应力传感探头通过传输光纤与数据与分析处理装置连接，所述的光纤应力传感探头的附近设有光纤温度传感探头，该光纤温度传感探头通过传输光纤与数据分析与处理装置连接。本电流测试装置结构简单、能测出准确的电流值。

Description

基于电磁力的光纤电流测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电流计量、电流控制及电流继电保护领域，尤其涉及一种基于电磁力的光纤电流测量方法及装置。 

背景技术

电流量值作为电能源的一个重要参数、电学计量的基本量，广泛应用于交直流输电、电镀、电冶、电机制造及检修、核物理、电池、电气机车、航空航天等领域。电流量值从几安、几十安至几百安、几千安甚至上万安培，对这些电流值的准确测量，直接关系到系统运行效果，关系到产品质量，甚至关系到整个系统工程的成败。 

随着高压输电、电镀、电冶、电机制造及检修、电池、电气机车、铁路机车、航空航天、雷击电流监测等领域对大电流测量的迫切需求，电力系统向大容量、高电压的方向发展，传统的电流测量装置已经越来越不能适应这个发展趋势，存在着：1、绝缘结构复杂，尺寸大，造价高；2、测量准确度无法满足；3、设备安装、检修不方便；4、存在潜在的危险，对操作工人的生命构成威胁，因此我们有必要开发和研制新型的电流测量装置，亟需进行电流计量方面的技术革新。 

光纤作为信号传输介质具有以下优点：损耗低、频带宽；重量轻；无电磁感应；绝缘性能好；弯曲性好；价格便宜。由于光纤信号传输的无电磁感应性及其良好的绝缘特性，因此它可以满足高压工作环境下的绝缘要求，没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险，以及传统充油电流互感器漏油、爆炸等危险，不会产生磁饱和及铁磁共振现象，且频带宽，可以从直流到几百千赫，适用于继电保护和谐波检测，并可光学组网。因此，将光纤运用于电流测量技术，有良好的发展前景。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、抗电磁干扰能力强、性能稳定的能得到准确的电流测量值的基于电磁力的光纤电流测量方法及装置。 

本发明提出的一种基于电磁力的光纤电流测量方法及装置，是借助光纤传感器对应力或应变和温度的敏感性，将电流激励光纤电流传感装置时产生的电磁力通过光纤应力敏感单元获取电流信息；将测量电流时的环境温度变化作用在光纤温度敏感单元，进而实现电流测量时的温度测量，并经数据处理实现光纤电流测量时的温度补偿。 

电磁力产生原理如下：通电线圈在施加电流I激励时，通电线圈四周产生磁场，如果有金属导磁体（Armature）放在通电线圈产生的磁场内将要被磁化，被磁化后的金属导磁体带有磁性，由于被磁化后的金属导磁体的磁场极性和通电线圈产生的磁场异性，金属导磁体便产生向通电线圈方向的电磁吸力F；当电流反向时，其磁场也相反，但被通电线圈感应磁化的金属导磁体总是异极性，因此仍然会产生电磁吸力。 

金属导磁体的电磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中磁感应强度的平方成正比，如果磁感应强度沿磁极表面是均匀分布的，则计算电磁吸力的基本公式为: 

 [0009] 本发明所采用的技术方案是：一种基于电磁力的光纤电流测量装置，它包括通过金属导线与被测电流连接的金属螺线管，所述的金属螺线管内设有金属推杆，所述的金属推杆的右侧依次穿过金属定铁和回位弹簧后，与金属动铁连接，所述的金属动铁上设有与调节金属定铁和金属动铁之间的气隙大小的调节螺杆，所述的调节螺杆穿过辅助定位装置的右侧板，所述的金属推杆的左侧穿过辅助定位装置的第一左侧板后与弹性元件连接，所述的弹性元件上设有光纤应力传感探头，该光纤应力传感探头通过传输光纤与数据分析处理装置连接，所述的光纤应力传感探头的附近设有光纤温度传感探头，该光纤温度传感探头通过传输光纤与数据分析处理装置连接。

按上述方案，所述的金属定铁和金属动铁为圆柱体，为克服涡流的影响，在金属定铁和金属动铁的圆柱体的侧面上切有开口；在金属定铁圆柱体内开有导孔，所述的金属推杆穿过该导孔。 

按上述方案，所述的金属定铁和金属动铁间有回位弹簧，在没有电磁力时，金属动铁能自动回位。 

按上述方案，所述的光纤应力传感探头和光纤温度传感探头采用光纤传感器或光纤布拉格光栅传感器制作而成。 

按上述方案，所述的光纤应力传感探头固定在弹性元件上实现电磁力的检测；光纤温度传感探头安装在光纤应力传感探头附近检测环境温度信息实现环境温度的检测。 

按上述方案，所述的调节螺杆可以调节金属动铁和金属定铁的气隙大小，进而实现不同电流的测量。 

按上述方案，所述的金属螺线管采用铜或铝制成圆柱状或板条状；金属定铁和金属动铁采用纯铁等易磁化易退磁的材料制作；辅助定位装置采用绝缘材料制作。 

本发明还提供一种基于电磁力的光纤电流测量装置的应用方法：该应用方法包括如下步骤： 

1）测试前根据被测电流的大小，调节调节螺杆使金属定铁和金属动铁之间的气隙大小适合测量需要；

2）将被测电流通过金属导线与基于电磁力的光纤电流测量装置的金属螺线管连接；

3）当被测电流激励金属螺线管时，在金属螺线管内产生均匀磁场，并磁化金属定铁和金属动铁，磁化的金属定铁和金属动铁产生电磁力，电磁力导致金属推杆克服回位弹簧的阻力，使金属动铁向金属定铁方向移动，金属推杆将所受的电磁力通过弹性元件传递到设在弹性元件上的光纤应力传感探头上，使光纤应力传感探头的信号发生变化，变化的光纤应力传感探头的信号通过传输光纤到达数据分析处理装置；同时光纤温度传感探头通过传输光纤将采集到的光纤应力传感探头附近的温度传递给数据分析处理装置；数据分析处理装置经过处理获得具有温度补偿的电流测量值。

按上述方案，所述的金属螺线管、金属定铁、金属动铁、弹簧，金属推杆、弹性元件、调节螺杆可以根据电流测试需要调整尺寸、参数、形状。 

本发明中采用光纤光栅制作的光纤应力传感探头的温度补偿原理如下： 

利用双光纤光栅对应变或温度的差异特性，在温度和应力作应下的双光纤光栅中每个布拉格中心波长的偏移量为：

双光纤光栅在温度和应力作应下的布拉格中心波长差值为：

通过合理的设计和布置双光纤光栅，如果满足（5）式中的

，就可以抑制光纤光栅传感器的布拉格反射波长的温度漂移。

本发明的有益效果在于：1、结构简单，易于实现。2、绝缘效果好，抗电磁干扰，稳定性好。3、设备安装、检修方便。4、不存在安全隐患，对操作工人的生命构成威胁。5、可以通过不同匝数的金属螺线管、不同尺寸和材料的金属定铁和金属动铁、借助金属推杆调整金属定铁和金属动铁的气隙、弹性元件的设计等综合调整电磁力的大小和灵敏度，用于不同电流范围的测量场所。6、该方法简单、方便，能准确得出电流测量值。 

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。 

图2是本发明与被测电流的具体连接结构示意图。 

图中：1、金属螺线管，2、金属定铁，3、金属动铁，4、回位弹簧，5、金属推杆，6、弹性元件，7、调节螺杆，8、光纤应力传感探头，9、光纤温度传感探头，10、辅助定位装置，11、传输光纤，12、数据分析处理装置，13、金属导线，14、被测电流。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。 

实施例1，参见图1和图2，一种基于电磁力的光纤电流测量装置，它包括通过金属导线13与被测电流14连接的金属螺线管1，所述的金属螺线管1内设有金属推杆5，所述的金属推杆5的右侧依次穿过金属定铁2和回位弹簧4后与金属动铁3连接，所述的金属动铁3的上设有调节金属定铁2与金属动铁3之间的气隙大小的调节螺杆7，该调节螺杆7穿过辅助定位装置10的右侧板，所述的金属推杆5的左侧穿过辅助定位装置10的第一左侧板后与弹性元件6连接，所述的弹性元件6上设有光纤应力传感探头8，光纤应力传感探头8通过传输光纤11与数据分析处理装置12连接，所述的光纤应力传感探头8的附近设有光纤温度传感探头9，该光纤温度传感探头9通过传输光纤11与数据分析处理装置12连接。 

本实施例中，金属螺线管采用铜线制作，铜线直径10mm，在铜线两端焊接有含孔的接线端子，并绕成圆形，内径35mm，单匝；金属定铁长26mm，直径15mm，开口2mm，通空5mm；金属动铁36mm,直径13mm，开口2mm，金属定铁和金属动铁均采用纯铁制作；调节调节螺杆7使金属定铁2和金属动铁3的气隙22mm（测量800A电流）。 

本实施例中，光纤应力传感探头8和光纤温度传感探头9均采用光纤光栅制作，数据分析处理装置由基于F—P的光纤光栅波长解调模块和计算机分析系统组成。 

本实施例中，所述的金属定铁2和金属动铁3为圆柱体，在金属定铁2和金属动铁3的圆柱体的侧面上切有开口；所述的金属定铁2和金属动铁3采用易磁化易退磁的材料制成；所述的金属螺线管1采用铜或铝制成圆柱状或板条状；所述的辅助定位装置10采用绝缘材料制成。 

在金属定铁2的圆柱体内开有导孔，所述的金属推杆5穿过该导孔； 

本实施例中，所述的光纤应力传感探头8和光纤温度传感探头9采用光纤光栅传感器制作而成；所述的光纤应力传感探头8固定在弹性元件6上实现电磁力的检测；光纤温度传感探头9安装在光纤应力传感探头8附近检测环境温度信息实现环境温度的检测。

利用该基于电磁力的光纤电流测量装置测量电流的方法，包括如下步骤：测试前根据被测电流14大小，调节螺杆7使金属定铁2和金属动铁3的气隙大小适合测量需要；将被测电流14通过金属导线13接入金属螺线管1；当被测电流14激励金属螺线管1时，在金属螺线管1内产生均匀磁场，并磁化金属定铁02和金属动铁3，磁化的金属定铁2和金属动铁3产生电磁力，电磁力导致金属推杆克服回位弹簧4的阻力，使金属动铁3向金属定铁2方向移动，金属推杆5将所受的电磁力通过弹性元件6传递到设在弹性元件6上的光纤应力传感探头8上，使光纤应力传感探头8的信号发生变化，变化的光纤应力传感探头8的信号通过传输光纤11到达数据分析处理装置12；同时光纤温度传感探头9通过传输光纤11将采集到的光纤应力传感探头8附近的温度传递给数据分析处理装置12；数据分析处理装置12经过处理获得具有温度补偿的电流测量值。 

使用过程中，被测电流14通过金属导线13接入金属螺线管1时应该使接线牢固，传感器安装平稳，且在使用过程中避免外部振动干扰测量装置，对光纤温度传感探头9的传感信号造成影响。 

本发明可以通过不同匝数的金属螺线管、不同尺寸和材料的金属定铁和金属动铁、借助金属推杆调整金属定铁和金属动铁的气隙、弹性元件的设计等综合调整电磁力的大小和灵敏度，以适应不同电流范围的测量场所。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改，等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：它包括通过金属导线与被测电流连接的金属螺线管，所述的金属螺线管内设有金属推杆，所述的金属推杆的右侧依次穿过金属定铁和回位弹簧后，与金属动铁连接，所述的金属动铁上设有与调节金属定铁与金属动铁之间的气隙大小的调节螺杆，所述的调节螺杆穿过辅助定位装置的右侧板，所述的金属推杆的左侧穿过辅助定位装置的第一左侧板后与弹性元件连接，所述的弹性元件上设有光纤应力传感探头，该光纤应力传感探头通过传输光纤与数据分析处理装置连接，所述的光纤应力传感探头的附近设有光纤温度传感探头，该光纤温度传感探头通过传输光纤与数据分析处理装置连接。

2.如权利要求1所述的基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：所述的金属定铁和金属动铁为圆柱体，在金属定铁和金属动铁的圆柱体的侧面上切有开口；在金属定铁的圆柱体内开有导孔，所述的金属推杆穿过该导孔。

3.如权利要求1所述的基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：所述的光纤应力传感探头和光纤温度传感探头采用光纤传感器或光纤布拉格光栅传感器制作而成。

4.如权利要求1所述的基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：所述的光纤应力传感探头固定在弹性元件上。

5.如权利要求1所述的基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：所述的金属螺线管采用铜或铝制成圆柱状或板条状；所述的金属定铁和金属动铁采用易磁化易退磁的材料制作；所述的辅助定位装置采用绝缘材料制作。

6.如权利要求5所述的基于电磁力的光纤电流测量装置，其特征在于：所述的的金属定铁和金属动铁采用纯铁材料制成。

7.权利要求1所述的基于电磁力的光纤电流测量装置的应用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）测试前根据被测电流的大小，调节调节螺杆使金属定铁和金属动铁之间的气隙大小适合测量需要；

2）将被测电流通过金属导线与基于电磁力的光纤电流测量装置的金属螺线管连接；

3）当被测电流激励金属螺线管时，在金属螺线管内产生均匀磁场，并磁化金属定铁和金属动铁，磁化的金属定铁和金属动铁产生电磁力，电磁力导致金属推杆克服回位弹簧的阻力，使金属动铁向金属定铁方向移动，金属推杆将所受的电磁力通过弹性元件传递到设在弹性元件上的光纤应力传感探头上，使光纤应力传感探头的信号发生变化，变化的光纤应力传感探头的信号通过传输光纤到达数据分析处理装置；同时光纤温度传感探头通过传输光纤将采集到的光纤应力传感探头附近的温度传递给数据分析处理装置；数据分析处理装置经过处理获得具有温度补偿的电流测量值。

8.如权利要求7所述的基于电磁力的光纤电流测量装置的应用方法，其特征在于：所述的金属螺线管、金属定铁、金属动铁、回位弹簧，金属推杆、弹性元件、调节螺杆根据被测电流的大小选择所需尺寸、参数和形状。

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