CN103207310A - 基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置，包括光源、单模光纤、填充有磁流体的闪耀型光纤光栅、通电的螺线圈、光谱仪，所述的光源通过单模光纤连接到闪耀型光纤光栅，闪耀型光纤光栅的另一个接头通过单模光纤连接到光谱仪上，其中闪耀型光纤光栅放置在通电的螺线圈内。磁场由通电的螺线圈提供，磁场作用在磁流体上，光栅的谐振波长发生漂移，通过检测到的中心波长漂移值可以探测到磁流体在磁场作用下折射率变化情况，这样间接可以探测到所加磁场的大小，并且通过磁场来反演电流的大小。本发明提供的电流变化检测装置具有制作工艺简单，成本低，集成度高，可操作性强等优点，还可以广泛应用于传感器和恶劣环境中的通电领域。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别是一种基于闪耀光纤光栅和磁流体相结合的电流变化检测装置。它是一种能够克服绝缘、温漂、振动和污染等困难，并且为恶劣工程环境中的电流计量、电力分配、继电保护、控制和监视等工作提供一种新而可靠的解决方案的装置，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
背景技术
闪耀光纤光栅（BFBG:Blazed fiber Bragg grating）是一种光栅栅面与光纤轴向有一定夹角的短周期光纤光栅。由于光栅的栅面发生倾斜，前向传输的入射光除了部分耦合为满足布喇格条件的反向传输的纤芯模外，其它的还将耦合为一系列反向传输的包层模。由于BFBG具有大量不同性质的谐振峰，使它们对于不同的外界参量，如折射率、温度、应力、弯曲等具有不同的响应。因此，闪耀光纤光栅在传感领域有着非常广泛的用途。闪耀光纤光栅作为一种新型的光子器件，它们特殊的结构与模式耦合使其兼具布喇格光栅（FBG）与长周期光栅（LPG）的双重优点，且有着非常独特的优越性。它们不仅能够实现单参量的精确测量；而且在多参量传感技术中发挥着重要的作用，从而可以解决温度交叉敏感问题，是一种新型的多功能光纤光栅。研究表明：由于其纤芯模与包层模具有相同的温度敏感特性，因此，在实现对折射率测量的同时能够对温度漂移进行动态补偿。而且BFBG耦合模式具有更窄的带宽和更稳定的温度特性，能够为实现更高精度的测量提供条件。
磁流体(Magnetic Fluid,MF)是由纳米级的强磁性颗粒均匀分散于液态载液中所形成的稳定磁性胶体，它既具有固态磁性物质的磁性，又具有液态物质的流动性，是一种新型的功能材料。其粒子都是单畴颗粒，胶体表现出超顺磁性，且在重力和电磁力作用下能够保持稳定，不出现沉淀和分层现象。近年来，随着集成光学、光子器件的迅猛发展，以及磁流体在光学领域潜在应用的发现，一些研究者开始重视磁流体的光学性质，并且提出了基于磁流体的光子器件，如光开关、光调制器、磁场或电场传感器，可调谐光栅和波分复用器等。
光纤光栅传感技术由于具有本质安全绝缘、测量信号不受光强变化等因素影响、能适应恶劣环境等优点，成为当前电流传感器研究探索的重要方向。应用特殊机构对布喇格光纤光栅（FBG）的波长进行电磁调谐，将FBG粘贴在悬臂梁和巨磁致伸缩材料Terfenol-D上，并应用不同方式对热漂移补偿，实现温度不敏感的光纤光栅电流传感，已取得了一些较好的实验结果，体现出解决前述已有电流传感器所面临的一些困难的较好潜力。但是，这些工作一般都是将FBG粘贴在固体的转化机构上，将磁场变化转换为机械变形的方式，其转化效能、频率和波长漂移等受固体转换机构自身固有属性的限制，传感器灵敏度和精度提高的难度很大。
现有的一些光纤电流传感技术，在抗恶劣环境能力等方面，仍存在不少技术困难，在应用过程中遇到了较大障碍，所以迫切需要研发新的技术。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置。该装置利用磁场作用在磁流体的方法来实现调节闪耀光纤光栅光学性质的目的。磁场由电流提供，即磁流体的折射率可以通过施加外部电流来调节。当具有适当折射率的磁流体在闪耀光纤光栅外包层时，闪耀光纤光栅的光学性质得到了调节，还可以实现对温度的动态补偿。
本发明通过以下具体的技术方案实现：
一种基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置，包括光源、单模光纤、填充有磁流体的闪耀型光纤光栅、通电的螺线圈、光谱仪，所述的光源通过单模光纤连接到闪耀型光纤光栅，闪耀型光纤光栅的另一个接头通过单模光纤连接到光谱仪上，其中闪耀型光纤光栅放置在通电的螺线圈内；所述的填充磁流体的闪耀型光纤光栅的结构是，闪耀型光纤光栅置于毛细管中，并在毛细管中注入磁流体，使闪耀型光纤光栅置于磁流体环境中。
所述的通电螺线圈用于提供磁场，通电螺线圈的长度为传感单元长度的10倍以上，即可以将通电螺线圈看成无限长。
所述的闪耀型光纤光栅放入到通电螺线圈的中央处。
所述的光源为超连续光源。
填充有磁流体的闪耀型光纤光栅的制作步骤如下：
步骤1，用紫外曝光法在单模光纤上写制闪耀光纤光栅。
步骤2，用光纤切割刀去除步骤1写制的闪耀光纤光栅和普通光纤的涂覆层，并将去除涂覆层的部分垂直切割，形成端面，然后用光纤熔接机将闪耀光纤光栅两端与普通光纤连接。
步骤3，将连接有普通光纤的闪耀光纤光栅放入稀释好的HF溶液中进行腐蚀，至预计时间后，将光栅从HF酸中取出，用清水洗去残留的HF溶液，使光栅仅腐蚀部分包层。
步骤4，将毛细管套入步骤3腐蚀后的闪耀光纤光栅，并且套入到被腐蚀的部分。
步骤5，用两个夹持台紧致闪耀光纤光栅，并在毛细管中注入磁流体。
步骤6，在毛细管的两端，以石碏封装，冷却后制得填充有磁流体的闪耀型光纤光栅。
本发明制作的基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置的工作原理为：磁场由通电的螺线圈提供，磁场作用在磁流体上，光栅的谐振波长发生漂移，从而将电流的测量转化为对闪耀型光纤光栅3的谐振波长的测量。通过检测到的中心波长漂移值可以探测到磁流体在磁场作用下折射率变化情况。这样间接可以探测到所加磁场的大小。并且通过磁场来反演电流的大小。
根据毕奥-萨伐尔定律求出，当L→∞（当L大于传感单元长度的10度以上，认为是无限长）时，B=μ0nI。其中L为通电螺线圈的长度,n为通电螺线圈的匝数，μ0指真空中的磁导率。这样磁场反演
本发明的优点和有益效果：
本发明提供的电流变化检测装置具有制作工艺简单，成本低，集成度高，可操作性强等优点，还可以广泛应用于传感器和恶劣环境中的通电领域。
附图说明
图1是基于闪耀型光纤光栅的电流变化检测装置整体结构及原理示意图；
图2是填充有磁流体的闪耀型光纤光栅的结构示意图。
图中，1-光源，2-通电螺线圈，3-填充磁流体的闪耀型光纤光栅，4-光谱仪，5-单模光纤，6-毛细管，7-石蜡封口，8-磁流体。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置，包括光源1、单模光纤5、填充有磁流体8的闪耀型光纤光栅3、通电的螺线圈2和光谱仪4。所述的光源1通过单模光纤5连接到闪耀型光纤光栅3，闪耀型光纤光栅3的另一个接头通过单模光纤5连接到光谱仪4上，其中闪耀型光纤光栅3放置在通电的螺线圈2内。所述的填充磁流体的闪耀型光纤光栅的结构是，闪耀型光纤光栅3置于毛细管6中，并在毛细管中注入磁流体8，使闪耀型光纤光栅置于磁流体环境中，毛细管的两端用蜡滴将其封装形成蜡封口7，见图2。
磁场由通电的螺线圈2提供，磁场作用在磁流体8上，闪耀型光纤光栅3的谐振波长发生漂移，从而将电流的测量转化为对闪耀型光纤光栅3的谐振波长的测量。通过检测到的中心波长漂移值可以探测到磁流体8在磁场作用下折射率的变化情况，这样可以间接探测到所加磁场的大小，并且通过磁场来反演电流的大小。
填充磁流体的闪耀型光纤光栅的制作
取一根普通单模光纤，用紫外曝光法在单模光纤上写制闪耀光纤光栅3。
然后用光纤切割刀去除普通单模光纤5和闪耀光纤光栅3上的涂覆层，并将去除涂覆层的部分垂直切割，形成端面。用光纤熔接机将闪耀光纤光栅两端与普通光纤连接。
将闪耀光纤光栅3放入稀释好的HF溶液中进行腐蚀，至预计时间后，将光栅从HF酸中取出，用清水洗去残留的HF溶液，使光栅仅腐蚀部分包层。
将毛细管6套入闪耀光纤光栅，并且套入到被腐蚀的部分。在毛细管6中注入磁流体8。最后在毛细管6的两端用蜡滴将其封装形成蜡封口7。
具体应用实例
将实施例1中制作的填充磁流体的闪耀光纤光栅应用于检测外部环境的电流变化。其原理是磁场由通电的螺线圈2提供，磁场作用在磁流体8上，闪耀型光纤光栅3的谐振波长发生漂移，从而将电流的测量转化为对闪耀型光纤光栅3的谐振波长的测量。通过检测到的中心波长漂移值可以探测到磁流体8在磁场作用下折射率变化情况。这样间接可以探测到所加磁场的大小。并且通过磁场来反演电磁螺线圈2电流的大小。
实际使用时，用光谱仪检测光的谐振波长，由此记录谐振波长随外界电流变化而变化。本实施在常温条件下实现了磁场作用下磁流体折射率改变在检测磁场中的应用。在工作范围内，其灵敏度极高，且结构简单，易于集成。
Claims (4)
1.一种基于闪耀光纤光栅的电流变化检测装置，其特征在于：该装置包括光源、单模光纤、填充有磁流体的闪耀型光纤光栅、通电的螺线圈、光谱仪，所述的光源通过单模光纤连接到闪耀型光纤光栅，闪耀型光纤光栅的另一个接头通过单模光纤连接到光谱仪上，其中闪耀型光纤光栅放置在通电的螺线圈内；所述的填充磁流体的闪耀型光纤光栅的结构是，闪耀型光纤光栅置于毛细管中，并在毛细管中注入磁流体，使闪耀型光纤光栅置于磁流体环境中。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述的通电螺线圈用于提供磁场，通电螺线圈的长度为传感单元长度的10倍以上。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：闪耀型光纤光栅放入到通电螺线圈的中央处。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述的光源为超连续光源。
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