CN103399191A - 基于边带解调的fbg-gmm电流传感器 - Google Patents

Abstract

基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，属于光纤光栅传感器测量领域。为了解决现有光纤光栅传感器的边带解调技术的解调精度受光源功率起伏影响的问题，本发明的第一线圈为长方形铁芯的磁路提供偏置直流磁场和第二线圈为长方形铁芯提供的磁场叠加，产生叠加后的磁场使超磁滞伸缩材料伸缩，宽带光源发出的宽带光经双边带滤波器后形成的透射光被分光器均分成两束光，一束光经第一环形器后被第一光纤光栅传感器反射到第一光电探测器，第一光电探测器将光信号转化为电信号，另一束光经第二环形器后被第二光纤光栅传感器反射到第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据采集器采集数据并通过数据处理器进行处理。本发明应用在光学领域。

Description

基于边带解调的FBG-GMM电流传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器测量领域。

背景技术

与传统电流互感器相比，基于超磁滞伸缩材料（GMM）和光纤光栅（FBG）的光学电流互感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻优点，目前成为电流互感器领域研究的热点。FBG-GMM电流传感器常用的解调方法是边带解调，然而此种解调方法的精度受光源输出功率起伏的影响。目前通常采用两种方法来消除或降低光源功率起伏对解调精度的影响，一种方法是提高光源输出稳定性，此方法大大增加了电流传感器成本；另一种方法是对光源输出功率进行实施测量，此方法增加了额外设备，同样大大增加了电流传感器成本。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤光栅传感器的边带解调技术的解调精度受光源功率起伏影响问题，本发明提供了一种基于边带解调的FBG-GMM电流传感器。

基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，它包括第一线圈、第二线圈、偏置直流电源、供电电流源、第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、宽带电源、双边带滤波器、分光器、长方形铁芯、第一环形器、第二环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集器、数据处理器和超磁滞伸缩材料，

所述的第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器粘贴在超磁滞伸缩材料上，且第一光纤光栅传感器的一端与第一环形器的光信号输入输出端连接，第二光纤光栅传感器的一端与第二环形器的光信号输入输出端连接，

所述的第一线圈缠绕在长方形铁芯的第一条宽边上，所述偏置直流电源用于给第一线圈提供偏置直流电流，供电电流源用于给第二线圈的提供电流，

所述的长方形铁芯的一条长边上开有一个缺口，所述的超磁滞伸缩材料放置在长方形铁芯缺口中，所述的超磁滞伸缩材料的上端面与长方形铁芯缺口间的距离为0.1到2mm，

所述的宽带电源的宽带光信号输出端与双边带滤波器的宽带光信号输入端连接，所述的双边带滤波器的双边带光信号输出端与分光器的光信号输入端连接，所述的分光器的第一光信号输出端与第一环形器的光信号输入端连接，所述的第一环形器的光信号输出端与第一光电探测器的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器电信号输出端与数据采集器的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器的第二光信号输出端与第二环形器的光信号输入端连接，所述的第二环形器的光信号输出端与第二光电探测器的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器电信号输出端与数据采集器的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器的数据信号输出端数据处理器的数据信号输入端连接。

原理分析：

第一线圈为长方形铁芯的磁路提供偏置直流磁场和第二线圈为长方形铁芯提供的磁场叠加，产生叠加后的磁场使超磁滞伸缩材料伸缩，宽带光源发出的宽带光经双边带滤波器后成为具有双边带的透射光，然后被分光器分成两束相同的光。其中一束光经第一环形器后被第一光纤光栅传感器反射到第一光电探测器，第一光电探测器将光信号转化为电信号，另一束光第二环形器后被第二光纤光栅传感器反射到第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据采集器采集第一光电探测器和第二光电探测器测得的数据，数据处理器对采集的数据进行处理。

第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的反射光谱分别表示为：

$R_1\left(\mathrm{\λ}\right)=R_{B1}\exp [-\frac{4\ln 2}{b_1^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{B1})}^2]---\left(3\right)$

和

$R_2\left(\mathrm{\λ}\right)=R_{B2}\exp [-\frac{4\ln 2}{b_2^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{B2})}^2]---\left(4\right)$

其中，λ_B1和λ_B2分别表示第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的中心波长，R_B1和R_B2分别表示第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器在中心波长处的反射光强，b₁和b₂分别表示第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的半峰值宽度，λ表示光信号的波长，

第一光电探测器和第二光电探测器输出端输出电压分别表示为：

$V_1={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\β}}_1{T}_1\left(\mathrm{\λ}\right)R_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(5\right)$

和

$V_2={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\β}}_2{T}_2\left(\mathrm{\λ}\right)R_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(6\right)$

其中，β₁和β₂为常数，β₁由第一环形器的分光比、光路损耗和第一光电探测器的光电转换因子决定，β₂由第二环形器的分光比、光路损耗和第二光电探测器的光电转换因子决定，参见图2，T₁(λ)表示双边带滤波器的光谱在上升沿线性区间内的透光率，且

T₁(λ)=A₁(λ-λ₀₁)             (1)

T₂(λ)表示双边带滤波器的光谱在下降沿线性区间内的透光率，且

T₂(λ)=A₂(λ-λ₀₂)             (2)

其中，A₁为双边带滤波器的光谱上升沿的斜率，A₂为双边带滤波器的光谱下降沿的斜率，λ₀₁为双边带滤波器的光谱上升沿线性区间对应的中心波长，λ₀₂为双边带滤波器的光谱下降沿线性区间对应的中心波长，

超磁滞伸缩材料的径向应变随磁场的变化曲线如图3所示，点Q为静态工作点，位于线性区间的中心，Q点对应的磁场为H₀，H₀由带有偏置直流电流的第一线圈提供，Q点对应的应变为ε₀。供电电流源产生的磁场使超磁滞伸缩材料以静态工作点为中心伸缩，供电电流源使超磁滞伸缩材料产生的应变可表示为

ε=γH=kαI                     (22)

其中，I为供电电流，γ为应变ε随磁场变化的斜率，α为电场到磁场的转换效率，H表示磁场强度。在静态工作点，第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的中心波长分别为λ₀₁和λ₀₂。

将公式(1)和公式(3)代入公式(5)得，

V₁=K₁λ_B1+D₁                        (7)

将公式(2)和公式(4)代入公式(6)得，

V₂=K₂λ_B2+D₂                         (8)，

$K_1={\mathrm{\β}}_1{A}_1{R}_{B1}{b}_1\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}---\left(9\right)$

$D_1=-A_1{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\λ}}_{01}{R}_{B1}{b}_1\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}---\left(18\right)$

$K_2={\mathrm{\β}}_2{A}_2{R}_{B2}{b}_2\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}---\left(10\right)$

$D_2=-A_2{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\λ}}_{02}{R}_{B2}{b}_2\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}---\left(19\right)$

当第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的中心波长分别由λ_B1和λ_B2变为λ_B1+△λ₁和λB₂+△λ₂时，将λ_B1+△λ₁替换公式（7）中的λ_B1得到：

V₁=K₁△λ₁+(K₁λ_B1+D₁)              (11)

将λ_B2+△λ₂替换公式（8）中的λ_B2得到：

V₂=K₂△λ₂+(K₂λ_B2+D₂)              (12)

其中，△λ₁表示径向拉力引起的第一光纤光栅传感器中心波长的偏移量，

△λ₂表示径向拉力引起的第二光纤光栅传感器中心波长的偏移量，

由于第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器粘贴在同一超磁滞伸缩材料，所以在供电电流源的作用下，第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器受到的径向拉力相同，若测量过程中不考虑温度对第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的影响，则

△λ₁=(1-P_e)λ_B1ε                   (13)

△λ₂=(1-P_e)λ_B2ε                    (14)

其中，ε表示第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器所受到的径向拉力，P_e为有效光弹系数，

将公式（13）代入公式（11）得：

V₁=K₁(1-P_e)λ_B1ε+(K₁λ_B1+D₁)           (15)

将公式（14）代入公式（12）得：

V₂=K₂(1-P_e)λ_B2ε+(K₂λ_B2+D₂)           (16)；

将公式（22）分别代入到公式（15）和公式（16）中得：

V₁=K₁(1-P_e)λ_B1γαI+(K₁λ_B1+D₁)          （23）

和

V₂=K₂(1-P_e)λ_B2γαI+(K₂λ_B2+D₂)          （24）

第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂还受到宽带光源输出功率起伏的影响，由于第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂在相同的条件下测量获得，因此光源功率起伏对它们的影响相同，考虑到光源功率起伏的影响，第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压分别表示为：

V₁=K₁(1-P_e)λ_B1γαI+(K₁λ_B1+D₁)+n(t)         (17)和

V₂=K₂(1-P_e)λ_B2γαI+(K₂λ_B2+D₂)+n(t)        (20)

其中，n(t)表示光源功率起伏，将公式（17）和公式（20）作差得：

V=V₁-V₂=(1-P_e)(K₁λ_B1-K₂λ_B2)γαI+(K₁-K₂)λ_B1+(D₁-D₂) (21)

从公式（21）表明，尽管第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂受光源功率起伏的影响，但是V₁和V₂之差V只依赖于被测信号，不受光源功率起伏的影响，且V₁和V₂之差V随供电电流源呈线性变化。因此，本发明所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器可以消除光源功率起伏的影响。

本发明带来的有益效果是，本发明所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器基于边带解调的FBG-GMM电流传感器消除了光源功率起伏对光纤光栅传感器解调精度的影响。

附图说明

图1为本发明所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器的原理示意图。

图2为本发明所述的双边带滤波器、第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器的光谱图；附图标记19表示第一光纤光栅传感器的光谱，附图标记20表示第二光纤光栅传感器的光谱，附图标记21表示双边带滤波器的光谱。

图3为本发明所述的超磁滞伸缩材料径向应变随磁场的变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，它包括第一线圈1、第二线圈2、偏置直流电源3、供电电流源4、第一光纤光栅传感器5、第二光纤光栅传感器6、宽带电源7、双边带滤波器8、分光器9、长方形铁芯10、第一环形器11、第二环形器12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、数据采集器15、数据处理器16和超磁滞伸缩材料17，

所述的第一光纤光栅传感器5和第二光纤光栅传感器6粘贴在超磁滞伸缩材料17上，且第一光纤光栅传感器5的一端与第一环形器11的光信号输入输出端连接，第二光纤光栅传感器6的一端与第二环形器12的光信号输入输出端连接，

所述的第一线圈1缠绕在长方形铁芯10的第一条宽边上，所述偏置直流电源3用于给第一线圈1提供偏置直流电流，供电电流源4用于给第二线圈2的提供电流，

所述的长方形铁芯10的一条长边上开有一个缺口，所述的超磁滞伸缩材料17放置在长方形铁芯10缺口中，所述的超磁滞伸缩材料17的上端面与长方形铁芯10缺口间的距离为0.1到2mm，

所述的宽带电源7的宽带光信号输出端与双边带滤波器8的宽带光信号输入端连接，所述的双边带滤波器8的双边带光信号输出端与分光器9的光信号输入端连接，所述的分光器9的第一光信号输出端与第一环形器11的光信号输入端连接，所述的第一环形器11的光信号输出端与第一光电探测器13的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器13电信号输出端与数据采集器15的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器9的第二光信号输出端与第二环形器12的光信号输入端连接，所述的第二环形器12的光信号输出端与第二光电探测器14的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器14电信号输出端与数据采集器15的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器15的数据信号输出端数据处理器16的数据信号输入端连接。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式1与具体实施方式一所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器的区别在于，所述的分光器9的第一光信号输出端输出的光信号与第二光信号输出端输出的光信号相同。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器的区别在于，所述的第一环形器11和第二环形器12的型号相同。

具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器的区别在于，所述的第一光电探测器13和第二光电探测器14的型号相同。

具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器的区别在于，所述的第一光纤光栅传感器5一端输出的光信号的中心波长小于第二光纤光栅传感器6一端输出的光信号的中心波长。

Claims (5)

1.基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，它包括第一线圈（1）、第二线圈（2）、偏置直流电源（3）、供电电流源（4）、第一光纤光栅传感器（5）、第二光纤光栅传感器（6）、宽带电源（7）、双边带滤波器（8）、分光器（9）、长方形铁芯（10）、第一环形器（11）、第二环形器（12）、第一光电探测器（13）、第二光电探测器（14）、数据采集器（15）、数据处理器（16）和超磁滞伸缩材料（17），

所述的第一光纤光栅传感器（5）和第二光纤光栅传感器（6）粘贴在超磁滞伸缩材料（17）上，且第一光纤光栅传感器（5）的一端与第一环形器（11）的光信号输入输出端连接，第二光纤光栅传感器（6）的一端与第二环形器（12）的光信号输入输出端连接，

所述的第一线圈（1）缠绕在长方形铁芯（10）的第一条宽边上，所述偏置直流电源（3）用于给第一线圈（1）提供偏置直流电流，供电电流源（4）用于给第二线圈（2）的提供电流，

所述的长方形铁芯（10）的一条长边上开有一个缺口，所述的超磁滞伸缩材料（17）放置在长方形铁芯（10）缺口中，所述的超磁滞伸缩材料（17）的上端面与长方形铁芯（10）缺口间的距离为0.1到2mm，

所述的宽带电源（7）的宽带光信号输出端与双边带滤波器（8）的宽带光信号输入端连接，所述的双边带滤波器（8）的双边带光信号输出端与分光器（9）的光信号输入端连接，所述的分光器（9）的第一光信号输出端与第一环形器（11）的光信号输入端连接，所述的第一环形器（11）的光信号输出端与第一光电探测器（13）的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器（13）电信号输出端与数据采集器（15）的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器（9）的第二光信号输出端与第二环形器（12）的光信号输入端连接，所述的第二环形器（12）的光信号输出端与第二光电探测器（14）的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器（14）电信号输出端与数据采集器（15）的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器（15）的数据信号输出端数据处理器（16）的数据信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，所述的分光器（9）的第一光信号输出端输出的光信号与第二光信号输出端输出的光信号相同。

3.根据权利要求1所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，所述的第一环形器（11）和第二环形器（12）的型号相同。

4.根据权利要求1所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，所述的第一光电探测器（13）和第二光电探测器（14）的型号相同。

5.根据权利要求1所述的基于边带解调的FBG-GMM电流传感器，其特征在于，所述的第一光纤光栅传感器（5）一端输出的光信号的中心波长小于第二光纤光栅传感器（6）一端输出的光信号的中心波长。

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