CN103529270A

CN103529270A - 一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器及其检测方法

Info

Publication number: CN103529270A
Application number: CN201310445180.XA
Authority: CN
Inventors: 文继华; 朱月红; 亢俊健; 梁萍
Original assignee: Shijiazhuang University of Economics
Current assignee: Shijiazhuang Pute Optical Fiber Application Technology Co ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103529270B

Abstract

本发明涉及一种电流传感器，具体涉及一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器及其检测方法，其包括半导体制冷片、与半导体制冷片相接触的测试光栅以及与测试光栅相串联的补偿光栅。本发明采用半导体制冷片作为检测电流大小的原件，有效的避免了外界电磁的干扰，检测的准确性有效的提高尤适于在强磁场下的电流检测。本发明采用光纤光栅作为信号传感的通道，有更好的安全性并可避免因电源干扰产生的错误信息，更稳定也更准确。因此本发明可以有效增加电流传感器的适用的环境范围并提高磁环境下检测的精确度。

Description

一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，具体涉及一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器。

本发明还涉及一种检测电流的方法。

背景技术

现有的电流传感器均为基于闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。霍尔效应是指当原边导线经过电流传感器时，原边电流I_P会产生磁力线①，原边磁力线集中在磁芯②周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极③可产生和原边磁力线①成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路④可把这个微小的信号转变成副边电流I_S⑤，并存在以下关系式：

电流传感器的主要计算公式如下：

　　N_PI_P=N_SI_S；计算原边或副边

　　V_M=R_MI；计算测量电压

　　V_S=R_SI_S；计算副边电压

　　V_A=e+V_S+V_M；计算供电电压

　　其中，e是二极管内部和晶体管输出的压降，不同型号的传感器有不同的e值。这里仅以ES300C为例，这种传感器的匝数比N_P/N_S=1/2000、标准额定电流值I_PN=300A 、供电电压V_A的范围为±12V~±20V（±5%）、副边电阻R_S=30Ω ，在双极性(±VA)供电，其传感器测量量程>100A且无防止供电电源意外倒置的保护二极管的情况。如e=1V。在上述条件下给定供电电压V_A，计算测量电压V_M和测量电阻R_M，假设：供电电压V_A=±12-15V

　　根据上述公式得：

　　测量电压V_M=9.5V；

　　测量电阻R_M=V_M/I_S =63.33Ω；

　　副边电流I_S=0.15A。

所以当我们选用63.33Ω的测量电阻时，在传感器满额度测量时，其输出电流信号为0.15A ，测量电压为9.5V。

其中，I_S—副边电流；

　　I_P—原边电流；

　　N_P—原边线圈匝数；

　　N_S—副边线圈匝数；

R_S-副边电阻；

R_M-原边电阻；

　　N_P/N_S—匝数比；

电流传感器的输出信号是副边电流I_S，它与输入信号（原边电流I_P）成正比，I_S一般很小，只有100~400mA。如果输出电流经过测量电阻R_M，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

因此现有的电流传感器不可避免的受到外部电磁场干扰，如：

<1>传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；

<2>外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；

<3>安装传感器所使用的材料有无磁性；

<4>所使用的电流传感器是否屏蔽；

<5>电磁兼容性。

电磁兼容性EMC（Electro-Magnetic Compatibility ），是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科。空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。

因此，在现有的电流传感器不能避免外部电磁场对检测结果的干扰时，就有必要开发出一种可以适用于有磁场干扰的环境下电流的检测，尤适于在强磁场下的电流检测装置；有效增加检测准确性的新型电流传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以避免外部电磁干扰，具有广泛环境适应性，有效提高检测精确度，测量稳定并能与智能电网结合，实现远程在线安全监测的基于制冷片的光纤光栅电流传感器。

本发明的目的还在于提供一种以避免外部电磁干扰，具有广泛环境适应性，有效提高检测精确度，测量稳定并能与智能电网结合，实现远程在线安全监测的基于制冷片的光纤光栅电流传感器的电流检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

本发明的光纤光栅电流传感器包括半导体制冷片、与半导体制冷片相接触的测试光栅以及与测试光栅相串联的补偿光栅。

进一步的，本发明所述的半导体制冷片为单级制冷片或多级制冷片。

进一步的，本发明的光纤光栅电流传感器还包括自半导体制冷片引出的引线。

进一步的，本发明的光纤光栅电流传感器还包括填充于半导体制冷片与测试光栅之间的导热硅脂。

进一步的，本发明的光纤光栅电流传感器还包括连接检测光栅以及补偿光栅的光纤,所述光纤的末端连接光纤光栅网络分析仪。

本发明的电流检测方法包括以下步骤：

步骤一：测试光栅和补偿光栅外接光纤光栅网络分析仪，确定初始中心波长；

步骤二：将所述测试光栅与半导体制冷片紧密接触固定；

步骤三：将半导体制冷片与需检测电源相连接，读取光纤光栅网络分析仪中的检测中心波长；

步骤四：根据检测中心波长与初始中心波长，通过公式计算温差；

公式（1）

其中为温度变化量，单位为K；

λ_B为初始中心波长，单位为nm；

λ_B为检测中心波长与初始中心波长的差值，单位为nm；

α_f为光纤的热膨胀系数，单位为k^-1;

ζ为光纤材料的热光系数，单位为k^-1；

步骤五：根据步骤四中计算的温差以及所述半导体制冷片（1）的参数，通过公式（2）计算需检测电源的电流值；

公式（2）

其中I为电流,单位为A;

c为半导体制冷片比热容，单位是J/kg;

m为半导体制冷片质量，单位是kg;

△T 为半导体制冷片温度差，单位为℃。

进一步的，本发明的电流检测方法在步骤三之前对需检测电源进行分电流处理并在步骤五中对检测到的分电流值转换成原电流值。

本发明所述的半导体制冷器半导体致冷器(ThermoelectricCooler，TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。半导体致冷器是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器，对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。TEC目前的用途非常广泛，最典型的应用是激光器的温控和PCR的温控，但是其应用于电流测量的领域为本专利首次提出。

本发明所述的多级制冷片是指将半导体制冷片串联在一起，使所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边的制冷片。

本发明所述的光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

本发明所述的测试光栅的作用是感受通电前后半导体制冷器的温度变化。

本发明所述的补偿光栅的作用是感受室温变化，消除室温变化对测试光栅的影响，增加检测结果的准确性和稳定性。

本发明采用上述技术方案所获得的有益效果为：

本发明采用半导体制冷器作为检测电流大小的原件，由于其利用的是电能与热能的相互转化，而有效的避免了外界电磁的干扰，相较现有的利用闭环霍尔效应的电流传感器，其检测的准确性有效的提高。本发明采用的半导体制冷器作为检测电流大小的原件，其非常适用于有磁场干扰的环境下电流的检测，尤适于在强磁场下的电流检测，因此本发明可以有效增加电流传感器的适用的环境范围；相较于其他电-热转换原件，检测的准确性最高，与实际电流值相符。

本发明采用光纤光栅作为信号传感的通道，光纤光栅使用的是光信号，不会产生电火花，使用时会比电信号的传感器有更好的安全性；光纤光栅传感器可以避免因电源干扰产生的错误信息；在一根光缆上可以串接数十个光纤光栅传感器，在需要的部位可以密集的安装，因此在任何部位发生异常现象，都能及时传输到中控室；光纤光栅传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器。通过待测量调制入射光束的波长，测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数，不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或者光源能量的影响，因此比其他的方式更加稳定、准确。

本发明的半导体制冷器，可以采用单级制冷片也可以采用多级制冷片，如三级制冷片，其中单级制冷片尤其适用于对小电流的检测；当使用多级制冷片时，由于制冷效果较单级制冷片加强，因此对大电流的检测较为合适，并且测量结果更为准确。

本发明的基于制冷片的光纤光栅电流传感器的电流检测方法，通过光纤光栅感应制冷片通过电流前后的温度变化，并传输入光纤光栅网络分析仪进行计算，最终根据半导体制冷片的参数通过公式计算即可得到需检测电源的电流值，方法简单且结果可靠。

本发明的基于制冷片的光纤光栅电流传感器的电流检测方法可以通过电流分流的方式对大电流进行检测，因此，本方法具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的电流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1的半导体制冷器的原理示意图；

图3为本发明实施例2的半导体制冷器的原理示意图；

图4 为本发明实施例1的半导体制冷器的温度-电流特性曲线；

图5为使用本发明实施例1所检测的温度实验数据。

在附图中，1半导体制冷片、1-1引线、2测试光栅、3补偿光栅、4光纤、5需检测电源。

具体实施方式

对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

实施例 1

如附图1所示，本实施例的电流传感器包括半导体制冷片1，与半导体制冷片1相接触的测试光栅2以及与测试光栅2相串联的补偿光栅3。其中半导体制冷片为单级制冷片，厂家和型号为河北宇翔电子TEC1-12705；测试光栅为C波段切趾光纤光栅，厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-FBG1型光栅；补偿光栅为C波段切趾光纤光栅，厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-FBG1型光栅。本实施例的电流传感器还包括自半导体制冷片1引出的引线1-1以及连接测试光栅2以及补偿光栅3的光纤4,所述光纤4末端连接光纤光栅网络分析仪。其中光纤光栅网络分析仪的厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-110分析仪。

如附图2所示，本实施例的半导体制冷片为单级制冷片，其中的N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。

如图4所示，在一定的外界环境下，当电流增加时，发热量增加，导致TEC热端温度增加，冷端温度降低。

本实施例应用于电源的检测，将电源正负极接入TEC制冷片，并将该制冷片置于磁场中进行电磁干扰。

在安装前，先确定半导体制冷片的极性。将一节干电池接在制冷器的两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。

步骤一：补偿光栅3端得光纤4外接光纤光栅网络分析仪，确定初始中心波长，为1550nm 。

步骤二：在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，将所述测试光栅2与半导体制冷片1紧密接触固定。

步骤三：将半导体制冷片1与需检测电源相连接，读取光纤光栅网络分析仪中的检测中心波长，为1550.67nm 。

步骤四：根据检测中心波长与初始中心波长，通过公式1计算温差，为67℃；如附图5所示。

步骤五：根据步骤四中计算的温差以及所述半导体制冷片1的参数，通过公式2计算需检测电源的电流值，为5A。

由上述数据可知，用本发明的电流传感器检测的电流值与电源标注值（实际值）相符，而用现有市售的电流传感器无法进行检测。

实施例 2

如附图1所示，本实施例的电流传感器包括半导体制冷片1，与半导体制冷片1相接触的测试光栅2以及与测试光栅2相串联的补偿光栅3。其中三级制冷片为三片单级制冷片相串联而成，半导体制冷片为单级制冷片，厂家和型号为河北宇翔电子TEC1-12705；测试光栅为C波段切趾光纤光栅，厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-FBG1型光栅；补偿光栅为C波段切趾光纤光栅，厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-FBG1型光栅。本实施例的电流传感器还包括自半导体制冷片1引出的引线1-1以及连接测试光栅2以及补偿光栅3的光纤4，所述光纤4的末端连接光纤光栅网络分析仪。其中光纤光栅网络分析仪的厂家和型号为河北地经光电科技有限公司GE-110分析仪。

如附图3所示，本实施例使用三级半导体制冷片，即上面一块半导体制冷片的冷面吸收下面一块半导体制冷片的发热的串联连接方式。

本实施例应用电源的检测：

步骤一：补偿光栅3外接光纤光栅网络分析仪，确定初始中心波长，为1560nm 。

步骤二：在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，将所述测试光栅2与半导体制冷片1紧密接触固定；

将电流用分流器进行分流处理，其中分流的方法为本领域常用的技术手段。

步骤三：将半导体制冷片1与需检测电源相连接，读取光纤光栅网络分析仪中的检测中心波长，为1560.67nm 。

步骤四：根据检测中心波长与初始中心波长，通过公式（1）计算温差，为67℃ ；如附图5所示。

步骤五：根据步骤四中计算的温差以及所述半导体制冷片1的参数，通过公式2计算需检测电源的电流值，为5A。分流电流值转换为原电流值为 30A。其中，根据分流电流值计算总电流值是本领域技术人员公知的技术手段。

Claims

1.一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器，其特征在于其包括半导体制冷片（1）、与半导体制冷片（1）相接触的测试光栅（2）以及与测试光栅（2）相串联的补偿光栅（3）。

2.根据权利要求1所述的一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器，其特征在于所述的半导体制冷片（1）为单级制冷片或多级制冷片。

3.根据权利要求1所述的一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器，其特征在于其还包括自半导体制冷片（1）引出的引线（1-1）。

4.根据权利要求1所述的一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器，其特征在于其还包括填充于半导体制冷片（1）与测试光栅（2）之间的导热硅脂。

5.根据权利要求1所述的一种基于制冷片的光纤光栅电流传感器，其特征在于其还包括连接检测光栅（2）以及补偿光栅（3）的光纤(4),所述光纤(4)的末端连接光纤光栅网络分析仪。

6.一种使用权利要求1~5中的任意一项所述的基于制冷片的光纤光栅电流传感器的电流检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：测试光栅（2）和补偿光栅（3）外接光纤光栅网络分析仪，确定初始中心波长；

步骤二：将所述测试光栅（2）与半导体制冷片（1）紧密接触固定；

步骤三：将半导体制冷片（1）与需检测电源相连接，读取光纤光栅网络分析仪中的检测中心波长；

步骤四：根据检测中心波长与初始中心波长，通过公式（1）计算温差；

公式（1）

其中∆T为温度变化量，单位为K；

λ_B为初始中心波长，单位为nm；

∆λ_B为检测中心波长与初始中心波长的差值，单位为nm；

α_f为光纤的热膨胀系数，单位为k^-1;

ζ为光纤材料的热光系数，单位为k^-1；

公式（2）

其中I为电流，单位为A；

C为发热片比热容，单位是J/kg；

m为发热片质量，单位是kg；

△T为发热片温度差，单位为℃。

7.根据权利要求6所述的一种使用基于制冷片的光纤光栅电流传感器的电流检测方法，其特征在于在步骤三之前对需检测电源进行分电流处理并在步骤五中对检测到的分电流值转换成原电流值。