CN103592495A - 基于磁流体和多模干涉的全光纤电流传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，包括信号检测单元和传感单元；信号检测单元包括SLD光源、50:50光纤分束器、可调光纤衰减器、光电平衡探测器、数据采集卡、计算机、通电线圈和可编程电源；传感单元包括置于一石英毛细管中的多模无芯光纤，石英毛细管与多模无芯光纤之间充满有磁流体，多模无芯光纤的两端分别熔接有单模输入、输出光纤，石英毛细管的两端用光学固化胶密封；本发明利用磁流体对电流所产生的磁场的灵敏性和多模干涉理论，并结合双光路检测法，采用直接检测输出光强与电流的变化关系达到测量电流的目的，克服了传统全光纤电流传感器采用偏振光检测方法的不稳定性缺陷。

Description

基于磁流体和多模干涉的全光纤电流传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于磁流体和多模干涉的全光纤电流传感器。

背景技术

随着电力系统中电网电压等级的不断提高，容量不断增加，对电流互感器提出了更高的要求。传统的电磁式电流互感器逐渐暴露出了严重的缺陷，主要包括:(1)当系统发生短路、电流异常增大时，互感器铁心饱和严重，其测量动态范围有限，且暂态性能恶化，使二次电流不能正确反映一次电流，造成继电保护拒动或误动；(2)暂态信号和谐波测量能力差，其线性度和动态特性均不能满足快速故障响应的要求；(3)随着电压等级的提高，依靠油绝缘、气体绝缘的绝缘结构越来越复杂，成本高、重量重、体积大且有爆炸危险；(4)不能直接提供数字信号，不适应电力计量与保护数字化信息化的发展要求。鉴于此，暂态性能和绝缘性能更好的电子式电流互感器成为进一步发展的重点。

目前，电子式电流互感器主要分为两大类:光学电流传感器和空心线圈电流互感器(又称Rogowski线圈式电流互感器)。比较而言，目前后者的实用化程度更高，但由于其传感头是由漆包线绕制而成，易受外界电磁干扰，在电流波形发生畸变的情况下，准确度不高，绝缘性差，且装置复杂，所以在电力系统中具有很好绝缘性能的无源型光学电流传感器未来将更具优势。

光学电流传感器的种类有很多，按敏感材料类型可分为块状磁光材料型和全光纤型等几大类。块状磁光材料包括磁光玻璃和磁光晶体等，可加工成条状或围绕载流导体的闭合环状传感头使用。但其加工难度大，安装不方便。磁光晶体(以石榴石晶体为代表)也被应用于电流测量领域，但其费尔德常数受温度影响比较大，磁化过程带有随机性，使测量的稳定性和精度都不高，且成本较高。全光纤传感头就是将光纤直接绕制在载流导体上实现电流传感，光路结构简单。由于温度、应力等环境因素可导致光纤内部双折射的随机变化，大大影响了基于偏振检测的全光纤电流传感器的测量精度和稳定性。虽然基于干涉检测方法的Sagnac全光纤电流互感器近年来得到了足够的重视，也出现了挂网试运行的样机，但这种方案很难区分由振动引起的光陀螺效应对传感检测的影响。

发明内容

针对现有全光纤型电流传感器易受双折射和Sagnac效应影响等缺点，本发明提供一种基于磁流体和多模干涉的新型全光纤电流传感器，利用磁流体对电流所产生的磁场的灵敏性和多模干涉理论，并结合双光路外差检测法，克服了传统全光纤电流传感器采用偏振光检测方法的不稳定性缺陷。本发明放弃使用传统的光纤环式结构，使其体积大大减小，结构简单，易于安装。

为了解决上述技术问题，本发明基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，包括信号检测单元和传感单元；所述信号检测单元包括SLD光源、50:50光纤分束器、可调光纤衰减器、光电平衡探测器、数据采集卡、计算机、通电线圈和可编程电源；所述传感单元包括置于一石英毛细管中的多模无芯光纤，所述石英毛细管与所述多模无芯光纤之间充满有磁流体，所述磁流体由分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液构成；所述多模无芯光纤的一端熔接有单模输入光纤，所述多模无芯光纤的另一端熔接有单模输出光纤，所述石英毛细管的两端用光学固化胶密封；所述SLD光源发出的光经所述50:50光纤分束器被分成两束强度相等的光，其中：一束光经所述可调光纤衰减器送往所述光电平衡探测器的一输入端口，从而构成参考光路；另一束光依次经所述传感单元的单模输入光纤、多模无芯光纤和单模输出光纤后进入所述光电平衡探测器的另一输入端口，从而构成测量光路。

本发明基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器检测电流的方法，利用上述基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，按照以下步骤进行电流检测：

当光通过传感单元时，从传感单元的单模输入光纤进入多模无芯光纤，所述多模无芯光纤为对外界折射率敏感的多模光波导，所述石英毛细管与所述多模无芯光纤之间的磁流体的折射率随外界磁场变化而变化，从而使多模无芯光纤中多模干涉发生改变，进而使所述测量光路中经传感单元的单模输出光纤输出光强度发生相应改变，而磁场是由通电线圈中的电流产生的，经光电平衡探测器探测的光强变化值与通电线圈中电流变化值成对应关系，该光强变化值经光电平衡探测器的探测转化为电平信号，然后经数据采集卡采集并送往计算机，最终检测出通电线圈中电流变化量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由SLD光源发出的宽带光经光纤分束器后，一部分光经单模光纤进入传感单元的多模无芯光纤，传感单元中的多模无芯光纤将进入的信号光从单一模式转换为多个模式，并引发模式干涉。模式干涉会随着外部介质折射率变化而变化。当外界通电线圈中电流发生变化时，导致传感单元周围所存在的磁场发生变化，引起传感单元内部磁流体的折射率发生变化，造成单模-多模-单模结构传感头中无芯光纤中的模式干涉变化，从而使输出总光强发生改变。经过双光路外差探测法将这种光强度随电流变化的信息转化为光电平衡探测器输出电压信号的变化，再由数据采集卡采集并输入到计算机进行处理，显示出探测光强随通电线圈中电流的变化关系。经过标定后，利用输出光强度值随电流变化的对应关系即可达到测量线圈中电流大小的目的。

本发明的全光纤电流传感器完全摒弃传统光纤电流传感器依靠易受外界影响的偏振检测方法，采取直接检测光强度随电流变化的值来达到检测电流的目的，增加了系统稳定性。并采用双光路外差检测的方法，消除光源不稳定带来的噪声影响，抑制共模噪声，提高了系统的灵敏度。另外，由于本发明所用传感单元是全光纤结构，并放弃使用传统的光纤环式结构，使其体积大大减小，结构简单，易于安装。

附图说明

图1是本发明全光纤电流传感器的结构示意图；

图2是本发明中传感单元的结构示意图；

图3是图2中所示传感单元的剖面结构示意图；

图4是探测器输出电压信号随通电线圈中电流变化曲线图。

图中：

1-SLD光源                 2-50:50光纤分束器          3-可调谐光纤衰减器

4-传感单元                5-光电平衡探测器           6-采集卡

7-计算机                  8-通电线圈                 9-可编程电源

10-单模输入光纤           11-石英毛细管              12-磁流体

13-多模无芯光纤           14-单模输出光纤.

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，包括信号检测单元和传感单元。

所述信号检测单元包括SLD光源1、50:50光纤分束器2、可调光纤衰减器3、光电平衡探测器5、数据采集卡6、计算机7、通电线圈8和可编程电源9，所述所述可编程电源9为可编程直流稳压电源。

所述传感单元4包括置于一石英毛细管11中的多模无芯光纤13，所述石英毛细管11与所述多模无芯光纤13之间充满有磁流体12，所述磁流体12由分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液构成；所述多模无芯光纤13的一端熔接有单模输入光纤10，所述多模无芯光纤13的另一端熔接有单模输出光纤14，所述石英毛细管11的两端用光学固化胶密封。本发明中传感单元的形成过程是：a.采用两段单模光纤（单模输入光纤10和单模输出光纤14）熔接于合适长度和芯径的多模无芯光纤13的两端，从而构成单模-多模-单模结构；将多模无芯光纤13置于一条石英毛细管11中，在该石英毛细管11中注满磁流体12使其完全浸没多模无芯光纤13，然后在该石英毛细管11的两端用光学固化胶密封，以避免磁流体12外溢和变质，如图2所示。为了得到最佳实施效果，多模无芯光纤13应避免与所述石英毛细管11的管壁接触，并完全浸没于所述的磁流体12中，图3为被石英毛细管11包裹的多模无芯光纤13的横截面示意图。

本发明的信号检测单元的形成过程是，如图1所示，将50:50的光纤分束器2的入射端与SLD光源1相连，将50:50的光纤分束器2的出射端与可调光纤衰减器3连接，所述SLD光源1发出的光经所述50:50光纤分束器2被分成两束强度相等的光，其中：一束光经所述可调光纤衰减器3送往所述光电平衡探测器5的一输入端口，从而构成参考光路；另一束光依次经所述传感单元4的单模输入光纤10、多模无芯光纤13和单模输出光纤14后进入所述光电平衡探测器5的另一输入端口，从而构成测量光路，所述光电平衡探测器5的输出端连接到数据采集卡6，将数据传入计算机7。

为产生可测的均匀变化电流信号，利用漆包线缠绕一个均匀的通电线圈8，并连接可编程直流稳压电源，可编程直流稳压电源与计算机7连接，通过计算机控制使通过线圈的电流均匀变化。当光通过传感单元4时，从传感单元4的单模输入光纤10进入多模无芯光纤13，所述多模无芯光纤13为对外界折射率敏感的多模光波导，所述石英毛细管11与所述多模无芯光纤13之间的磁流体12的折射率随外界磁场变化而变化，从而使多模无芯光纤13中多模干涉发生改变，进而使所述测量光路中经传感单元4的单模输出光纤14输出光强度发生相应改变，所述测量光路的光谱总强度发生变化，而磁场是由通电线圈8中的电流产生的，通电线圈8中电流的变化，使其产生的磁场发生改变，从而使处于线圈上方的传感单元4内包覆无芯光纤的磁流体12的等效折射率变化，进而影响多模干涉和倏逝场的变化，使耦合入单模输出光纤10的测量光路光信号总强度的变化，经光电平衡探测器5探测的光强变化值与通电线圈8中电流变化值成对应关系，该光强变化值经光电平衡探测器5的探测转化为电平信号，而参考光路的光强度始终保持与线圈中无电流时的初始状态一致，经光电平衡探测器5探测后，输出为两路光强差值的电平信号，经数据采集卡7采集输入计算机7，经计算机系统处理后显示出探测到的光强变化值随通电线圈中电流变化的关系图（如图4所示），最终检测出通电线圈8中电流变化量。

实施例：

SLD光源1为1550nm的宽带光源，光源功率可调，本实施例控制输出光强度为10mw；50:50光纤分束器2；可调谐光纤衰减器3；传感头4；光电平衡探测器5为Thorlabs公司生产的PDB150C，探测波长为800-1700nm；数据采集卡6为美国NI公司生产的PCI-6251，采集速率为1.25MS/S单通道；计算机7；通电线圈8；可编程电源9。

SLD光源1发出的1550nm宽带光经过光纤分束器2，分成两路光传输，其中一路连接传感头4构成测量光路，另一路连接可调光纤衰减器3，作为参考光路，通过调节可调光纤衰减器3使初始状态下两路输出光强相等，同时连接到光电平衡探测器5上，经光电转换，从光电平衡探测器5输出的是两路光强差值的电压信号，输入到采集卡6对信号进行采集，然后输入到计算机进行分析处理。图4是对应通电线圈8中电流变化时系统输出电压值的变化曲线图，可以看出，通电线圈8中电流从0-6A逐渐递增时，光电平衡探测器5输出的电压值也逐渐递增，与电流变化成一一对应的关系。经过标定后即可测量未知电流的大小，实现电流传感器的作用。本发明完全可以实现测量通电导线中电流大小的目的。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，包括信号检测单元和传感单元；所述信号检测单元包括SLD光源（1）、50:50光纤分束器（2）、可调光纤衰减器（3）、光电平衡探测器（5）、数据采集卡（6）、计算机（7）、通电线圈（8）和可编程电源（9）；其特征在于，

所述传感单元（4）包括置于一石英毛细管（11）中的多模无芯光纤（13），所述石英毛细管（11）与所述多模无芯光纤（13）之间充满有磁流体（12），所述磁流体（12）由分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液构成；所述多模无芯光纤（13）的一端熔接有单模输入光纤（10），所述多模无芯光纤（13）的另一端熔接有单模输出光纤（14），所述石英毛细管（11）的两端用光学固化胶密封；

所述SLD光源（1）发出的光经所述50:50光纤分束器（2）被分成两束强度相等的光，其中：

一束光经所述可调光纤衰减器（3）送往所述光电平衡探测器（5）的一输入端口，从而构成参考光路；

另一束光依次经所述传感单元（4）的单模输入光纤（10）、多模无芯光纤（13）和单模输出光纤（14）后进入所述光电平衡探测器（5）的另一输入端口，从而构成测量光路。

2.根据权利要求1所述基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，其中，所述可编程电源（9）为可编程直流稳压电源，并连接计算机，输出可控大小的电流。

3.一种基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器检测电流的方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于磁流体和多模干涉结构的全光纤电流传感器，按照以下步骤进行电流检测：

当光通过传感单元（4）时，从传感单元（4）的单模输入光纤（10）进入多模无芯光纤（13），所述多模无芯光纤（13）为对外界折射率敏感的多模光波导，所述石英毛细管（11）与所述多模无芯光纤（13）之间的磁流体（12）的折射率随外界磁场变化而变化，从而使多模无芯光纤（13）中多模干涉发生改变，进而使所述测量光路中经传感单元（4）的单模输出光纤（14）输出光强度发生相应改变，而磁场是由通电线圈（8）中的电流产生的，经光电平衡探测器（5）探测的光强变化值与通电线圈（8）中电流变化值成对应关系，该光强变化值经光电平衡探测器（5）的探测转化为电平信号，然后经数据采集卡（6）采集并送往计算机（7），最终检测出通电线圈（8）中电流变化量。

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