CN103954822A - 光纤光栅交流电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅交流电流传感器，包括固定架、悬臂梁和导磁体，所述悬臂梁依次包括固定端、变形区和自由端，所述固定端固定在固定架上，所述自由端上设有一衔铁，所述导磁体呈开口环状，该导磁体的中间设有一容被测导线穿过的空腔，且导磁体的两端之间设有一与空腔相连通的缺口，所述导磁体两端和衔铁之间均设有气隙，悬臂梁还包括一凹槽，在凹槽的开口处有且仅有一根处于预拉伸状态的光纤光栅，该光纤光栅的两端分别与固定端、自由端固定连接，所述光纤光栅与变形区平行设置。该光纤光栅交流电流传感器结构简单、成本低、能很好地用于测定交流电流，且实现温度自补偿，消除了温度对光纤光栅测量电流的影响，进而提高测量精度。

Description

光纤光栅交流电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，特别是涉及一种用于测量交流电流的光纤光栅交流电流传感器。

背景技术

电流传感器是一种在电力行业中用途较为广泛的传感器，其也是智能化电网的基本传感器，可以用于计量、输配电、安全监测等，是电力行业实施检测或监测的常用基本传感元件。电流传感器能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的电流信息按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。现有的各种电流探测方案一般都采用电子传感器，但因为温度干扰、电磁干扰、安全性、长距离传输、使用寿命、可靠性等原因，电子传感器无法很好地解决如电力一系列行业的电流传感问题。

另外，目前用于电流探测的电子传感器一般都不具有无源特性和远距离传输功能，而且抗干扰能力差，测量精度低，还无法在高压环境下工作，存在漏电、爬电的危险。为解决这一问题，中国实用新型专利CN203376397U公开了一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括悬臂梁和固定在悬臂梁上的第一光纤光栅、第二光纤光栅，所述悬臂梁依次包括固定端、变形部和自由端，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于变形部的上下两侧、且相互串联连接，所述固定端固定在一固定架上，自由端上设有一衔铁，还包括一固定在固定架上的导磁体，所述导磁体呈开口环状，该导磁体中间设有一容许被测导线穿过的空腔，所述导磁体两端之间设有一与空腔连通的缺口，且导磁体两端与衔铁端部之间均设有气隙。该光纤光栅温度自补偿电流传感器可用于测量直流电流和交流电流，但是对于仅仅需要测量交流电流的场合，该光纤光栅温度自补偿电流传感器的结构就相对复杂，且价格昂贵。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种仅用于测量交流电流且结构简单、造价低的光纤光栅交流电流传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种光纤光栅交流电流传感器，包括固定架、安装在固定架上的悬臂梁和导磁体，所述悬臂梁依次包括固定端、变形区和自由端，所述固定端固定在固定架上，所述自由端上设有一衔铁，所述导磁体呈开口环状，该导磁体的中间设有一容被测导线穿过的空腔，且导磁体的两端之间设有一与空腔相连通的缺口，所述导磁体两端和衔铁之间均设有气隙，由固定端、变形区和自由端所构成的悬臂梁呈凹形，该悬臂梁还包括一凹槽，在凹槽的开口处有且仅有一根处于预拉伸状态的光纤光栅，该光纤光栅的两端分别与固定端、自由端固定连接，所述光纤光栅与变形区平行设置。

优选地，所述光纤光栅与固定端、光纤光栅与自由端均为焊接连接。

进一步地，所述固定架与悬臂梁、固定架与导磁体均为刚性连接。

优选地，在自由端的移动方向上，所述变形区的厚度H小于固定端、自由端的厚度W。

优选地，所述导磁体为圆环形。

进一步地，所述衔铁包括相互连接的安装部和被吸附部，所述安装部与自由端固定连接，所述气隙位于被吸附部和导磁体之间。

如上所述，本发明涉及的光纤光栅交流电流传感器，具有以下有益效果：

该光纤光栅交流电流传感器结构简单、成本低、能很好地用于测定交流电流，且实现温度自补偿，消除了温度对光纤光栅测量电流的影响，进而提高测量精度，可广泛用于发电、输电、配电的交流电流的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的另一实施例。

图3为图1的A圈放大图。

元件标号说明

1  固定架

2  悬臂梁

21 固定端

22 变形区

23 自由端

24 凹槽

3  导磁体

31 空腔

32 缺口

4  衔铁

41 安装部

42 被吸附部

5  气隙

6  光纤光栅

7  螺钉

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图3所示，本发明提供一种光纤光栅交流电流传感器，包括固定架1、安装在固定架1上的悬臂梁2和导磁体3，所述悬臂梁2依次包括固定端21、变形区22和自由端23，所述固定端21固定在固定架1上，所述自由端23上设有一衔铁4，所述导磁体3呈开口环状，该导磁体3的中间设有一容被测导线穿过的空腔31，且导磁体3的两端之间设有一与空腔31相连通的缺口32，所述导磁体3两端和衔铁4之间均设有气隙5，由固定端21、变形区22和自由端23所构成的悬臂梁2呈凹形，该悬臂梁2还包括一凹槽24，在凹槽24的开口处有且仅有一根处于预拉伸状态的光纤光栅6，该光纤光栅6的两端分别与固定端21、自由端23固定连接，所述光纤光栅6与变形区22平行设置，即本申请中在悬臂梁2挠度方向的一侧有且仅有一个光纤光栅6。

本发明涉及的光纤光栅交流电流传感器用于测量交流电流，且仅用于测量交流电流，该电流传感器仅用一根光纤光栅6作为敏感元件，其结构简单，也相对简化该传感器的数据处理模块的结构，从而有效降低其成本，故其价格较低廉，便于推广应用。另外，该光纤光栅交流电流传感器在用于测量交流电流时，能够实现温度自补偿，即消除温度变化对测量结果的影响，从而提高交流电流的测量精度，可广泛用于发电、输电、配电的交流电流测量。

具体讲，该光纤光栅交流电流传感器在测量前，作为敏感元件的光纤光栅6处于预拉伸状态，即该光纤光栅6为自由拉直的状态；所述衔铁4与导磁体3之间的气隙5应大于悬臂梁2变形区22的挠度变化，以保证当导磁体3对衔铁4产生吸力时，衔铁4带动悬臂梁2的自由端23向靠近导磁体3的方向移动时有足够的动作空间；所述导磁体3的缺口32中可填充不导磁材料。该光纤光栅交流电流传感器在测量电流时，将导磁体3套在被测导线或被测物上，使得被测导线或被测物中的被测电流从导磁体3的空腔31中穿过，导磁体3感应该被测电流，并通过气隙5在导磁体3和衔铁4之间产生一环向闭合的磁通量，使导磁体3对衔铁4产生吸附力；同时在该吸附力的作用下，衔铁4带动悬臂梁2的自由端23向靠近导磁体3的方向移动，从而使变形区22产生挠度变化；变形区22的挠度变化带动光纤光栅6轴向拉伸或收缩，故光纤光栅6发生波长变化，并通过光纤光栅6波长变化的信号来得到被测电流的大小。上述测量过程中，导磁体3对衔铁4吸附力的大小与被测电流的大小成正比，悬臂梁2变形区22的挠度变化与导磁体3对衔铁4的吸附力成正比，而光纤光栅6波长的变化又与悬臂梁2变形区22的挠度变化成正比，故光纤光栅6波长的变化最终是与被测电流的大小成正比，故可通过测量光纤光栅6波长的变化量来实现被测电流的大小测量。

另外，在测量交流电流的过程中，由于被测交流电流呈周期性变化，故由被测交流电流引起的光纤光栅6的波长变化也呈周期性变化，故被测交流电流的大小与在单个周期内光纤光栅6波长变化的幅度成正比，即两者一一对应。本申请中，交流电流的计算公式为：

I＝K_I×(λ₁-λ₀)

上述式中，K_I为电流系数；

λ₁为光纤光栅6单个周期内波长测量的最大值；

λ₀为光纤光栅6单个周期内波长测量的最小值。

在实际测量过程中，环境温度的变化会对光纤光栅6波长的变化产生一定的影响，在受环境温度的影响后，λ₁变化为λ₁+Δ₁，λ₀变化为λ₀+Δ₂，但是在同样的环境温度下，Δ₁和Δ₂的大小相等、方向相同，故I＝K_I×[(λ₁+Δ₁)-(λ₀+Δ₂)]＝K_I×(λ₁-λ₀)，所以该光纤光栅交流电流传感器消除了环境温度对交流电流测量的干扰和影响，实现温度自补偿，对被测交流电流有准确的感应，大大提高了测量精度。

优选地，所述光纤光栅6与固定端21、光纤光栅6与自由端23均通过无机材料焊接连接，或通过耐高温的胶相粘接，且光纤光栅6两端的尾纤都可以与外部被妥善保护的信号传输光缆进行串联，以实现信号的传输。所述固定架1与悬臂梁2、固定架1与导磁体3均为刚性连接，且固定架1与悬臂梁2的固定端21之间是通过螺钉7固定连接的，以防止固定端21与固定架1之间、导磁体3与固定架1之间出现相对移动。

优选地，如图1和图2所示，在自由端23的移动方向上，所述变形区22的厚度H小于固定端21、自由端23的厚度W，以提高变形区22挠度变化的感知速度，从而提高该传感器的灵敏度。

优选地，所述导磁体3为圆环形，当然，导磁体3也可以为方框形、椭圆形等其他形状。

进一步地，如图3所示，所述衔铁4包括相互连接的安装部41和被吸附部42，所述被吸附部42的横截面面积大于安装部41的横截面面积，所述安装部41与自由端23固定连接，所述气隙5位于被吸附部42和导磁体3之间。本实施例中，所述安装部41可通过螺钉等紧固件固定在悬臂梁2的自由端23，也可以通过无机材料焊接或通过胶粘接的方式固定在悬臂梁2的自由端23。所述衔铁4直接固定在悬臂梁2的自由端23，可提高变形区22感知衔铁4位移的能力，进一步提高传感器的灵敏度。另外，本申请中，所述导磁体3位于悬臂梁2的下方，悬臂梁2凹槽24的开口可以朝上也可以朝下，当凹槽24的开口朝上时，如图1所示，所述光纤光栅6位于悬臂梁2的上侧，变形区22位于悬臂梁2的下侧；当凹槽24的开口朝下时，如图2所示，所述光纤光栅6位于悬臂梁2的下侧，变形区22位于悬臂梁2的上侧。

综上所述，本发明涉及的光纤光栅交流电流传感器具有以下有益效果：

1、远距离传输：其测量精度和分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响，可直接通过光纤进行信号的远距离传输，传输距离超过40km，远大于其他种类的电流传感器，故监测现场无需供电，可广泛地用于发电、输电、配电的交流电流测量；

2、消除温度干扰：其能够消除环境温度对测量结果的影响，具有温度自补偿功能，以提高对交流电流测量的准确性，提高传感器的环境适应性；

3、信号不受电磁影响：其采用光纤光栅6作为敏感元件，该敏感元件产生的是激光波长的移动信号，激光不受电磁干扰，故该传感器能够抵抗电磁干扰；

4、其无需供电：本申请中光纤光栅6为反射型元件，对解调仪发送过来的激光信号进行反射，而传感器本身不产生激光；

5、本质绝缘：本申请中信号由本质绝缘的光纤引出，光纤材料本质绝缘；

6、结构简单：本申请结构设计非常简单，直接测量交流电流大小变化所产生对悬臂梁2自由端23作用力的大小变化；

7、本申请直接感应被测交流电流所产生的磁场，无需进行电-磁-电的转换。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种光纤光栅交流电流传感器，包括固定架(1)、安装在固定架(1)上的悬臂梁(2)和导磁体(3)，所述悬臂梁(2)依次包括固定端(21)、变形区(22)和自由端(23)，所述固定端(21)固定在固定架(1)上，所述自由端(23)上设有一衔铁(4)，所述导磁体(3)呈开口环状，该导磁体(3)的中间设有一容被测导线穿过的空腔(31)，且导磁体(3)的两端之间设有一与空腔(31)相连通的缺口(32)，所述导磁体(3)两端和衔铁(4)之间均设有气隙(5)，其特征在于：由固定端(21)、变形区(22)和自由端(23)所构成的悬臂梁(2)呈凹形，该悬臂梁(2)还包括一凹槽(24)，在凹槽(24)的开口处有且仅有一根处于预拉伸状态的光纤光栅(6)，该光纤光栅(6)的两端分别与固定端(21)、自由端(23)固定连接，所述光纤光栅(6)与变形区(22)平行设置。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅交流电流传感器，其特征在于：所述光纤光栅(6)与固定端(21)、光纤光栅(6)与自由端(23)均为焊接连接。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅交流电流传感器，其特征在于：所述固定架(1)与悬臂梁(2)、固定架(1)与导磁体(3)均为刚性连接。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅交流电流传感器，其特征在于：在自由端(23)的移动方向上，所述变形区(22)的厚度H小于固定端(21)、自由端(23)的厚度W。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅交流电流传感器，其特征在于：所述导磁体(3)为圆环形。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅交流电流传感器，其特征在于：所述衔铁(4)包括相互连接的安装部(41)和被吸附部(42)，所述安装部(41)与自由端(23)固定连接，所述气隙(5)位于被吸附部(42)和导磁体(3)之间。