CN104764926A - 一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法，其特征在于，是以光纤上剥离了光纤涂覆层的区域作为光栅写入区域，在其纤芯上写入有由长周期光栅和布拉格光栅套嵌形成的复合光栅结构；在其外表面蒸镀有发热电极，发热电极的两端分别由一根无氧铜丝引出，用于与外部待测电路相连；所采用的电流检测方法为：当外部待测电路有电流输出经过发热电极时，引起光纤电流传感器反射谱或透射谱的峰值波长漂移，检测出峰值波长的漂移大小，则可获得外部电流的大小，实现对电流的检测。本发明的基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器具有灵敏度高，响应速度快，体积小，结构简单，性能稳定，成本低以及光路应用灵活的优点。

Description

一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法

技术领域

本发明涉及一种光纤电流传感器，特别是一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法。

背景技术

电力工业领域中，电流的测量是必不可少的一项重要参数，在电能的生产、传输、存储和使用过程中，都需要监控电流的变化。传统的电流测量大多基于欧姆定律、法拉第电磁感应或者磁场传感等效应。但传统非光学的测量方法存在电气绝缘、尺寸和电磁干扰等问题，而光纤电流传感技术由于所用光纤介质非导体，光信号的传输与检测与电磁场完全无相关，具有良好电气绝缘特性和高灵敏度，因而光纤电流传感技术得到了逐步重视和快速发展。

光纤电流传感器按照实现原理分为法拉第效应型，磁致伸缩型，电流热效应型，光纤光栅型。法拉第效应型是最早提出的，它是利用电流传感通过检测电流时产生的磁场引起通过传感元件的光的偏置角变化，从而实现对电流的检测。这类传感器因其光路多为空间分立器件，因而长期工作易受水气杂质影响，长期可靠性不能满足实际需求。

而另一类光纤光栅型，是通过将电流的电磁作用力或者电场对材料的磁致伸缩作用通过机械装置传递给光纤光栅，通过检测光纤光栅的光谱变化来实现对电流检测。如：采用电流产生感应电场驱动压电陶瓷使布拉格光纤光栅发生形变，从而检测电流；或是通过PZT将材料磁致伸缩调制于Sagnac环中传输光的相位变化来实现对电流的检测。

但是现有各种光纤电流传感都普遍存在一些问题，如：传感器结构复杂，易受外界环境或者电磁场的干扰；传感光纤过短则检测精度难以达到与要求，光纤过长又易受复杂的振动与温度环境影响；Sagnac光纤干涉型电流传感器易受地球自转和振动的影响，且光路无法做到完全的互易性；常规光纤光栅传感器，由于多采用二次效应将材料膨胀、伸缩或电磁力传递给光纤敏感元件，其结构复杂，可靠性和灵敏度都受到限制。此外，普通光纤光栅型光纤电流传感器大多采用布拉格光纤光栅或长周期光纤光栅作为传感元件，而这种普通光纤光栅只能利用透射光谱或者反射光谱，一般不能同时使用两个光谱，布拉格光纤光栅由于是纤芯模式之间的耦合，对外界环境的响应比长周期光纤光栅差，而普通长周期光纤光栅只能利用透射谱来进行信号检测，且一般其透射光谱的透射峰较宽，这将导致其信号检测精度下降。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法，以提高传统光纤电流传感器的检测灵敏度、稳定性和响应速度，简化传感器结构，实现体积小、成本低、光路应用灵活的光纤电流传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器，其特点是：所述光纤电流传感器是以光纤上剥离了光纤涂覆层的区域作为光栅写入区域，在所述光栅写入区域的纤芯上写入有由长周期光栅和布拉格光栅套嵌形成的复合光栅结构；在所述光栅写入区域的外表面蒸镀有发热电极，所述发热电极的两端分别由一根无氧铜丝引出，用于与外部待测电路相连。

本发明基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器，其特点也在于：所述发热电极的厚度为150-500nm；所述发热电极采用电阻率高于10^-6Ω·m的高电阻率材料。优选的，所述发热电极采用Ni-Fe合金材料；Ni-Fe合金材料中镍/铁质量含量的比值随靶材制作工艺不同，可能采用不同的质量比，优选为镍质量含量为30％，铁质量含量为70％。

所述光纤为经过敏化增强的光纤。优选为石英敏化光纤。

所述复合光栅结构中的长周期光栅和布拉格光栅满足模式耦合共振条件。所述复合光栅结构是通过先向光栅写入区域的纤芯上写入长周期光栅，然后再二次曝光写入布拉格光栅的方法实现。

所述光栅写入区域的长度为2～3cm。

上述的光纤电流传感器的电流检测方法，其特点在于：

通过所述无氧铜丝将光纤电流传感器和外部待测电路连接，当外部待测电路的电流输出经过发热电极时，所述发热电极加热光栅写入区域，引起光纤电流传感器的反射谱峰值波长漂移或透射谱峰值波长漂移；

通过光谱检测方法检测光纤电流传感器的反射谱峰值波长或透射谱峰值波长，获得外部待测电路的电流强度信息；或者通过透射光强度检测方法检测光纤电流传感器的透射谱峰值波长漂移引起的光强变化，获得外部待测电路的电流强度信息；或者通过反射光强度检测方法检测光纤电流传感器的反射谱峰值波长漂移引起的光强变化，获得外部待测电路的电流强度信息。

与已有光纤电流传感器相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用了套嵌光纤光栅结构，该复合光栅结构是由长周期光栅和布拉格光栅套嵌写入形成，传输光场经光栅结构耦合将有部分光能量进入包层模式，包层模式光场使得光栅对外界温度的变化更加敏感，因而能进一步提高传感器对电流检测的灵敏度；另一方面套嵌光纤光栅的反射谱和透射谱中的反射峰和透射峰的线宽都非常窄，只有0.5nm左右，且消光比都达到35dB以上，这意味着采用套嵌光纤光栅结构的光纤电流传感器，即可以采用透射谱，也可以用反射谱来实现对电流信号的检测，提高传感器应用光路的灵活性和分辨率。

2、本发明采用了将Ni-Fe合金薄膜直接镀膜在光栅写入区域外表面的方法，避免了常规光纤光栅电流传感器一般需用复杂机械结构装置将电流产生的温度变化或应力变化传递给传感光栅的不足，既避免了复杂的传感器结构，提高传感器的可靠性，又能使得传感光栅能直接感测到温度变化，减小热传递路径，提高传感器的灵敏度和温度响应速度。

3、本发明提出的基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器，由于采用了光纤直接写入光栅作为传感元件，因而其体积非常小，传感器的制作过程无需经过传统微纳器件需要的光刻、显影、微纳加工等工艺，因而传感器器件的制作成本低。

附图说明

图1为本发明基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器的示意图；

图2为本发明中所涉及的套嵌光纤光栅的制作过程第一步，写入长周期光纤光栅的示意图；

图3为本发明中所涉及的套嵌光纤光栅的制作过程第二步，二次曝光写入布拉格光栅的示意图；

图4为本发明基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器的电流测试实验原理图；

图5为本发明实施例中光纤电流传感器的电流测试所获得的反射谱图；

图6为本发明实施例中光纤电流传感器的电流-反射谱峰值波长标准关系曲线；

图中标号：1 光纤涂覆层，2 光纤包层，3 纤芯，4 光纤夹具，5 氩离子紫外激光器，6 长周期光栅掩模板，7 长周期光栅预曝光区域，8 布拉格光栅相位掩模板，9 发热电极，10 无氧铜丝，11 光纤，12 宽带光源，13 直流电源，14 光谱仪，15 外部待测电路正极，16 外部待测电路负极，17 光纤电流传感器。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器的结构为：以光纤上剥离了光纤涂覆层1的2cm区域作为光栅写入区域，在光栅写入区域的纤芯3上写入有由长周期光栅和布拉格光栅套嵌形成的复合光栅结构；在光栅写入区域的外表面蒸镀有厚度为150-500nm的发热电极9，发热电极9的两端分别由一根无氧铜丝10引出，用于与外部待测电路相连。

本实施例基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器是按如下方法进行制作：

1、使用光纤剥线钳将石英敏化光纤中长度约2cm的光纤涂覆层1剥除作为光栅写入区域，使光纤包层2暴露，并用酒精将光纤包层2表面擦试干净；将清洁干净的光敏光纤固定在光纤夹具4上。

2、如图2所示，将固定后的石英敏化光纤放置在长周期光栅掩模板6下，模板周期为350μm，采用波长为248nm的氩离子紫外激光器5对长周期光栅掩模板6下暴露出的光纤包层2进行扫描曝光，调节激光器功率为35mW，控制光斑扫描速度为15μm/s，对光栅写入区域进行往复扫描。经紫外激光曝光的纤芯3产生光致诱导折射率变化，形成长周期光栅预曝光区域7。扫描过程的同时，使用光谱仪对石英敏化光纤的透射谱进行实时监控，观察每次扫描后的光谱变化，确定光栅的光谱特性，从而完成长周期光栅的制作。

3、二次曝光布拉格光栅写入，如图3所示，将完成制作长周期光栅的光栅写入区域固定在反射中心波长为1540nm的布拉格光栅相位掩模板8的正后方，且长周期光栅预曝光写入区域7紧贴布拉格光栅相位掩模板8。采用波长为248nm的氩离子紫外激光器5通过布拉格光栅相位掩模板8用平行入射方式照射光栅写入区域(调节激光器功率为45mW，控制光斑扫描速度为5μm/s)，对光栅写入区域进行二次曝光，光栅写入区域的光纤包层2及位于其内部的纤芯3再次感光，经紫外激光曝光的纤芯3的折射率再次变化，实现布拉格光栅结构的套嵌写入，形成复合光栅结构，完成套嵌光纤光栅的制作。

4、将制作完成的套嵌光纤光栅依次放入丙酮、酒精和去离子水中进行超声清洗，将包层表面的杂质及油污去除，增加镍铁合金层的附着力。然后放入干燥箱中进行脱水烘干，在100℃的温度下进行3分钟的脱水烘干，完成对光纤的干燥处理。

5、将已清洁干净并干燥处理后的光纤固定在旋转夹具上，放入磁控溅射腔室中，在溅射镀膜过程中，光纤以慢速旋转，这种溅射方式能保证光纤表面均匀成膜。采用这种方法，在光纤的光栅写入区域表面镀上一层长度约2cm，厚度150nm的镍铁合金层，作为发热电极9。Ni-Fe合金材料中镍/铁质量含量的比值随靶材制作工艺不同，可能采用不同的质量比，本实施例为镍质量含量为30％，铁质量含量为70％。

6、将完成镀膜的光纤从磁控溅射腔室中取出，在发热电极9两端分别连接直径为50μm的无氧铜丝10，该无氧铜丝作为导电电极与外部待测电子线路连接，从而完成基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器17的制作，如图1所示。

7、测试上述获得的光纤电流传感器的电流-反射谱峰值波长标准关系曲线：将光纤电流传感器的无氧铜丝与外部电源的正极和负极连接，将光纤电流传感器的光纤两端分别与宽带光源和光谱仪连接，通过外部电源向光纤电流传感器逐渐施加0mA、11.5mA、21mA、29.5mA、35.5mA、41.5mA、44.5mA的电流，并用光谱仪记录相应的输出反射谱峰值波长，如图5所示，然后根据电流值与反射谱峰值波长的对应关系绘制该光纤电流传感器电流-反射谱峰值波长标准关系曲线，如图6所示，获得该光纤电流传感器电流-反射谱峰值波长标准关系为：Y＝1539.79+0.0016×X²，其中Y是反射谱峰值波长，单位nm，X为待测电流值，单位为mA。

上述制作的基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器是按如下方法进行电流测试：

1、将光纤电流传感器的无氧铜丝10与外部待测电路正极15及外部待测电路负极16相连，同时，将光纤电流传感器的两端光纤分别与宽带光源12和光谱仪14连接，如图4所示。

2、外部待测电路的电流光纤电流传感器，引起光纤电流传感器的反射谱发生变化，待光谱仪中的光谱稳定后，记录对应这一电流大小时输出的反射谱峰值波长。

3、将反射谱峰值波长代入该光纤电流传感器的电流-反射谱峰值波长标准关系曲线，即可计算出此外部待测电路待测电流的大小。

同理的，也可以通过测试出该光纤电流传感器的电流-透射谱峰值波长标准关系曲线，进行后续外部待测电路的电流测试。

或者也可以通过将随电流变化，输出光谱峰值波长的漂移，通过外加一个线性滤波器，使得峰值波长漂移转换成光强的变化，从而测出电流-光强的标准关系曲线，进而测出待测电流的电流大小。

Claims (9)

1.一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器，其特征是：所述光纤电流传感器是以光纤上剥离了光纤涂覆层的区域作为光栅写入区域，在所述光栅写入区域的纤芯上写入有由长周期光栅和布拉格光栅套嵌形成的复合光栅结构；在所述光栅写入区域的外表面蒸镀有发热电极，所述发热电极的两端分别由一根无氧铜丝引出，用于与外部待测电路相连。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征是：所述发热电极采用电阻率高于10^-6Ω·m的高电阻率材料。

3.根据权利要求1或2所述的光纤电流传感器，其特征是：所述发热电极采用Ni-Fe合金材料。

4.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征是：所述光纤为经过敏化增强的光纤。

5.根据权利要求1或4所述的光纤电流传感器，其特征是：所述光纤为石英敏化光纤。

6.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征是：所述复合光栅结构中的长周期光栅和布拉格光栅满足模式耦合共振条件。

7.根据权利要求1或6所述的光纤电流传感器，其特征是：所述复合光栅结构是通过先向光栅写入区域的纤芯上写入长周期光栅，然后再二次曝光写入布拉格光栅的方法实现。

8.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征是：所述光栅写入区域的长度为2～3cm。

9.一种权利要求1～8中任意一项所述光纤电流传感器的电流检测方法，其特征在于：

通过所述无氧铜丝将光纤电流传感器和外部待测电路连接，当外部待测电路的电流输出经过发热电极时，所述发热电极加热光栅写入区域，引起光纤电流传感器的反射谱峰值波长漂移或透射谱峰值波长漂移；

通过光谱检测方法检测光纤电流传感器的反射谱峰值波长或透射谱峰值波长，获得外部待测电路的电流强度信息；或者通过透射光强度检测方法检测光纤电流传感器的透射谱峰值波长漂移引起的光强变化，获得外部待测电路的电流强度信息；或者通过反射光强度检测方法检测光纤电流传感器的反射谱峰值波长漂移引起的光强变化，获得外部待测电路的电流强度信息。