CN107655394A - 非接触式磁场传感单元、测距系统、测距方法 - Google Patents

Abstract

非接触式磁场传感单元、测距系统、测距方法，涉及超磁致伸缩材料自传感技术以及光学非接触式微位移测量技术，属于电力系统计量与保护领域。解决了现有光学电流传感器测量精度低的问题。所述非接触式磁场传感单元通过GMM棒来感应被测输电线路的磁场，根据磁场的变化产生轴向的伸缩，来感应被测输电线路的电流变化情况，感应灵敏，从而提高了电流检测精度。测距系统和测距方法均是基于非接触式磁场传感单元实现的，由于前期的电流检测精度度，从而使测量系统和测量方法的检测精度相应提高。本发明主要用于检测流经超特高压输电系统母线上的电流及非接触式微位移的测量。

Description

非接触式磁场传感单元、测距系统、测距方法

技术领域

本发明涉及超磁致伸缩材料自传感技术以及光学非接触式微位移测量技术，属于电力系统计量与保护领域。

背景技术

电流互感器是电力系统建设和运行的重要一次设备，为系统地控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到电力系统的安全稳定运行。随着输电技术的快速发展，超特高压输电工程日益增多，电力系统的运行状况需要被牢牢的掌控，这就需要更先进更符合要求的电流传感器来完成这项任务。

随着电力工业的发展，近年来科研人员把目光主要聚焦到了研究新型光学电流传感器。按其所应用的材料来划分，目前系统中应用且研究较多的光学电流传感器主要分为三种。一种是以重火石玻璃为代表的传感器，另一种是以光纤作为传感材料的传感器。这两种材料都具有法拉第旋光特性，即将该材料置于由输电线路所产生的磁场中，让一束线偏振光通过该材料，由于法拉第旋光效应，在材料中的线偏振光角度将发生一定偏转，偏转的角度与磁场强度呈线性关系。因此可以通过探测出射光偏转角度监测电流强度。第三种是由光纤布拉格光栅与GMM棒结合起来构成的光学电流传感器。其机理是：将GMM与光纤布拉格光栅沿棒方向粘贴在一起从而同步两种材料的应变，通过测量光栅的波长偏移量，反推其应变大小，从而获得产生磁场的待测直流电流的大小。

然而这三种光学电流传感器共同的不足之处有三点：一是测量精度的温度漂移问题是光学电流传感器的世界技术难题；二是整体结构较为复杂，除了光的双折射对输出结果有影响，光电设备本身也会对最后的数字信号结果产生影响；三是传感器的输出终端都是数字信号，只能通过数字信号对输电线路进行监测，发生故障无法直接进行保护动作。

现有的光学电流传感器存在电流感应的准确度低，即测量准确度低的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有光学电流传感器测量精度低的问题，本发明提供了一种非接触式磁场传感单元、测距系统、测距方法。

非接触式磁场传感单元，它包括底座、柱形外壳、预应力机构、偏执磁场机构、GMM棒和输出棒；

柱形外壳的一端口通过底座密封，其另一端口通过预应力机构进行密封；

GMM棒位于柱形外壳内，且GMM棒的一端与底座固定连接，其另一端与输出棒的底端挤压连接；

输出棒贯穿预应力机构，且预应力机构用于对输出棒进行限位；

偏执磁场机构设置在GMM棒与柱形外壳间形成的圆环型空腔内，用于给GMM棒提供偏置磁场；

GMM棒与被测输电线路交叉垂直，二者之间有工作间隙；

GMM棒用于感应被测输电线路的磁场，并根据磁场的变化产生轴向的伸缩，从而带动输出棒移动。

一种测距系统，所述测距系统是采用所述的非接触式磁场传感单元实现的，该测距系统还包括光学收发系统、光电传感器件和信号处理单元；

所述光学收发系统发出的光入射到输出棒的顶端，经输出棒的顶端反射后，通过光学收发系统入射至光电传感器件，光电传感器件进行光电转化后，输出的电流通过信号处理单元进行处理，信号处理单元根据接收电流的变化，获得光电传感器件上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x，进而获取GMM棒感应被测输电线路磁场后输出棒移动的距离。

一种测距方法，所述测距方法是基于所述的测距系统实现的，该方法包括如下步骤：

步骤一：激光器发出的光经光学玻璃透射后，倾斜入射到输出棒的顶端，经输出棒的顶端反射后，依次经光学玻璃和接收透镜透射后，入射至光电传感器件；

步骤二：光电传感器件对接收的入射光进行光电转化后，输出电流I₁和I₂；

步骤三：信号处理单元对接收的电流I₁和I₂转化为电压V₁和V₂后，再进行解算处理，获得光电传感器件上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x；

其中，

L为光电传感器件的光敏面总长度，V₂为电流I₂转换后的电压，V₁为电流I₁转换后的电压；

步骤四：将距离x代入下述公式中，获得输出棒与光学玻璃间的距离y，

其中，

γ为激光器主光轴与被测物面法线之间的夹角，其中，被测物面为输出棒的顶端所在的平面；

α为光电传感器件的光敏面中心、接收透镜的中心和光学玻璃上的入射光点三者所形成的直线与被测物面法线间的夹角；

β为光电传感器件的光敏面中心、接收透镜的中心和光学玻璃上的入射光点三者所形成的直线与光电传感器件的光敏面间的夹角；

步骤五：GMM棒用于感应被测输电线路的磁场，并根据步骤一至四计算出GMM棒在感应前、后，输出棒与光学玻璃之间的距离y，再将前、后两次的距离y作差，从而获得输出棒移动距离。

本发明带来的有益效果是，通过GMM棒来感应被测输电线路的磁场，根据磁场的变化产生轴向的伸缩，来感应被测输电线路的电流变化情况，根据GMM棒的感应特性，提出了一种非接触式磁场传感单元，对电流变化产生的磁场，感应灵敏，从而提高了电流检测精度。本发明提供本发明所述的一种非接触式磁场传感单元主要用于检测流经超特高压输电系统母线上的电流。

通过非接触式磁场传感单元实现的测距系统和测距方法，可感应出因GMM棒的伸缩，带动输出棒运动，将激光器发出的光束投射到被测物体表面(即：输出棒顶端所在的平面)，物面的反射光由光学收发系统接收到达电传感器件，当被测物沿着入射光源法线方向移动时，打到电传感器件上的光点位置也会发生相应的移动，二者之间存在确定的数学关系，光点位置的变化进而转换为检测电流大小的变化，解读出电流的变化即可得到被测物的移动情况。实现了非接触式微位移的测量。

附图说明

图1为本发明所述的非接触式磁场传感单元的结构示意图；

图2为预紧力机构的结构示意图；

图3为测距系统的原理示意图；

图4为光学收发系统的光路原理示意图；

图5为一维PSD的结构示意图；其中，A′和B′分别为一维PSD的两个输出电极，C′为照射在一维PSD光敏面的入射光的位置；I₀为总光电流。

图6为信号处理单元的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的非接触式磁场传感单元，它包括底座1、柱形外壳2、预应力机构3、偏执磁场机构4、GMM棒5和输出棒6；

柱形外壳2的一端口通过底座1密封，其另一端口通过预应力机构3进行密封；

GMM棒5位于柱形外壳2内，且GMM棒5的一端与底座1固定连接，其另一端与输出棒6的底端挤压连接；

输出棒6贯穿预应力机构3，且预应力机构3用于对输出棒6进行限位；

偏执磁场机构4设置在GMM棒5与柱形外壳2间形成的圆环型空腔内，用于给GMM棒5提供偏置磁场；

GMM棒5与被测输电线路10交叉垂直，二者之间有工作间隙；

GMM棒5用于感应被测输电线路10的磁场，并根据磁场的变化产生轴向的伸缩，从而带动输出棒6移动。

本实施方式，GMM棒5与底座1固定，而被测输电线路10则是垂直于GMM棒5的一侧，这样GMM棒5就能够感应被测输电线路10的磁场而产生轴向的伸缩，从而产生应变使输出棒6移动。

偏执磁场机构4环绕在GMM棒5周围，提供偏置磁场，用于消除GMM棒5动态应用下的倍频效应，可移动其工作点至输出特性曲线的线性区域，以提高装置的精度。

GMM(Giant Magnetostrctive Material)是具有磁致伸缩特性的材料，因掺杂有稀土元素，并在磁场作用下，该材料相比于传统的铁基以及镍基磁致伸缩材料有相对较大的长度和体积变化，故称之为稀土超磁致伸缩材料。在工程上，利用这个特性，能将电能和磁能高效的转化为机械能，抑或将机械能高效的转化为电能。

铁磁材料在外加磁场作用下发生长度或体积变化的现象称为磁致伸缩。GMM是在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y，这种材料已实现商品化生产。由于GMM的磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大约2个数量级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。

GMM是一种新型高效的磁(电)——机械能量转换材料，与Ni和PZT相比，具有优越的性能：(1)在室温下的磁致伸缩应变量，是Ni磁致伸缩应变的40～50倍，是PZT电致伸缩应变的4～20倍；(2)能量转换密度高，是Ni的400～500倍，是PZT的10～25倍；(3)响应速度快，响应速度一般在几十毫秒以下，甚至达到微秒级；(4)输出力大，带载能力强；(5)磁机耦合系数大，电磁能——机械能转换效率高，一般可达72％。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述非接触式磁场传感单元的区别在于，所述偏执磁场机构4包括永磁铁和永磁铁架；永磁铁固定在永磁铁架上，永磁铁架固定在柱形外壳2的内壁上。

具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述非接触式磁场传感单元的区别在于，所述预应力机构3包括预紧螺母3-1、预紧弹簧3-2和上开口壳体3-3；输出棒6上设有凸沿6-1；

预紧螺母3-1旋拧在上开口壳体3-3的开口处，预紧弹簧3-2挤压在凸沿6-1与预紧螺母3-1之间。

本实施方式，预紧弹簧3-2与输出棒6紧密相连，而预紧螺母3-1可以用来调节预应力的大小，提高GMM棒5的输出性能和其抗拉强度。

具体实施方式四：参见图1至图3说明本实施方式，一种测距系统，所述测距系统是采用具体实施方式一所述非接触式磁场传感单元实现的，该测距系统还包括光学收发系统7、光电传感器件8和信号处理单元9；

所述光学收发系统7发出的光入射到输出棒6的顶端，经输出棒6的顶端反射后，通过光学收发系统7入射至光电传感器件8，光电传感器件8进行光电转化后，输出的电流通过信号处理单元9进行处理，信号处理单元9根据接收电流的变化，获得光电传感器件8上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x，进而获取GMM棒5感应被测输电线路10磁场后输出棒6移动的距离。

具体实施方式五：参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述测距系统的区别在于，所述光学收发系统7包括激光器7-1、准直透镜7-2、接收透镜7-3和光学玻璃7-4；

激光器7-1发出的光经光学玻璃7-4透射后，倾斜入射到输出棒6的顶端，经输出棒6的顶端反射后，依次经光学玻璃7-4和接收透镜7-3透射后，入射至光电传感器件8；

光电传感器件8的光敏面中心与接收透镜7-3的中心和光学玻璃7-4上的入射光点在一条直线上；

激光器7-1轴线延长线、接收透镜7-3主平面所在的平面和光电传感器件8的光敏面所在的平面，三者交于一点，且满足

a为光电传感器件8的光敏面中心到接收透镜7-3主平面之间的距离；

b为收透镜7-3主平面与光学玻璃7-4上的入射光点间的距离；

f为接收透镜7-3的焦距。

本实施方式中，激光器7-1发出的光与被测物面间的夹角小于90°，被测物面为输出棒6的顶端所在的平面。

具体实施方式六：参见图1、2、3和5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述测距系统的区别在于，所述光电传感器件8采用一维PSD实现。

本实施方式，光电传感器件8所采用的一维PSD，是一种基于横向光电效应的光电传感器件。PSD(Position Sensitive Detector)位置敏感探测器，一维PSD作为非分割连续型光电器件，属于非离散型器件。能连续检测光点的位置，使测量过程不存在死区。一维PSD工作原理结构如图5所示。P层为光敏层，同时也为导电层，阻抗均匀。当P层被非均匀光照射时，由于横向光电效应，在与结平面平行的方向产生光生电流，并被P层两端的电极收集。电流的大小与入射光斑位置相关，因此，根据输出的电流能连续地检测出入射光斑的位置。

图5中I₁和I₂分别为两电极A′和B′输出电流，入射光距离其中间的距离x可由下式求得：

单电极A′、B′的输出电流I₁、I₂，与入射光强呈线性关系，光强变化，单电极输出极电流同步按比例变化，(I₂-I₁)和(I₂+I₁)也按同一比例关系变化。但上式由于是相比关系，计算结果保持不变，即x与入射光强变化无关，只与两极输出电流之比有关，当入射光点位置固定，上式结果恒定，因此位置敏感器件就成为仅对入射光位置敏感的光电器件。

PSD检测的是光斑能量的中心位置，与光斑大小无关；(I₂-I₁)/(I₂+I₁)的比值仅与照射光点的光斑中心位置有关，与入射角、光强度分布无关。

具体实施方式七：参见图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述测距系统的区别在于，所述信号处理单元9包括两个I/V转换装置9-1、加法器9-2、减法器9-3、除法器9-4和距离解算单元9-5；

一维PSD的两个电流输出端分别与两个I/V转换装置9-1的电流输入端连接；

两个I/V转换装置9-1均用于对接收的电流转化成电压；

一个I/V转换装置9-1的电压输出端同时与加法器9-2的一个输入端和减法器9-3的被减数输入端连接；

另一个I/V转换装置9-1的电压输出端同时与加法器9-2的另一个输入端和减法器9-3的减数输入端连接；

加法器9-2的输出端与除法器9-4的除数输入端连接，减法器9-3的输出端与除法器9-4的被除数输入端连接，除法器9-4的输出端与距离解算单元9-5的输入端连接；

距离解算单元9-5，用于对接收的数据进行解算，从而获得光电传感器件8上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x。

本实施方式中，当有光照时，光电传感器件8产生电流，并无法知晓产生的电流的大小，首要问题是将电流转换为电压，然后利用电压进行信号处理，信号处理单元9对信号的处理框图如图6所示。图6中，首先通过I/V转换装置9-1将来一维PSD两极的电流转换为电压信号，随后将两路电压信号进行加法运算，减法运算，进而送到除法器中进行运算，根据下面的公式，得到入射光点距离位置敏感器件中心位置间的x值。

具体实施方式八：参见图1至图4说明本实施方式，一种测距方法，所述测距方法是基于具体实施方式五所述测距系统实现的，该方法包括如下步骤：

步骤一：激光器7-1发出的光经光学玻璃7-4透射后，倾斜入射到输出棒6的顶端，

经输出棒6的顶端反射后，依次经光学玻璃7-4和接收透镜7-3透射后，入射至光电传感器件8；

步骤二：光电传感器件8对接收的入射光进行光电转化后，输出电流I₁和I₂；

步骤三：信号处理单元9对接收的电流I₁和I₂转化为电压V₁和V₂后，再进行解算处理，获得光电传感器件8上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x；

其中，

L为光电传感器件8的光敏面总长度，V₂为电流I₂转换后的电压，V₁为电流I₁转换后的电压；

步骤四：将距离x代入下述公式中，获得输出棒6与光学玻璃7-4间的距离y，

其中，

γ为激光器7-1主光轴与被测物面法线之间的夹角，其中，被测物面为输出棒6的顶端所在的平面；

α为光电传感器件8的光敏面中心、接收透镜7-3的中心和光学玻璃7-4上的入射光点三者所形成的直线与被测物面法线间的夹角；

β为光电传感器件8的光敏面中心、接收透镜7-3的中心和光学玻璃7-4上的入射光点三者所形成的直线与光电传感器件8的光敏面间的夹角；

步骤五：GMM棒5用于感应被测输电线路10的磁场，并根据步骤一至四计算出GMM棒5在感应前、后，输出棒6与光学玻璃7-4之间的距离y，再将前、后两次的距离y作差，从而获得输出棒6移动距离。

本实施方式中，光学测距系统是基于透镜成像原理实现在线检测的目的，因此为了保证测量结果的准确性，当被测物体发生位移时，光电传感器件8上所成的光斑沿直线轨迹移动，即像点与物点始终存在着一一对应的公式关系。为使不同位置尺寸的目标面能在PSD上精确光斑，因此该光学测距系统的光路设计必须满足Scheimpflug条件，即使激光器7-1轴线延长线、接收透镜7-3主平面所在的平面和光电传感器件8的光敏面所在的平面，三者交于一点。

光学收发系统光路原理结构如图4所示：要在光电传感器件8上得到清晰的光斑，根据光学成像原理，需要满足透镜成像公式：

当系统光路确定后，即a，b，α，β，γ，f为已知量时，只要求出光点在光电传感器件8上的位置，就能得出被测物表面当前位置，根据输出棒6的位置变化前后的测量值，即可获得，输出棒6的移动距离。

具体实施方式九：参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八所述测距方法的区别在于：

当输出棒6移动后的位置在参考平面以上时，

当输出棒6移动后的位置在参考平面以下时，

当输出棒6移动后的位置与参考平面平齐时，y等于参考平面距光学玻璃7-4间的距离；

其中，参考平面位于输出棒6的初始位置与光学玻璃7-4之间，且位于二者的中间位置。

Claims (9)

1.非接触式磁场传感单元，其特征在于，它包括底座(1)、柱形外壳(2)、预应力机构(3)、偏执磁场机构(4)、GMM棒(5)和输出棒(6)；

柱形外壳(2)的一端口通过底座(1)密封，其另一端口通过预应力机构(3)进行密封；

GMM棒(5)位于柱形外壳(2)内，且GMM棒(5)的一端与底座(1)固定连接，其另一端与输出棒(6)的底端挤压连接；

输出棒(6)贯穿预应力机构(3)，且预应力机构(3)用于对输出棒(6)进行限位；

偏执磁场机构(4)设置在GMM棒(5)与柱形外壳(2)间形成的圆环型空腔内，用于给GMM棒(5)提供偏置磁场；

GMM棒(5)与被测输电线路(10)交叉垂直，二者之间有工作间隙；

GMM棒(5)用于感应被测输电线路(10)的磁场，并根据磁场的变化产生轴向的伸缩，从而带动输出棒(6)移动。

2.根据权利要求1所述的非接触式磁场传感单元，其特征在于，所述偏执磁场机构(4)包括永磁铁和永磁铁架；永磁铁固定在永磁铁架上，永磁铁架固定在柱形外壳(2)的内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式磁场传感单元，其特征在于，所述预应力机构(3)包括预紧螺母(3-1)、预紧弹簧(3-2)和上开口壳体(3-3)；输出棒(6)上设有凸沿(6-1)；

预紧螺母(3-1)旋拧在上开口壳体(3-3)的开口处，预紧弹簧(3-2)挤压在凸沿(6-1)与预紧螺母(3-1)之间。

4.一种测距系统，所述测距系统是采用权利要求1所述的非接触式磁场传感单元实现的，其特征在于，该测距系统还包括光学收发系统(7)、光电传感器件(8)和信号处理单元(9)；

所述光学收发系统(7)发出的光入射到输出棒(6)的顶端，经输出棒(6)的顶端反射后，通过光学收发系统(7)入射至光电传感器件(8)，光电传感器件(8)进行光电转化后，输出的电流通过信号处理单元(9)进行处理，信号处理单元(9)根据接收电流的变化，获得光电传感器件(8)上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x，进而获取GMM棒(5)感应被测输电线路(10)磁场后输出棒(6)移动的距离。

5.根据权利要求4所述的测距系统，其特征在于，所述光学收发系统(7)包括激光器(7-1)、准直透镜(7-2)、接收透镜(7-3)和光学玻璃(7-4)；

激光器(7-1)发出的光经光学玻璃(7-4)透射后，倾斜入射到输出棒(6)的顶端，经输出棒(6)的顶端反射后，依次经光学玻璃(7-4)和接收透镜(7-3)透射后，入射至光电传感器件(8)；

光电传感器件(8)的光敏面中心与接收透镜(7-3)的中心和光学玻璃(7-4)上的入射光点在一条直线上；

激光器(7-1)轴线延长线、接收透镜(7-3)主平面所在的平面和光电传感器件(8)的光敏面所在的平面，三者交于一点，且满足

a为光电传感器件(8)的光敏面中心到接收透镜(7-3)主平面之间的距离；

b为收透镜(7-3)主平面与光学玻璃(7-4)上的入射光点间的距离；

f为接收透镜(7-3)的焦距。

6.根据权利要求4所述的测距系统，其特征在于，所述光电传感器件(8)采用一维PSD实现。

7.根据权利要求6所述的测距系统，其特征在于，所述信号处理单元(9)包括两个I/V转换装置(9-1)、加法器(9-2)、减法器(9-3)、除法器(9-4)和距离解算单元(9-5)；

一维PSD的两个电流输出端分别与两个I/V转换装置(9-1)的电流输入端连接；

两个I/V转换装置(9-1)均用于对接收的电流转化成电压；

一个I/V转换装置(9-1)的电压输出端同时与加法器(9-2)的一个输入端和减法器(9-3)的被减数输入端连接；

另一个I/V转换装置(9-1)的电压输出端同时与加法器(9-2)的另一个输入端和减法器(9-3)的减数输入端连接；

加法器(9-2)的输出端与除法器(9-4)的除数输入端连接，减法器(9-3)的输出端与除法器(9-4)的被除数输入端连接，除法器(9-4)的输出端与距离解算单元(9-5)的输入端连接；

距离解算单元(9-5)，用于对接收的数据进行解算，从而获得光电传感器件(8)上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x。

8.一种测距方法，所述测距方法是基于权利要求5所述的测距系统实现的，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：激光器(7-1)发出的光经光学玻璃(7-4)透射后，倾斜入射到输出棒(6)的顶端，经输出棒(6)的顶端反射后，依次经光学玻璃(7-4)和接收透镜(7-3)透射后，入射至光电传感器件(8)；

步骤二：光电传感器件(8)对接收的入射光进行光电转化后，输出电流I₁和I₂；

步骤三：信号处理单元(9)对接收的电流I₁和I₂转化为电压V₁和V₂后，再进行解算处理，获得光电传感器件(8)上的入射光点距离其光敏面中心间的距离x；

其中，

L为光电传感器件(8)的光敏面总长度，V₂为电流I₂转换后的电压，V₁为电流I₁转换后的电压；

步骤四：将距离x代入下述公式中，获得输出棒(6)与光学玻璃(7-4)间的距离y，其中，或

γ为激光器(7-1)主光轴与被测物面法线之间的夹角，其中，被测物面为输出棒(6)的顶端所在的平面；

α为光电传感器件(8)的光敏面中心、接收透镜(7-3)的中心和光学玻璃(7-4)上的入射光点三者所形成的直线与被测物面法线间的夹角；

β为光电传感器件(8)的光敏面中心、接收透镜(7-3)的中心和光学玻璃(7-4)上的入射光点三者所形成的直线与光电传感器件(8)的光敏面间的夹角；

步骤五：GMM棒(5)用于感应被测输电线路(10)的磁场，并根据步骤一至四计算出GMM棒(5)在感应前、后，输出棒(6)与光学玻璃(7-4)之间的距离y，再将前、后两次的距离y作差，从而获得输出棒(6)移动距离。

9.根据权利要求8所述的测距方法，其特征在于，当输出棒(6)移动后的位置在参考平面以上时，

当输出棒(6)移动后的位置在参考平面以下时，

当输出棒(6)移动后的位置与参考平面平齐时，y等于参考平面距光学玻璃(7-4)间的距离；

其中，参考平面位于输出棒(6)的初始位置与光学玻璃(7-4)之间，且位于二者的中间位置。