CN108107253A - 一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器 - Google Patents

一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，属于光纤传感技术领域，其包括设置在线圈中的铁芯，线圈及铁芯组成电磁线圈；线圈与线圈电流输入固定端、线圈电流输入移动端分别相连，线圈电流输入移动端与移动端导轨相连，移动端导轨的顶部穿出保护外壳后，在移动端导轨的顶部设置量程可调旋钮。本发明通过量程可调旋钮调节移动端导轨，移动端导轨带动线圈电流输入移动端运动进而改变被测量接入铁芯及线圈组成电磁线圈的有效匝数，改变电磁线圈内部由电流作用引起磁场大小，使得光纤光栅传感器具有自温补特性，可以实现可辨方向的直流测量以及交流电流幅值频率的测量，且其测量量程可以调节。

Description

一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器。
背景技术
光纤光栅传感因其本身所具有的特性，尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等独特优点，已在航空航天、桥梁建筑、大型机电设备等多个工程领域得到广泛应用并发挥重要作用。
然而，目前光纤光栅传感器多用于实现如温度、应变、位移、压力等被测参量的测量，其能同时实现交、直电流测量方面的报道相对较少。
现有技术中，一种光纤光栅温度自补偿电流传感器(CN201210280873)、光纤光栅温度自补偿电流传感器(CN201310347895)、光纤光栅交流电流传感器(CN201410198128)，在实现电流测量时尚不能实现电流流向的测量，且对于测量量程尚不能调节，这导致其在大范围电流测量方面具有一定的局限性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，具备自温补特性，可以实现可辨方向的直流测量以及交流电流幅值频率的测量，且其测量量程可以调节。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，包括设置在线圈中的铁芯，线圈及铁芯组成电磁线圈；所述的线圈与线圈电流输入固定端、线圈电流输入移动端分别相连，线圈电流输入移动端与移动端导轨相连，移动端导轨的顶部穿出保护外壳后，在移动端导轨的顶部设置量程可调旋钮；其中，在所述的电磁线圈的顶部和底部均设有固定部件和永磁铁，永磁铁通过固定部件与第一等强度悬臂梁及第二等强度悬臂梁分别相连；所述的第一等强度悬臂梁与第一核心敏感元件光纤光栅相连；所述的第二等强度悬臂梁与第二核心敏感元件光纤光栅相连。
所述的线圈电流输入固定端与第一电流输入端相连；所述的线圈电流输入移动端与第二电流输入端相连。
所述的第一电流输入端和第二电流输入端设置在传感器保护外壳的同一侧；第一电流输入端和第二电流输入端与电流输入引脚孔分别相连。
所述的第一核心敏感元件光纤光栅和第二核心敏感元件光纤光栅均分别通过光纤尾纤与光纤引出孔相连。
所述的光纤尾纤穿出光纤引出孔后与外设的光纤解调仪相连。
所述的铁芯通过线圈固定支架与传感器保护外壳相连。
所述的移动端导轨通过量程可调旋钮支架固定在铁芯上。
所述的保护外壳与传感器固定孔相连。
所述的传感器固定孔为两个以上。
有益效果：与现有技术相比，本发明在磁场及永磁体的作用下带动第一等强度悬臂梁及第一等强度悬臂梁自由端挠度发生变化，进而产生表面应变，导致第一核心敏感元件光纤光栅及第二核心敏感元件光纤光栅中心波长发生漂移；通过量程可调旋钮调节移动端导轨，移动端导轨带动线圈电流输入移动端运动进而改变被测量接入铁芯及线圈组成电磁线圈的有效匝数，改变电磁线圈内部由电流作用引起磁场大小，从而实现传感器量程调节；以上使得光纤光栅传感器具有自温补特性，可以实现可辨方向的直流测量以及交流电流幅值频率的测量，且其测量量程可以调节。
附图说明
图1是该具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器的结构示意图；
图2是等强度悬臂梁与线圈作用示意图；
图3是等强度悬臂梁的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的说明。
如图1-3所示，一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，包括线圈1、铁芯2、线圈固定支架3、线圈电流输入固定端4、线圈电流输入移动端5、量程可调旋钮支架6、移动端导轨7、量程可调旋钮8、第一电流输入端9、第二电流输入端10、固定部件11、永磁铁12、第一核心敏感元件光纤光栅13、第一等强度悬臂梁14、第二核心敏感元件光纤光栅15、第二等强度悬臂梁16、光纤尾纤17、光纤引出孔18、电流输入引脚孔19、传感器固定孔20和保护外壳21。
铁芯2置于线圈1中，铁芯2通过线圈固定支架3与传感器保护外壳21相连，线圈1及铁芯2组成电磁线圈，其在被测量电流作用下产生感生磁场；线圈1与线圈电流输入固定端4、线圈电流输入移动端5分别相连，线圈电流输入固定端4与第一电流输入端9相连；线圈电流输入移动端5与第二电流输入端10相连；线圈电流输入移动端5同时与移动端导轨7相连；移动端导轨7通过量程可调旋钮支架6固定在铁芯2上，移动端导轨7的顶部穿出保护外壳21；量程可调旋钮8设置在移动端导轨7的顶部，用于调节移动端导轨7实现线圈电流输入移动端5的移动。
在电磁线圈的顶部和底部均设有固定部件11和永磁铁12，永磁铁12通过固定部件11与第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16分别相连；第一核心敏感元件光纤光栅13与第一等强度悬臂梁14相连；第二核心敏感元件光纤光栅15与第二等强度悬臂梁16相连。
第一核心敏感元件光纤光栅13和第二核心敏感元件光纤光栅15均分别通过光纤尾纤17与光纤引出孔18相连，光纤尾纤17穿出光纤引出孔18后与光纤解调仪相连，光纤解调仪实现光纤光栅信号的解调。
第一电流输入端9和第二电流输入端10设置在传感器保护外壳21的同一侧；第一电流输入端9和第二电流输入端10与电流输入引脚孔19相连；传感器固定孔20与保护外壳21相连。
传感器固定孔20为两个以上。
线圈1电流输入线圈电流输入移动端5可以实现电磁线圈在被测量电流作用下有效电磁线圈匝数的调节；量程可调旋钮支架6主要用来实现移动端导轨7的支撑；移动端导轨7主要用来限定线圈电流输入移动端5移动轨迹，实现其按需移动；量程可调旋钮支架6主要用来调节移动端导轨7，进而实现线圈电流输入移动端5的移动，实现传感器量程可调的目标；第一电流输入端9、第二电流输入端10与分别与线圈电流输入固定端4、线圈电流输入移动端5相连；固定部件11主要实现永磁铁12与等强度悬臂梁的机械固定；永磁铁12与电磁线圈感生磁场相互作用，产生外界作用力从而实现第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16自由端的挠度变化，在其表面产生应变，进而改变第一核心敏感元件光纤光栅13、第二核心敏感元件光纤光栅15的中心波长；永磁铁12作用在于利用其本身重力的作用可以实现第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16在没有被测量电流时具有微小挠度，实现第一核心敏感元件光纤光栅13、第二核心敏感元件光纤光栅15的预拉伸，有效避免传感器检测死区；第一核心敏感元件光纤光栅13、第二核心敏感元件光纤光栅15可以反演被测量电流测量的同时，可使传感器具有温度自补偿的特性；第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16主要通过其表面应变的变化实现永磁铁12磁线圈感生磁场之间作用力与第一核心敏感元件光纤光栅13、第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长漂移之间的调制；光纤尾纤17及光纤引出孔18主要实现第一核心敏感元件光纤光栅13、第二核心敏感元件光纤光栅15信号的输出，便于实现传感器的组网；电流输入引脚孔19主要实现第一电流输入端9、第二电流输入端10的固定；传感器固定孔20主要方便传感器在使用中的固定；该传感器不仅具有温补自温补特性、可以实现可辨方向的直流测量，而且可以实现交流电流的测量。
该传感器具体工作流程如下：
1)被测量电流通过第一电流输入端9和第二电流输入端10输入进入传感器内部的线圈电流输入固定端4及线圈电流输入移动端5；
2)在电磁作用下铁芯2及线圈1组成的电磁线圈内部产生磁场；
3)在磁场及永磁体12的作用下带动第一等强度悬臂梁14及第一等强度悬臂梁14自由端挠度发生变化，进而产生表面应变，导致第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长发生漂移；
4)通过量程可调旋钮8调节移动端导轨7，移动端导轨7带动线圈电流输入移动端5运动进而改变被测量接入铁芯2及线圈1组成电磁线圈的有效匝数，改变电磁线圈内部由电流作用引起磁场大小，从而实现传感器量程调节。
一、直流测量过程
当被测量直流电流输入时，假设电流由第一电流输入端9流入、第二电流输入端10流出，由安培定则可知在铁芯与线圈组成的电磁线圈中产生的感生磁场上部为N、下部为S。根据磁极同性相斥、异性相吸的原则，此时由图2分析可得第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16所受由电磁线圈感生磁场与永磁体相互作用产生的磁场作用力方向向上。此时，第一核心敏感元件光纤光栅13受拉，其中心波长向长波长漂移；第二核心敏感元件光纤光栅15受压，其中心波长向短波长漂移。
假设电流由第二电流输入端10流入、第一电流输入端9流出，由安培定则可知在铁芯与线圈组成的电磁线圈中产生的感生磁场上部为S、下部为N。根据磁极同性相斥、异性相吸的原则，此时由图2分析可得第一等强度悬臂梁14及第二等强度悬臂梁16所受由电磁线圈感生磁场与永磁体相互作用产生的磁场作用力方向向下。此时，第一核心敏感元件光纤光栅13受压，其中心波长向短波长漂移；第二核心敏感元件光纤光栅15受拉，其中心波长向长波长漂移。
综上分析可得：随着被测直流电流输入输出方向的不同，第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长的漂移方向不同。因此当被测量电流为直流时，可根据第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长的漂移方向判定直流电流的流经方向。
假设被测电流I由第一电流输入端9流入、第二电流输入端10流出时，等强度悬臂梁所受磁场作用力为F，可表示为：
F＝k·g(I·N)·B (1)
式中，N为电磁线圈(铁芯、线圈)连接在传感器测量回路的有效匝数，g(x)表示电磁线圈感生磁场与有效匝数之间的函数，B表示永磁体的磁场强度，k表示感生磁场与永磁体磁场之间产生作用力的系数。当该光纤光栅交、直流传感器相关材料及几何参数确定后，g(x)、B、k均为已知量。
由材料力学原理得，此时第一等强度悬臂梁14的表面应标ε1为：
式中L为等强度梁的长度，E为材料的弹性模量，h为等强度梁厚度，W为等强度梁固定端宽度。同理，第一等强度悬臂梁14的表面应标ε2为
由光纤检测基本原理及上述分析可得第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15的中心波长的漂移Δλ1与Δλ2为：
Δλ1＝Kεε1+(ξ+a)ΔT1 (5)
Δλ2＝-Kεε2+(ξ+a)ΔT2 (6)
式中，ΔT为布拉格波长变化量，Kε为光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数。由于第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15的处于同一温度场中，因此ΔT1＝ΔT2。联立式(3)～(6)可得：
Δλ＝Δλ1-Δλ2＝12Kε·L/(EWh2)·k·g(I·N)·B (7)
分析式(7)可得，当该光纤光栅交、直流传感器材料及几何参数确定后，第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长漂移差仅与传感器测量回路的有效匝数N及被测量电流I有关的函数，与温度无关。通过旋转量程可调旋钮来调节移动端导轨，进而实现线圈电流输入移动端的移动，从而可以改变传感器测量回路的有效匝数N的大小。
综上分析可得，该光纤光栅交、直流传感器具有自温补特性，不仅仅可以实现被测量直流电流大小流向的测量，而且可以通过量程可调旋钮实现传感器测量量程的测量。
二、交流测量过程
假设被测交流电流为I(f)，等强度悬臂梁所受磁场作用力为F，可表示为：
F(f)＝k·g(I(f)·N)·B (8)
式中，I为交流电流的幅度，f为交流电流的变化频率，N为电磁线圈(铁芯、线圈)连接在传感器测量回路的有效匝数，g(x)表示电磁线圈感生磁场与有效匝数之间的函数，B表示永磁体的磁场强度，k表示感生磁场与永磁体磁场之间产生作用力的系数。当该光纤光栅交、直流传感器相关材料及几何参数确定后，g(x)、B、k均为已知量。
由材料力学原理得，此时第一等强度悬臂梁14的表面应标ε1为：
式中L为等强度梁的长度，E为材料的弹性模量，h为等强度梁厚度，W为等强度梁固定端宽度。同理，第一等强度悬臂梁14的表面应标ε2为
由光纤检测基本原理及上述分析可得第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15的中心波长的漂移Δλ1(f)与Δλ2(f)为：
Δλ1(f)＝Kεε1(f)+(ξ+a)ΔT1 (11)
Δλ2(f)＝-Kεε2(f)+(ξ+a)ΔT2 (12)
式中，ΔT为布拉格波长变化量，Kε为光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数。由于第一核心敏感元件光纤光栅13及核心敏感元件光纤光栅2的处于同一温度场中，因此ΔT1＝ΔT2。联立式(9)～(12)可得：
Δλ(f)＝Δλ1(f)-Δλ2(f)＝12Kε·L/(EWh2)·k·g(I(f)·N)·B (13)
分析式(13)可得，当该光纤光栅交、直流传感器材料及几何参数确定后，第一核心敏感元件光纤光栅13及第二核心敏感元件光纤光栅15中心波长漂移差幅值及频率仅与传感器测量回路的有效匝数N及被测量电流I(f)有关的函数，与温度无关。通过旋转量程可调旋钮来调节移动端导轨，进而实现线圈电流输入移动端的移动，从而可以改变传感器测量回路的有效匝数N的大小。
由上述该光纤光栅交、直流传感器直流测量、交流测量实施过程的分析可得，本发明所涉及的光纤光栅传感器具有自温补特性，可以实现可辨方向的直流测量以及交流电流幅值频率的测量，且其测量量程可以调节。

Claims (9)

1.一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：包括设置在线圈(1)中的铁芯(2)，线圈(1)及铁芯(2)组成电磁线圈；所述的线圈(1)与线圈电流输入固定端(4)、线圈电流输入移动端(5)分别相连，线圈电流输入移动端(5)与移动端导轨(7)相连，移动端导轨(7)的顶部穿出保护外壳(21)后，在移动端导轨(7)的顶部设置量程可调旋钮(8)；其中，在所述的电磁线圈的顶部和底部均设有固定部件(11)和永磁铁(12)，永磁铁(12)通过固定部件(11)与第一等强度悬臂梁(14)及第二等强度悬臂梁(16)分别相连；所述的第一等强度悬臂梁(14)与第一核心敏感元件光纤光栅(13)相连；所述的第二等强度悬臂梁(16)与第二核心敏感元件光纤光栅(15)相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的线圈电流输入固定端(4)与第一电流输入端(9)相连；所述的线圈电流输入移动端(5)与第二电流输入端(10)相连。
3.根据权利要求2所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的第一电流输入端(9)和第二电流输入端(10)设置在传感器保护外壳(21)的同一侧；第一电流输入端(9)和第二电流输入端(10)与电流输入引脚孔(19)分别相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的第一核心敏感元件光纤光栅(13)和第二核心敏感元件光纤光栅(15)均分别通过光纤尾纤(17)与光纤引出孔(18)相连。
5.根据权利要求4所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的光纤尾纤(17)穿出光纤引出孔(18)后与外设的光纤解调仪相连。
6.根据权利要求1所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的铁芯(2)通过线圈固定支架(3)与传感器保护外壳(21)相连。
7.根据权利要求1所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的移动端导轨(7)通过量程可调旋钮支架(6)固定在铁芯(2)上。
8.根据权利要求1所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的保护外壳(21)与传感器固定孔(20)相连。
9.根据权利要求8所述的一种具有自温特性的光纤光栅直、交流传感器，其特征在于：所述的传感器固定孔(20)为两个以上。
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