CN109459601A - 一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器 - Google Patents

一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器 Download PDF

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来永宝
张伟超
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Abstract

一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器，涉及光纤光栅电流传感器，目的是为了解决传统的光纤光栅电流互感器结构复杂、制作较为困难、检测灵敏度低并且使用的耦合结构单元成本高的问题。本发明所述的一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器包括等应变梁、光纤光栅、永磁体、以及导磁回路；所述导磁回路开有缺口，所述永磁体位于所述缺口内部，所述等应变梁呈等腰三角形，永磁体固定在所述等腰三角形的顶角，光纤布拉格光栅(FBG)沿所述等腰三角形的中线布设。上述光纤光栅电流传感器是一种新型超高灵敏度工频光纤光栅电流传感器，结构简单，制作成本及制作难度均有所降低，利用磁场梯度力极大的提高了传感器的检测灵敏度。

Description

一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器
技术领域
本发明涉及光纤光栅电流传感器。
背景技术
光学电流互感器自上世纪七十年代开始，逐步进入电力行业中，到九十年代初光学电流互感器的研究日趋呈现全球化、多样化、多用途的发展趋势，并取得了显著的研究成果。在这期间获得广泛关注和应用的主要是利用光纤光栅耦合敏感结构单元制作的光纤光栅电流互感器。传统的光纤光栅电流互感器结构复杂、制作较为困难、检测灵敏度低并且使用的耦合结构单元成本较高，这些问题对于光纤光栅电流传感器的使用和推广造成了很大的困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的光纤光栅电流互感器结构复杂、制作较为困难、检测灵敏度低并且使用的耦合结构单元成本高的问题，提供一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器。
本发明所述的一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器包括等应变梁、光纤布拉格光栅、永磁体、以及导磁回路；所述导磁回路开有缺口，所述永磁体位于所述缺口内部，所述等应变梁为等腰三角形结构，永磁体固定在所述等腰三角形的顶角处，光纤布拉格光栅(FBG)用环氧树脂胶沿所述等腰三角形的中线布设。
进一步地：所述导磁回路内径为72mm，外径为112mm，厚度为20mm，由硅钢片叠成。
进一步地：所述缺口的两截面间的距离为16mm，所述永磁体尺寸为3mm×1mm×1mm的钕铁硼。
进一步地：所述等应变梁为底边长16mm、高24mm、厚度0.2mm的不锈钢等腰三角形。
进一步地，所述永磁体两个磁极的连线与所述光纤布拉格光栅的长度方向垂直，所述永磁体的一个磁极固定在所述等腰三角形的顶角处。
进一步地，构成导磁体回路缺口的两端，其一端为平面磁极，截面尺寸为20mm×20mm，另一端为梯度磁极，其最小截面尺寸为3mm×3mm。
进一步地，永磁体固定在所述等腰三角形顶角处的磁极靠近构成导磁回路缺口的梯度磁极一端，永磁体一端距梯度磁极4mm，另一端距平面磁极9mm。
进一步地，所述导磁回路呈“D”字形，所述缺口位于所述“D”字形的直线部分。
本发明所述的光纤光栅电流传感器是一种新型超高灵敏度工频光纤光栅电流传感器，与传统的光纤光栅电流传感器相比，本发明所述的光纤光栅电流传感器结构简单，制作成本及制作难度均有所降低，利用磁场梯度力极大的提高了传感器的检测灵敏度。
本发明所述的光纤光栅电流传感器的工作原理是采用永磁体-等应变梁结构作为磁应变敏感单元，通过在等应变梁上的光纤布拉格光栅(FBG)将磁场强度加载到调制光波中，经光信号解调设备恢复为电流信号，从而实现对电流的测量。
本发明所述的光纤光栅电流传感器是一种新型超高灵敏度工频光纤光栅电流传感器，与传统的光纤光栅电流传感器相比，灵敏度由0.5A/pm提高到5A/pm左右，灵敏度提高约10倍。
附图说明
图1为构成磁场梯度力的磁极结构及其磁场分布情况示意图；
图2为光纤光栅电流传感器的感应单元的结构示意图；
图3为基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器的结构示意图；
图4为传感器的局部结构示意图；
图5为测试回路的结构示意图；
图6为测试系统PC控制端光纤光栅电流传感器波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器包括等应变梁1、光纤布拉格光栅2、永磁体3、以及导磁回路4；所述导磁回路开有缺口5，导磁回路内径为72mm，外径为112mm，厚度为20mm，由硅钢片叠成，导磁回路4上开有缺口5，两截面间的距离为16mm，所述永磁体3尺寸为3mm×1mm×1mm的钕铁硼，其位于所述缺口5内部，所述等应变梁1为底16mm、高24mm、厚度为0.2mm的不锈钢等腰三角形，永磁体3固定在所述等腰三角形的顶角，光纤布拉格光栅(FBG)用环氧树脂胶沿所述等腰三角形的中线布设。
所述永磁体3处在两侧磁极结构不对称的不均匀的磁场中受到梯度力F，如图1所示，其中
F＝μ0MVm▽H
式中，μ0为真空磁导率，M为磁化强度，Vm为永磁体体积，▽H磁场梯度。
所述永磁体3两个磁极的连线与所述光纤布拉格光栅2的长度方向垂直，所述永磁体3的一个磁极固定在所述等腰三角形的顶角处，如图2所示。等应变梁1上各处应变ε大小相等，可表示为：
式中，E为杨氏模量，l、h、b0分别为等应变梁的底、高、厚度。
构成导磁体回路4缺口的两端，其一端为平面磁极7，另一端为梯度磁极6，此结构设计能增大缺口处的磁场梯度，进而增大磁力耦合效应，从而提高传感器的灵敏度。
永磁体固定在所述等腰三角形顶角处的磁极靠近构成导磁回路缺口的梯度磁极6一端，永磁体一端距梯度磁极4mm，另一端距平面磁极9mm，如图3和图4所示。永磁体在梯度力F的作用下带动等应变梁发生形变，黏贴于等应变梁上的光纤光栅产生相应形变，导致通过光纤的中心波长发生偏移，此时应变与FBG中心波长的变化关系为：
ΔλB＝λB(1-Pe)ε
式中，λB为FBG中心波长，Pe为有效光弹系数，对于硅纤介质中约为0.22。
因此，在等应变梁尺寸和材质确定的情况下，FBG中心波长变化ΔλB与磁场梯度▽H的关系为：
可见，磁场梯度▽H越大，FBG中心波长变化ΔλB越大，即传感器灵敏度越高，因此本传感器采用一端为平面磁极，另一端为梯形磁极的结构设计来增大缺口处的磁场梯度，从而提高传感器的灵敏度。
所述导磁回路呈“D”字形，所述缺口位于所述“D”字形的直线部分。
利用大功率负载电阻器、可调变压器、定比变压器、钳式电流表及导线搭建光纤光栅电流传感器测试回路，如图5所示。
通过可调变压器为测试回路提供电压，测试回路形成稳定电流，电流产生的磁场聚集在导磁回路中驱动永磁体-等应变梁构成的磁应变敏感单元，通过在等应变梁上的光纤布拉格光栅(FBG)将磁场强度加载到调制光波中，光纤光栅将光信号反馈到解调设备，解调设备对采集到的反馈信号进行计算处理并将所得电流数值显示在控制电脑上，将电脑所显示的电流数值与钳式电流表中读取的导线电流数值进行对比，以确保检测的准确性。测试系统PC控制端光纤光栅电流传感器波形图如图6所示，此时经软件计算得到导线电流为5.25A，与钳式电流表所测数值5.25A一致。

Claims (8)

1.一种基于磁场梯度力的光纤光栅电流传感器，其特征在于，包括等应变梁、光纤布拉格光栅、永磁体、以及导磁回路；所述导磁回路开有缺口，所述永磁体位于所述缺口内部，所述等应变梁为等腰三角形结构，永磁体固定在所述等腰三角形的顶角处，光纤布拉格光栅用环氧树脂胶沿所述等腰三角形的中线布设。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，所述导磁回路内径为72mm，外径为112mm，厚度为20mm，由硅钢片叠成。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，所述缺口的两截面间的距离为16mm，所述永磁体尺寸为3mm×1mm×1mm的钕铁硼。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，所述等应变梁为底边长16mm、高24mm、厚度0.2mm的不锈钢等腰三角形。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，所述永磁体两个磁极的连线与所述光纤布拉格光栅的长度方向垂直，所述永磁体的一个磁极固定在所述等腰三角形的顶角处。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，构成导磁体回路缺口的两端，其一端为平面磁极，截面尺寸为20mm×20mm，另一端为梯度磁极，其最小截面尺寸为3mm×3mm。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，永磁体固定在所述等腰三角形顶角处的磁极靠近构成导磁回路缺口的梯度磁极一端，永磁体一端距梯度磁极4mm，另一端距平面磁极9mm。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的光纤光栅电流传感器，其特征在于，所述导磁回路呈“D”字形，所述缺口位于所述“D”字形的直线部分。
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