CN111736001A - 基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。该电流传感器包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。本发明基于磁流体的磁控折射率特性得到的磁流体折射率与磁场之间的关系，以及通过研究LPFG的环境折射率敏感特性而得到的LPFG谐振波长的变化与外部介质折射率之间的关系，将LPFG与磁流体相结合，设计的传感器安全绝缘、制作工艺简单、测量精确且灵敏度高。

Description

基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。

背景技术

光学电流传感(Optical Current Transformer，OCT)即利用光纤传感技术和光电子学的相关方法来实现电流传感，其基本原理是将电流信息通过传感器转变为光信息，通过对光信息的分析实现对电流的测量。光学电流传感器以其能克服绝缘的问题、成本较低、性能良好、适应于各种恶劣工作环境等特点，比传统的基于电磁式电流传感器具有明显的优越性，成为替代传统电流传感器的绝佳选择。光学电流传感器中的传感元件多采用光纤，光纤是绝缘性极好、耐腐蚀、抗强电磁干扰的材料，它本身的结构简单，制作成本低廉，在安装部署方面，光纤结构轻便，体积小、重量轻，操作灵活，易于布置。

中国专利文献CN104764926A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，该专利申请中的光纤电流传感器主要是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，光栅表面镀有发热电极，发热电极与待测电路相连，通过光栅波长对发热电极温度的响应来间接得到电流。该方法首先需要改变原待测电路结构，不利于实际工程的应用；其次，发热电极不耐腐蚀，易受电磁干扰，需要特制的绝缘保护套管，不利于在空间狭小，强电磁等苛刻的工作环境下生存；最后，该方法应用于工程中安全性不高，容易发生事故。

发明内容

为解决现有基于光栅的电流传感器不适合空间狭小的工作环境且安全性低的问题，本发明提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。

本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。

进一步地，所述磁流体为Fe₃O₄水基磁流体。

本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，包括光源、耦合器、传感探头、第一光谱分析仪、第二光谱分析仪和上位机，光源和第一光谱分析仪通过光纤连接耦合器的输入端，耦合器的输出端通过光纤连接传感探头的一端，传感探头的另一端通过光纤连接第二光谱分析仪，第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输出端均与上位机电连接，所述传感探头采用上述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。

进一步地，所述光源采用ASE光源。

本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的制作方法，包括：

步骤1：选取毛细管，所述毛细管的两端开口，在所述毛细管的管身上方的两端分别开设第一孔和第二孔；

步骤2：将光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅沿毛细管轴线方向从毛细管的一端贯穿至毛细管的另一端，使光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外；

步骤3：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅进行固定；

步骤4：将磁流体通过所述第一孔注入毛细管内，同时通过所述第二孔排出毛细管中的空气；

步骤5：密封所述第一孔和所述第二孔，至此形成基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。

本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统的电流传感方法，包括：

步骤1：将传感探头置于待测电路产生的磁场中；

步骤2：使光源发出的光束通过耦合器分成第一路光束和第二路光束；

步骤3：使第一路光束进入传感探头的光纤布拉格光栅，使第二路光束进入传感探头的长周期光纤光栅；

步骤4：利用第一光谱分析仪对光纤布拉格光栅反射回的第一路光束进行波长解调，得到第一波长信息，利用第二光谱分析仪对长周期光纤光栅透射的第二路光束进行波长解调，得到第二波长信息；

步骤5：通过上位机接收第一波长信息和第二波长信息，并利用第一波长信息对第二波长信息进行温度补偿，得到补偿后的第二波长信息；

步骤6：根据补偿后的第二波长信息和预先标定的电流与波长关系得到电流信息。

本发明的有益效果：

1、安全绝缘：本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的传感结构主要由光纤构成，光纤具有绝缘、耐腐蚀、耐高温的特点，能适应高电压强磁场的复杂环境。

2、制作工艺简单：本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器结构简单，其制作方法也很简单，对制作工艺要求难度低，有利于批量生产。

3、灵敏度高：本发明提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器是基于磁流体的磁控折射率特性和长周期光纤光栅的谐振波长对环境折射率敏感的特性进行电流检测的，其中磁流体折射率对电流磁场的变化非常敏感，长周期光栅对环境折射率敏感，所以本发明的传感器对电流变化的灵敏度很高。

4、测量精确：本发明提供的传感器还利用了光纤布拉格光栅的中心波长对温度敏感的特性，利用光纤布拉格光栅作为温度补偿结构，提高了传感器测量结果的准确性。

5、成本低廉：本发明的传感结构由光纤、磁流体、毛细玻璃管构成，而光纤、磁流体和毛细玻璃管成本低廉且容易获取，因此传感器整体的成本较低。

6、环境适应性强：本发明提供的传感器体积微小，易于在空间狭小、环境复杂的条件下进行安装；并且传感器通过两端的光纤与外部器件连接，其中光纤可长距离传输，因此本发明提供的传感器可以实现远距离测量电流的目的。

7、应用前景广阔：本发明提供的电流传感器、系统及方法可以适用于多应用场合的电力设备，特别是应用于化工厂、石油管道、汽车装备、电厂等等恶劣环境中的电力设备。

附图说明

图1为本发明实施例提供的LPFG谐振波长与环境折射率的关系示意图；

图2为本发明实施例提供的LPFG和FBG的波长与温度之间的关系示意图；

图3为本发明实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器中的光栅栅区分布示意图；

图5为本发明实施例提供的在毛细管的管身上方开设第一孔和第二孔的示意图；

图6为本发明实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

LPFG：Long Period Fiber Grating，长周期光纤光栅；

FBG：Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅；

OSA：Optical Spectrum Analyzer，光谱分析仪；

磁流体的磁控折射率特性是指磁流体的折射率受磁场的影响，能随外加磁场的变化而改变。虽然磁流体因具有超顺磁性而不同于普通的磁性材料，但它仍适用关于普通顺磁性物质的基本理论。所以Langevin理论仍适用于磁流体，可以用它研究其折射率与磁场的关系，磁流体的折射率可表示为：

其中，n_m表示磁流体的折射率，H表示磁感应强度；H_c,n是n_m开始发生变化的临界磁感应强度；n₀是磁场小于H_c,n下磁流体的折射率；n_s是饱和折射率；α是调节系数；T是外界温度。

LPFG的谐振波长对环境折射率敏感，LPFG的谐振波长可以表示为：

其中，

和

分别是纤芯层基模和一阶包层模的有效折射率，Λ是光栅周期。对于标准的弱导光纤，在纤芯半径远小于包层半径的情况下，LPFG的包层模有效折射率可表示如下：

其中，U_∞为包层模阶次相关常数；J₀和J₁分别为零阶、一阶的第一类贝塞尔函数；

表示纤芯与包层相对折射率之差；k＝2π/λ；a₁、a₂分别表示光纤纤芯和包层的半径，n₁、n₂、n₃分别表示纤芯折射率、包层折射率和环境折射率。

LPFG谐振波长变化与环境折射率的关系式如下：

图1为LPFG谐振波长与环境折射率关系示意图。由图1可知，当环境折射率从1开始变大，即大于空气折射率的过程中，LPFG的谐振波长变化大致分为四段：(1)当环境折射率在1～1.3之间，谐振波长受环境折射率变化的影响很弱；(2)当环境折射率在1.3～1.4之间，谐振波长受环境折射率的影响变强，并且随着环境折射率的增大，谐振波长逐渐向短波长方向移动；(3)当环境折射率大于1.4并越接近于包层模折射率时，LPFG的谐振波长向短波长移动速度越快；(4)当环境折射率大于包层模折射率时，LPFG谐振波长将不再受环境折射率的影响。综上，当外部介质折射率在1.4～1.47之间变化时，LPFG的谐振波长对外部介质折射率变化的敏感度最高。

FBG的中心波长可表示为：

λ_B＝2Λn_neff (5)

其中，Λ表示布拉格光栅的周期，n_neff表示纤芯有效折射率。

FBG的传感公式：

其中，T和ε分别表示FBG受到的温度变化量和应变量。由式(6)可以看到温度和应力的变化能使FBG的中心波长发生漂移。所以FBG是可作为温度传感器和应力传感器的优质器件，但在使用过程中应注意温度和应力的交叉敏感。

基于磁流体的磁控折射率特性得到的磁流体折射率与磁场之间的关系，以及通过研究LPFG的环境折射率敏感特性而得到的LPFG谐振波长的变化与外部介质折射率之间的关系，本发明将LPFG与磁流体相结合，设计了一种可以利用光信息来测量电流的新型电流传感器，其工作原理是通电导体中电流变化导致磁场发生变化，进而使位于磁场中的磁流体的折射率发生变化，磁流体作为LPFG的外部介质，磁流体的折射率变化会引起LPFG谐振波长的漂移，通过测量LPFG的波长漂移量即可得到被测电流的情况；同时，本发明还在磁流体环境中加入对温度敏感而对环境折射率不敏感的FBG，以便对LPFG的波长漂移量进行温度补偿，如图2所示，为LPFG和FBG的波长与温度之间的关系示意图。

实施例1

如图3和图4所示，本发明实施例提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，包括：毛细管1、长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3；所述毛细管1内填充磁流体4，所述毛细管1的两端端口通过胶体5进行密封；所述长周期光纤光栅2的栅区21和所述光纤布拉格光栅3的栅区31并排分布在所述毛细管1内中部，所述长周期光纤光栅2和所述光纤布拉格光栅3的两端均伸出毛细管1外。FBG在使用过程中应注意温度和应力的交叉敏感，在本发明实施例中，毛细管1的两端端口通过胶体5(例如，UV胶)进行密封，使得光栅两端也同时通过胶体固定于毛细管1中，有效避免了外界应力对FBG波长的影响。

实施例2

本发明实施例还提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的制作方法，包括以下步骤：

S101：选取毛细管1，所述毛细管1的两端开口，在所述毛细管1的管身上方的两端分别开设第一孔6和第二孔7，如图5所示；

具体地，可采用直径为3mm、长度为5.5cm的毛细玻璃管。

S102：将光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅沿毛细管轴线方向从毛细管的一端贯穿至毛细管的另一端，使光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外；

具体地，在插入FBG和LPFG过程中，可以对FBG两端和LPFG两端施加微小的拉力使FBG和LPFG伸直。

S103：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅进行固定；

具体地，胶体可以采用UV胶，用UV胶点涂于毛细管两端，密封毛细管，然后用紫外灯对点胶处照射10min左右，使其全部凝固，FBG和LPFG则可同时被固定于毛细管中。

S104：将磁流体通过所述第一孔6注入毛细管内，同时通过所述第二孔7排出毛细管中的空气；

具体地，通过第一孔6缓慢用注射器注入磁流体，通过第二孔7用来排出毛细管中的空气，注射过程要十分谨慎，避免管内产生气泡(气泡会对测量产生影响)，最后使整个毛细管内充满磁流体。磁流体采用Fe₃O₄水基磁流体，如EMG605。

S105：密封所述第一孔6和所述第二孔7，至此形成基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。

实施例3

如图6所示，本发明实施例还提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，包括光源、耦合器、传感探头、第一光谱分析仪、第二光谱分析仪和上位机，光源和第一光谱分析仪通过光纤连接耦合器的输入端，耦合器的输出端通过光纤连接传感探头的一端，传感探头的另一端通过光纤连接第二光谱分析仪，第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输出端均与上位机电连接，所述传感探头采用如实施例1所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。可选地，为了与两种类型光栅的波长相适配，所述光源采用ASE光源，可以发出提供波长范围为1528nm～1603nm的光束。ASE光源具有高可靠性，较宽的光谱宽度，光谱平坦度好、波纹小，较高的输出功率，温度适应性好，被广泛应用于光纤传感系统。

实施例4

基于实施例3提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，本发明实施例还提供了一种电流传感方法，包括以下步骤：

S201：将传感探头置于待测电路产生的磁场中；

S202：使光源发出的光束通过耦合器分成第一路光束和第二路光束；

S203：使第一路光束进入传感探头的光纤布拉格光栅，使第二路光束进入传感探头的长周期光纤光栅；

S204：利用第一光谱分析仪对光纤布拉格光栅反射回的第一路光束进行波长解调，得到第一波长信息，利用第二光谱分析仪对长周期光纤光栅透射的第二路光束进行波长解调，得到第二波长信息；

S205：通过上位机接收第一波长信息和第二波长信息，并利用第一波长信息对第二波长信息进行温度补偿，得到补偿后的第二波长信息；

S206：根据补偿后的第二波长信息和预先标定的电流与波长关系得到电流信息。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，其特征在于，包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，其特征在于，所述磁流体为Fe₃O₄水基磁流体。

3.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，包括光源、耦合器、传感探头、第一光谱分析仪、第二光谱分析仪和上位机，其特征在于，光源和第一光谱分析仪通过光纤连接耦合器的输入端，耦合器的输出端通过光纤连接传感探头的一端，传感探头的另一端通过光纤连接第二光谱分析仪，第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输出端均与上位机电连接，所述传感探头采用如权利要求1所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。

4.根据权利要求3所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，其特征在于，所述光源采用ASE光源。

5.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1：选取毛细管，所述毛细管的两端开口，在所述毛细管的管身上方的两端分别开设第一孔和第二孔；

步骤2：将光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅沿毛细管轴线方向从毛细管的一端贯穿至毛细管的另一端，使光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外；

步骤3：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅进行固定；

步骤4：将磁流体通过所述第一孔注入毛细管内，同时通过所述第二孔排出毛细管中的空气；

步骤5：密封所述第一孔和所述第二孔，至此形成基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。

6.基于权利要求3或4所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统的电流传感方法，其特征在于，包括：

步骤1：将传感探头置于待测电路产生的磁场中；

步骤2：使光源发出的光束通过耦合器分成第一路光束和第二路光束；

步骤3：使第一路光束进入传感探头的光纤布拉格光栅，使第二路光束进入传感探头的长周期光纤光栅；

步骤4：利用第一光谱分析仪对光纤布拉格光栅反射回的第一路光束进行波长解调，得到第一波长信息，利用第二光谱分析仪对长周期光纤光栅透射的第二路光束进行波长解调，得到第二波长信息；

步骤5：通过上位机接收第一波长信息和第二波长信息，并利用第一波长信息对第二波长信息进行温度补偿，得到补偿后的第二波长信息；

步骤6：根据补偿后的第二波长信息和预先标定的电流与波长关系得到电流信息。

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