CN112525259B - 一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置，它包括ASE光源（1）、光纤耦合器（2）、传感单元（3）、电磁转换装置（4）、磁化器（5）、光电转换器（6）、信号处理模块（7）。本发明专利通过光纤进行传感，利用法珀腔原理，使ASE光源发出的光在法珀腔中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量电流和温度，并且通过信号处理模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，降低了不同参量的交叉影响，实现了同时监测电流和温度的目的。同时可以在主机上输出，实现了对电流和温度的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于电力系统监测领域，具体涉及一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置。
背景技术
目前，电力系统的发展逐渐完善，电力系统的监测装置也随之越来越完善，其中在电力系统中，电流和温度都会对电力设备具有十分高的影响，对电力设备的电流和温度监测十分重要。目前，采用光学方法实现对电流、温度监测的装置和方法有很多。
例如T. Liu等人（T. Liu, C. Zhang, S. Wang, J. Jiang, K. Liu, X. Zhang,X. Wang, Simultaneous Measurement of Pressure and Temperature Based onAdjustable Line Scanning Polarized Low-Coherence Interferometry WithCompensation Plate，IEEE Photonics Journal, 2018, 10(4), 1-9.）提出了一种基于法珀腔原理的测量温度和压力的光学传感装置，通过双法珀腔的设计，实现了两个参量的测量；H. Zhao等人（H. Zhao，F. Sun，Y. Yang，G. Cao, and K. Sun, A noveltemperature-compensated method for FBG-GMM current sensor，OpticsCommunications, 2013, 308: 64-69.）提出了一种基于FBG-GMM的电流互感器，利用巨磁致伸缩材料的伸缩性改变光栅距离，通过测量光波长的偏移测量电流，此装置消除互感器温度的影响；W. Li等人（W. Li, Y. Yuan, J. Yang, L. Yuan, In-fiber integratedhigh sensitivity temperature sensor based on long Fabry-Perot resonator,Optics Express, 2019, 27(10): 14675-14683.）提出了一种用两根涂有金膜的单模光纤熔接成法珀腔，通过法珀腔长度的变化，进行温度的测量；Z. Ding等人（Z. Ding, Y. Du,T. Liu, K. Liu, B. Feng, J. Jiang, Distributed optical fiber current sensorbased on magnetostriction in OFDR, IEEE Photonics Technology Letters, 2015,27(19), 2055-2058.）提出了磁致伸缩Fe-Co-V合金附着在单模光纤上，电流产生磁场变化时薄膜发生应变变化，通过测量OFDR的RBS谱移测量应变变化，进而进行电流测量； M.Yang等人（M. Yang, J. Dai, C. Zhou, D. Jiang, Optical fiber magnetic fieldsensors with TbDyFe magnetostrictive thin films as sensing materials. Opticsexpress, 2009, 17(23), 20777-20782.）提出了一种以TbDyFe磁致伸缩薄膜作为传感材料的光纤磁场传感器，将TbDyFe磁致伸缩薄膜采用磁控溅射工艺沉积在光纤布拉格光栅（FBG）上，当磁场变化时，薄膜发生伸缩，改变光栅之间的距离，测量光波的偏移来测量磁场。
虽然上述研究者采用法珀腔原理测量温度，或者利用磁致伸缩材料与光纤布拉格光栅结合测量电流磁场，与传统的电磁式电流监测装置、传统的测温装置相比在安全性、测量范围、测量精度以及装置的便携度上有了很大的改善；但是T. Liu等人测量温度和压力的双参量测量，并没有同时监测双参量，而且由于温度和压力都在同一零件上产生变化，同时测量会产生交叉影响；H. Zhao等人所采用的巨磁致伸缩材料是利用环氧树脂粘在光线布拉格光栅上，粘结剂影响材料的灵敏度，进而影响监测的灵敏度，而且磁路的设置减小了装置的便携性；W. Li等人采用两根光纤熔接的方式，由于折射率不能完全相同，对干涉信号有影响，影响测量精度；Z. Ding等人采用的磁致伸缩材料磁致伸缩系数小，在测量的过程中，测量的精度不高；M. Yang等人采用磁控溅射的方式在光纤上沉积磁致伸缩材料，纯度低、无法控制薄膜的均匀性，极大的影响了灵敏度，并且长期运行稳定性差。
因此针对现有技术的灵敏度不高、长期运行稳定性差、易产生交叉影响、不能同时测量双参量等问题，提出了一种灵敏度高、稳定性好、可同时监测电流和温度的双参量光纤传感装置和实现方法。
发明内容
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置，其特征在于，它包括ASE光源（1）、光纤耦合器（2）、传感单元（3）、电磁转换装置（4）、磁化器（5）、光电转换器（6）、信号处理模块（7）；
所述传感单元（3）包括单模光纤（3-1）、玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4），其中：
单模光纤（3-1）和硅膜片（3-4）内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，硅膜片（3-4）自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为硅膜片（3-4）的厚度40μm；
磁致伸缩圆环（3-3）使用TbDyFe合金棒材切割而成，TbDyFe合金棒材的制备过程是经过频感熔炼得到TbDyFe合金溶液，之后经过铸造得到TbDyFe棒状合金，铸造后的合金被制成粉末状，在磁场下取向后压制成型，最后高温烧结而成；
传感单元（3）中单模光纤（3-1）插入玻璃插芯（3-2）中，玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4）依次叠放并粘结并封装后构成传感单元（3）；
传感单元（3）的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
其中：部件的尺寸选择包括选择硅膜片（3-4）的厚度为40μm、直径为4mm的圆形膜片，磁致伸缩圆环（3-3）外径3mm、内径2mm、厚度为40μm；
部件的分割包括对磁致伸缩圆环（3-3）的切割和硅膜片（3-4）的切割，首先在磁致伸缩圆环（3-3）的棒材中切割外径为3mm、内径为2mm、厚度为40μm的圆环，在厚度为40μm的两面抛光的硅膜片上切割出直径为5mm的硅膜片（3-4）；
部件的放置位置包括将硅膜片（3-4）和磁致伸缩圆环（3-3）按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯（3-2）放置在磁致伸缩圆环（3-3）上面，将玻璃插芯（3-2）与硅膜片（3-4）和磁致伸缩圆环（3-3）的中心对齐；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4）密封，之后将切割平整的单模光纤（3-1）插入玻璃插芯（3-2）的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时；
传感单元（3）中磁致伸缩圆环（3-3）使用的材料为TbDyFe材料，TbDyFe材料的制备方法为将纯度为99.9%的Tb、99.8%的Dy以及99.8%的Fe按照化学式Tb0.27Dy0.73Fe1.90的计量进行配比，在氩气的保护下，经过频感熔炼得到合金Tb0.27Dy0.73Fe1.90溶液，之后经过铸造得到Tb0.27Dy0.73Fe1.90棒状合金，再将铸造后的合金在惰性氛围中进行破碎、球磨制成粉末状，并且将粉末状合金在磁场取向后压制成型，最后在1200℃到1300℃的温度下烧制成磁致伸缩材料。
一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于，ASE光源（1）发出光束传输至光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）输出光束传输至传感单元（3），光束在传感单元（3）中进行反射和透射，当传感单元（3）放置在电磁转换装置（4）中时，传感单元（3）在电磁转换装置（4）中的磁致伸缩圆环（3-3）发生伸缩，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，而且电磁转换装置（4）中电路产生焦耳热，传感单元（3）中的硅膜片（3-4）由于温度的变化产生膨胀，硅法珀腔发生变化，影响硅法珀腔的反射光程，产生光的干涉，干涉光通过单模光纤（3-1）返回至光纤耦合器（2）并通过光纤耦合器（2）传输至光电转换器（6）中，光电转换器（6）产生模拟信号并传输至信号处理模块（7）中进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源（1）为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
进一步地，所述电磁转换装置（4）包括绕组（4-1）、交流电源（4-2）、电流源（4-3）、电阻（4-4），交流电源（4-2）产生电流通过电阻（4-4）、电流源（4-3）以及绕组（4-1），并且由于电生磁现象在绕组（4-1）中产生磁场。
进一步地，磁化器（5）放置在传感单元（3）的下面，产生偏置磁场，使磁致伸缩圆环（3-3）达到最佳的静态工作点。
进一步地，所述信号处理模块（7）包括A/D模块（7-1）、数据缓冲模块（7-2）、IIC串口（7-3）、主机（7-4）依次相连。
进一步地，所述信号处理模块（7）由光电转换器（6）产生的模拟信号进入信号处理模块（7）中，通过信号处理模块（7）中的A/D模块（7-1）进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块（7-2）进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口（7-3）传输到主机（7-4），并在主机（7-4）中显示数据。
结构发明：一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现对电流和温度的同时测量，可以同时监测电力系统的电流和温度，结构方便简单，大大减少了检测设备沉重和需要检测设备多的问题。
本发明中磁场的变化对磁致伸缩材料的影响，直接对导致法珀腔长的变化，与粘结剂无关，提高了测量的灵敏度，本发明实施后测量的灵敏度提高30%。
本发明中对温度的测量和对电流的测量互不影响，交叉影响的可能性小，增加了测量的准确性、长期运行稳定性，本发明实施后，长期运行的稳定性提高40%。
附图说明
图1为一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的结构图。
图2为一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的传感单元结构图。
图3为一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的电磁转换装置图。
图4为一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的信号处理模块细节图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的结构图，ASE光源（1）发出光束传输至光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）输出光束传输至传感单元（3），光束在传感单元（3）中进行反射和透射，当传感单元（3）放置在电磁转换装置（4）中时，传感单元（3）在电磁转换装置（4）中的磁致伸缩圆环（3-3）发生伸缩，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，而且电磁转换装置（4）中电路产生焦耳热，传感单元（3）中的硅膜片（3-4）由于温度的变化产生膨胀，硅法珀腔发生变化，影响硅法珀腔的反射光程，产生光的干涉，干涉光通过单模光纤（3-1）返回至光纤耦合器（2）并通过光纤耦合器传输至光电转换器（6）中，光电转换器（6）产生模拟信号并传输至信号处理模块（7）中进行数据处理。其中磁化器（5）为传感单元提供静态工作点。
如图2所示，为本发明提供一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的传感单元结构图，传感单元（3）中单模光纤（3-1）插入玻璃插芯（3-2）中，玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4）依次叠放并粘结并封装后构成传感单元（3），传感单元（3）中由硅膜片（3-4）的内表面、单模光纤（3-1）端面、磁致伸缩圆环（3-3）和空气为空气法珀腔，检测电流的变化；硅膜片（3-4）自身构成硅法珀腔，检测温度的变化；其检测机理为，当光传输到单模光纤（3-1）中时，光在硅膜片（3-4）的内表面产生反射和透射，由于磁致伸缩圆环（3-3）的作用，空气法珀腔发生变化，反射光的光程发生变化形成干涉，产生干涉光谱，进而测量电流；硅膜片（3-4）的内表面产生的透射光，在硅膜片（3-4）中产生反射光，当温度变化时，反射光光程发生变化，产生干涉光谱，进而测量温度。
如图3所示，为本发明提供一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的电磁转换装置图，电磁转换装置（4）包括绕组（4-1）、交流电源（4-2）、电流源（4-3）、电阻（4-4），交流电源（4-2）产生电流通过电阻（4-4）、电流源（4-3）以及绕组（4-1），并且由于电生磁现象在绕组（4-1）中产生磁场。将传感单元（3）放在绕组（4-1）中进行测量。
如图4所示，为本发明提供一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的信号处理模块细节图。信号处理模块（7）由光电转换器（6）产生的模拟信号进入信号处理模块（7）中，通过信号处理模块（7）中的A/D模块（7-1）进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块（7-2）进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口（7-3）传输到主机（7-4），并在主机（7-4）中显示数据，实现主机（7-4）输出，进行实时监测。
Claims (7)
1.一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置，其特征在于：它包括ASE光源（1）、光纤耦合器（2）、传感单元（3）、电磁转换装置（4）、磁化器（5）、光电转换器（6）、信号处理模块（7）；
所述传感单元（3）包括单模光纤（3-1）、玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4），其中：
单模光纤（3-1）和硅膜片（3-4）内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，硅膜片（3-4）自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为硅膜片（3-4）的厚度40μm；
磁致伸缩圆环（3-3）使用TbDyFe合金棒材切割而成，TbDyFe合金棒材的制备过程是经过频感熔炼得到TbDyFe合金溶液，之后经过铸造得到TbDyFe棒状合金，铸造后的合金被制成粉末状，在磁场下取向后压制成型，最后高温烧结而成；
传感单元（3）中单模光纤（3-1）插入玻璃插芯（3-2）中，玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4）依次叠放并粘结并封装后构成传感单元（3）；
传感单元（3）的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
其中：部件的尺寸选择包括选择硅膜片（3-4）的厚度为40μm、直径为4mm的圆形膜片，磁致伸缩圆环（3-3）外径3mm、内径2mm、厚度为40μm；
部件的分割包括对磁致伸缩圆环（3-3）的切割和硅膜片（3-4）的切割，首先在磁致伸缩圆环（3-3）的棒材中切割外径为3mm、内径为2mm、厚度为40μm的圆环，在厚度为40μm的两面抛光的硅膜片上切割出直径为5mm的硅膜片（3-4）；
部件的放置位置包括将硅膜片（3-4）和磁致伸缩圆环（3-3）按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯（3-2）放置在磁致伸缩圆环（3-3）上面，将玻璃插芯（3-2）与硅膜片（3-4）和磁致伸缩圆环（3-3）的中心对齐；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯（3-2）、磁致伸缩圆环（3-3）、硅膜片（3-4）密封，之后将切割平整的单模光纤（3-1）插入玻璃插芯（3-2）的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时；
传感单元（3）中磁致伸缩圆环（3-3）使用的材料为TbDyFe材料，TbDyFe材料的制备方法为将纯度为99.9%的Tb、99.8%的Dy以及99.8%的Fe按照化学式Tb0.27Dy0.73Fe1.90的计量进行配比，在氩气的保护下，经过频感熔炼得到合金Tb0.27Dy0.73Fe1.90溶液，之后经过铸造得到Tb0.27Dy0.73Fe1.90棒状合金，再将铸造后的合金在惰性氛围中进行破碎、球磨制成粉末状，并且将粉末状合金在磁场取向后压制成型，最后在1200℃到1300℃的温度下烧制成磁致伸缩材料。
2.根据权利要求1所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
ASE光源（1）发出光束传输至光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）输出光束传输至传感单元（3），光束在传感单元（3）中进行反射和透射，当传感单元（3）放置在电磁转换装置（4）中时，传感单元（3）在电磁转换装置（4）中的磁致伸缩圆环（3-3）发生伸缩，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，而且电磁转换装置（4）中电路产生焦耳热，传感单元（3）中的硅膜片（3-4）由于温度的变化产生膨胀，硅法珀腔发生变化，影响硅法珀腔的反射光程，产生光的干涉，干涉光通过单模光纤（3-1）返回至光纤耦合器（2）并通过光纤耦合器（2）传输至光电转换器（6）中，光电转换器（6）产生模拟信号并传输至信号处理模块（7）中进行数据处理。
3.根据权利要求2所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
所述ASE光源（1）为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
4.根据权利要求2所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
所述电磁转换装置（4）包括绕组（4-1）、交流电源（4-2）、电流源（4-3）、电阻（4-4），交流电源（4-2）产生电流通过电阻（4-4）、电流源（4-3）以及绕组（4-1），并且由于电生磁现象在绕组（4-1）中产生磁场。
5.根据权利要求2所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
磁化器（5）放置在传感单元（3）的下面，产生偏置磁场，使磁致伸缩圆环（3-3）达到最佳的静态工作点。
6.根据权利要求2所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
所述信号处理模块（7）包括A/D模块（7-1）、数据缓冲模块（7-2）、IIC串口（7-3）、主机（7-4）依次相连。
7.根据权利要求2所述的一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置的实现方法，其特征在于：
所述的信号处理模块（7）由光电转换器（6）产生的模拟信号进入信号处理模块（7）中，通过信号处理模块（7）中的A/D模块（7-1）进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块（7-2）进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口（7-3）传输到主机（7-4），并在主机（7-4）中显示数据。
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- 2020-11-19 CN CN202011302627.4A patent/CN112525259B/zh active Active
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