CN113030547A - 一种基于游标效应的正交臂式mz干涉仪光纤电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，属于光纤电流传感技术领域。包括宽谱光源、第一耦合器、MZ干涉仪、第二耦合器、环形器、FP干涉仪和光谱仪，宽谱光源、第一耦合器、MZ干涉仪、第二耦合器、环形器和FP干涉仪依次连接，光谱仪与环形器连接。本发明基于全光纤电流传感器的工作原理，提出一种可以抗温度、振动等环境因素干扰的正交臂式MZ光纤电流传感器，并利用游标效应机理提高其电流灵敏度，可通过调整游标效应的放大倍数使传感器适用不同范围的小电流测量，适用不同应用场合。

Description

一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器
技术领域
本发明涉及一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，属于光纤电流传感技术领域。
背景技术
随着继电保护、电气设备自动化程度和电力系统绝缘等级的提高，由于传统的电磁式电流互感器原理性的缺陷，已经无法满足电力系统发展的需要，逐渐被全光纤式电流传感器所取代。将全光纤马赫-增德(Mach-Zehnder，MZ)干涉仪和磁致伸缩材料相结合的全光纤电流传感器正是其中的典型应用实例。虽然光学电流传感器有很多传统电流传感器无法比拟的优点，但外界环境会对测量结果产生影响，无法达到行业领域的高精度要求。受环境影响较大的主要是传感头部分，在外界温度作用下，使得传感头的光纤和磁致伸缩材料发生热膨胀，从而引起附加相位变化，导致难以消除的测量误差。同样地，外界振动的引入也是导致传感器输出误差的主要原因之一，振动引起光纤和磁致伸缩材料的形变，传感器的输出都会受到这些物理量的影响，使得误差增大。
目前，为了提高系统测量电流的准确度，增强传感器的抗干扰能力和长期稳定性，多采用算法补偿或光学器件互补偿技术，但由于受影响的光器件及参数较多，这些方案实施起来或是结构极为复杂，或是需增加特殊的器件，而且效果有限，无法完全消除环境因素造成的误差。
因此，为进一步促进光学电流传感器在电力系统中应用，本发明基于全光纤电流传感器的工作原理，提出一种可以抗温度、振动等环境因素干扰的正交臂式MZ光纤电流传感器，并利用游标效应机理提高其电流灵敏度，可通过调整游标效应的放大倍数使传感器适用不同范围的小电流测量，适用不同应用场合。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于磁流体填充边孔光纤的电流传感器，以解决现有技术中存在的问题。
一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，电流传感器包括宽谱光源、第一耦合器、MZ干涉仪、第二耦合器、环形器、FP干涉仪和光谱仪，宽谱光源、第一耦合器、MZ干涉仪、第二耦合器、环形器和FP干涉仪依次连接，光谱仪与环形器连接。
进一步的，
宽谱光源，用于向第一耦合器发出光；
第一耦合器，用于将光分为两束子光束；
MZ干涉仪，用于使两束子光束在电流磁场的作用下产生相位差；
第二耦合器，用于使产生相位差的两束子光束发生干涉，生成传感光谱；
FP干涉仪，用于生成参考光谱；
环形器，用于使传感光谱和参考光谱发生干涉，产生游标效应，形成具有放大倍数的包络谱；
光谱仪，用于接收包络谱并加以显示。
进一步的，MZ干涉仪包括传感臂和参考臂，传感臂包括传感臂入射端口和传感臂出射端口，参考臂包括参考臂入射端口和参考臂出射端口，传感臂沿着平行于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料上，参考臂沿着垂直于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料上，传感臂和参考臂等匝对称且正交，传感臂入射端口和参考臂入射端口分别连接第一耦合器的两个输出端，传感臂出射端口和参考臂出射端口分别连接第二耦合器的两个输入端。
进一步的，磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料铽镝铁，尺寸为30mm×30mm×2mm。
进一步的，FP干涉仪包括第一单模光纤、石英管和第二单模光纤，第一单模光纤、石英管和第二单模光纤依次熔接在一起。
进一步的，石英管外径为125μm，内径50μm，长为85μm，第一单模光纤和第二单模光纤长度均为0.5m。
本发明的有以下优点：本发明基于全光纤电流传感器的工作原理，提出一种可以抗温度、振动等环境因素干扰的正交臂式MZ光纤电流传感器，并利用游标效应机理提高其电流灵敏度，可通过调整游标效应的放大倍数使传感器适用不同范围的小电流测量，适用不同应用场合。
附图说明
图1是本发明的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器的结构示意图；
图2是正交臂式MZ干涉仪和FP干涉仪的结构示意图，其中，图2(a)为正交臂式MZ干涉仪的结构示意图，图2(b)是FP干涉仪的结构示意图；
图3是单独MZ干涉仪的干涉谱平移与产生游标效应后的包络谱平移对比图。
其中，1为宽谱光源、2为第一耦合器、3为MZ干涉仪、4为第二耦合器、5为环形器、6为FP干涉仪、7为光谱仪、8为磁致伸缩材料、9-1为传感臂入射端口、9-2为传感臂出射端口、10-1为参考臂入射端口、10-2为参考臂出射端口、11为第一单模光纤、12为石英管、13为第二单模光纤。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
参照图1所示，本发明提出了一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，电流传感器包括宽谱光源1、第一耦合器2、MZ干涉仪3、第二耦合器4、环形器5、FP干涉仪6和光谱仪7，宽谱光源1、第一耦合器2、MZ干涉仪3、第二耦合器4、环形器5和FP干涉仪6依次连接，光谱仪7与环形器5连接。
进一步的，
宽谱光源1，用于向第一耦合器2发出光；
第一耦合器2，用于将光分为两束子光束；
MZ干涉仪3，用于使两束子光束在电流磁场的作用下产生相位差；
第二耦合器4，用于使产生相位差的两束子光束发生干涉，生成传感光谱；
FP干涉仪6，用于生成参考光谱；
环形器5，用于使传感光谱和参考光谱发生干涉，产生游标效应，形成具有放大倍数的包络谱；
光谱仪7，用于接收包络谱并加以显示。
具体的，宽带光源1发出的光经第一耦合器2被分成两束子光束，分别进入MZ干涉仪3的传感臂和参考臂，两束光在电流磁场的作用下产生一定相位差，并在第二耦合器4处发生干涉，干涉后的光谱经由环形器5后进入FP干涉仪6，MZ干涉仪3所产生的干涉谱与FP干涉仪6产生的干涉谱在环形器5处再次干涉，产生游标效应，形成具有一定放大倍数的包络谱。该包络谱被光谱仪7接收并显示。
进一步的，MZ干涉仪3包括传感臂和参考臂，传感臂包括传感臂入射端口9-1和传感臂出射端口9-2，参考臂包括参考臂入射端口10-1和参考臂出射端口10-2，传感臂沿着平行于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料8上，参考臂沿着垂直于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料8上，传感臂和参考臂等匝对称且正交，传感臂入射端口9-1和参考臂入射端口10-1分别连接第一耦合器2的两个输出端，传感臂出射端口9-2和参考臂出射端口10-2分别连接第二耦合器4的两个输入端。
进一步的，磁致伸缩材料8为稀土超磁致伸缩材料铽镝铁，尺寸为30mm×30mm×2mm。
MZ干涉仪3的结构如图2(a)所示，其制作如下：本发明采用稀土超磁致伸缩材料铽镝铁来代替传统的磁致伸缩材料，该材料仅在平行于磁场的轴向磁致伸缩，而环境温度引起的热膨胀是各向同性的，取该材料尺寸为30mm×30mm×2mm。因此，根据这一特性，首先取两根等长单模光纤，长度为1m。然后将两根光纤分别沿着平行和垂直于磁致伸缩方向多等匝的绕在磁致伸缩材料上，形成传感臂和参考臂，并保证其对称性。图2(a)中箭头方向为电流磁场方向，平行于箭头方向(磁致伸缩方向)的是传感臂，垂直于磁致伸缩方向的是参考臂。由于MZ干涉仪3的两臂对称且正交，因此环境温度引起的热膨胀对两臂产生的影响相同，同样地，外界振动引起的形变影响也相同，都不能改变双臂间的光程差，也就不会产生附加相位差影响最终输出。因此该结构可以有效抑制环境因素导致的测量误差。
此外，稀土超磁致伸缩材料铽镝铁(磁致伸缩材料8)仅在35～90mT时，磁致伸缩系数与磁感应强度B具有良好的线性关系，因此结合Biot-Savart定理，得知在电流磁场作用下所产生的磁致伸缩材料8的伸长量Δl可表示为：
Figure BDA0002961704500000051
式中，C1为比例系数，为1.611×10-2 /T，ΔB是载流直导线周围的磁感应强度，l是磁致伸缩材料伸缩方向上的长度，为30mm，μ0是真空磁导率，为4π×10-7N/A2，R是场点到导线的垂直距离，取其值为10mm。若待测量电流范围是0～2kA，则该点对应磁感应强度B为0～40mT，为使稀土超磁致伸缩材料铽镝铁工作在线性区域，需额外加以35mT的偏置磁场。
当磁致伸缩材料8的长度发生变化，会导致MZ干涉仪3的两臂之间产生光程差ΔS＝nΔL＝n(L1-L2)，形成干涉谱。n是单模光纤纤芯折射率，为1.45，L1和L2分别为电流磁场下传感臂和干涉臂长。因此，最终通过追踪干涉谱条纹的平移量Δλ1即可获得磁致伸缩材料的长度的变化量，可表示为：
Δλ1＝C2·Δl (2)
式中，C2为比例系数，根据实际经验设定。
为进一步促进该传感器在电力系统中应用，本发明应用游标效应来提高其电流灵敏度，并利用倍数可调的优点使其适应不同应用场合。
为使MZ干涉仪3和FP干涉仪6叠加产生游标效应，必须保证两干涉谱的自由光谱范围(两相邻波峰或波谷之间的距离)相近但不相等，且两个干涉仪其中一个对待测量灵敏，作为传感干涉仪，另一个则不灵敏，作为参考干涉仪，就可获得具有一定放大倍数的干涉谱包络。
进一步的，FP干涉仪6包括第一单模光纤11、石英管12和第二单模光纤13，第一单模光纤11、石英管12和第二单模光纤13依次熔接在一起。
进一步的，石英管12外径为125μm，内径50μm，长为85μm，第一单模光纤11和第二单模光纤13长度均为0.5m。
本发明中MZ干涉仪3作为传感干涉仪，FP干涉仪6作为参考干涉仪，FP干涉仪6的结构如图2(b)所示，首先将一段长0.5米的单模光纤11和一段石英管12熔接在一起，形成第一个反射面，石英管12外径125μm，内径50μm，然后用光纤切割刀将石英管12切断至85μm，最后在石英管12的末端熔接另一段长0.5米的单模光纤13，形成第二个反射面，如此制成FP干涉仪6。由于切割和熔接都会使石英管12变短，因此制成FP干涉仪6的腔长为80.5μm。由于FP干涉仪6体积小，抗干扰能力强，且腔内介质为空气，温度对其影响可以忽略，因此添加该器件也不会对整个传感器的稳定性产生影响。
形成游标效应后的干涉谱包络的放大倍数可表示为：
Figure BDA0002961704500000061
式中，FSRMZ＝λ2/nΔL是MZ干涉仪3的干涉谱的自由光谱范围，λ为输入光波长，为1550nm，FSRFP＝λ2/2n0L0是FP干涉仪6的干涉谱的自由光谱范围，n0是FP干涉仪6内空气的折射率，为1.0003，L0是FP干涉仪的腔长，为80.5μm。此时，产生游标效应后的传感器，其干涉谱包络条纹平移量Δλ2与磁致伸缩材料的长度的变化量可表示为：
Δλ2＝M·C2·Δl (4)
因此，游标效应可有效提高传感器的电流灵敏度。在电流磁场下，MZ干涉仪3的两臂发生干涉(ΔL＝100μm)，且电流磁场导致磁致伸缩材料的长度变化了0.1μm，此时与FP干涉仪6相匹配(FSRMZ＝16.6nm，FSRFP＝14.9nm)，根据公式(3)可得M＝10。环形器5输出的干涉谱谱在光谱仪7中显示结果如图3所示，可见电流变化同等条件下，游标效应的包络谱平移量是单独MZ干涉谱平移量的10倍。且由公式(3)可知，可通过改变FP干涉仪6的腔长，得到不同自由光谱范围，和MZ干涉仪3相匹配就可得到不同放大倍数的干涉谱包络，因此可使传感器适用不同范围的小电流测量，满足不同应用场合要求。
本专利所描述的具体实施事例仅仅是其中一种参数设计情况而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可参考上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案，做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括宽谱光源(1)、第一耦合器(2)、MZ干涉仪(3)、第二耦合器(4)、环形器(5)、FP干涉仪(6)和光谱仪(7)，所述宽谱光源(1)、第一耦合器(2)、MZ干涉仪(3)、第二耦合器(4)、环形器(5)和FP干涉仪(6)依次连接，所述光谱仪(7)与所述环形器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，
所述宽谱光源(1)，用于向所述第一耦合器(2)发出光；
所述第一耦合器(2)，用于将所述光分为两束子光束；
所述MZ干涉仪(3)，用于使两束子光束在电流磁场的作用下产生相位差；
所述第二耦合器(4)，用于使产生相位差的两束子光束发生干涉，生成传感光谱；
FP干涉仪(6)，用于生成参考光谱；
所述环形器(5)，用于使传感光谱和参考光谱发生干涉，产生游标效应，形成具有放大倍数的包络谱；
所述光谱仪(7)，用于接收所述包络谱并加以显示。
3.根据权利要求2所述的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，所述MZ干涉仪(3)包括传感臂和参考臂，所述传感臂包括传感臂入射端口(9-1)和传感臂出射端口(9-2)，所述参考臂包括参考臂入射端口(10-1)和参考臂出射端口(10-2)，所述传感臂沿着平行于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料(8)上，所述参考臂沿着垂直于磁致伸缩方向多匝地绕在磁致伸缩材料(8)上，所述传感臂和参考臂等匝对称且正交，所述传感臂入射端口(9-1)和参考臂入射端口(10-1)分别连接所述第一耦合器(2)的两个输出端，所述传感臂出射端口(9-2)和参考臂出射端口(10-2)分别连接所述第二耦合器(4)的两个输入端。
4.根据权利要求3所述的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料(8)为稀土超磁致伸缩材料铽镝铁，尺寸为30mm×30mm×2mm。
5.根据权利要求2所述的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，所述FP干涉仪(6)包括第一单模光纤(11)、石英管(12)和第二单模光纤(13)，所述第一单模光纤(11)、石英管(12)和第二单模光纤(13)依次熔接在一起。
6.根据权利要求5所述的一种基于游标效应的正交臂式MZ干涉仪光纤电流传感器，其特征在于，所述石英管(12)外径为125μm，内径50μm，长为85μm，所述第一单模光纤(11)和第二单模光纤(13)长度均为0.5m。
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