CN116893292A - 一种高灵敏度gmm-fbg电流传感器及其仿真验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高灵敏度GMM‑FBG电流传感器及其仿真验证方法，包括电流互感单元、GMM‑FBG传感单元；GMM‑FBG传感单元包括驱动线圈、超磁致伸缩材料体、光纤光栅、第二导磁回路体、框架、永磁体、上导磁块、传导光线以及压紧组件，根据电磁感应原理将待测母线上的大电流转换为可测量小电流；传感单元将电流互感单元产生的次级电流导入驱动线圈，由闭合导磁回路体将驱动线圈产生的磁场导入超磁致伸缩材料体(GMM)，使其发生磁致伸缩，从而带动其上的光纤光栅(FBG)产生周期性的微位移，通过调制解调系统获得电流信号。为使整个系统工作在线性区，在磁路中加入永磁体作为偏置磁场，通过框架、压紧组件组成的力路系统给GMM施加预应力，从而提高传感器的灵敏度级测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光学电流传感器领域。
背景技术
光学电流互感器目前已成为国内外研究的热点并逐步成为国内外发展的主流，在诸多领域都具有广阔的应用前景，是将来电力系统在电流检测方向的发展趋势之一。与传统的电流互感器相比，光学电流传感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、易复用、绝缘性能好、耐腐蚀性强等优点，因此光学电流传感器是传统电流互感器很好的代替品。
目前光学电流互感器主要包括基于法拉第磁光效应的磁光式电流互感器及基于磁致伸缩材料的光学电流互感器。利用法拉第效应的光纤传感器存在着光纤诱导线性双折射问题,基于磁致伸缩的光纤光栅(FBG-GMM)电流传感器主要利用GMM磁致伸缩的良好特性，与光纤光栅结合作为传感探头，对电流进行测量，但是容易受到温度影响。
发明内容
本发明在研究基于磁致伸缩的光纤光栅电流传感器的基础上，意在克服现有技术不足，设计了一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，通过给GMM增加预应力以及装设导磁结构，从而较大的提高了传感器的灵敏度和精度，并且能够降低温度对GMM-FBG传感器的影响，测量带宽大，抗干扰能力强。
一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，包括电流互感单元、GMM-FBG传感单元；
所述电流互感单元包括第一导磁回路体和感应导电线圈；所述感应导电线圈缠绕在所述第一导磁回路体上，并与所述GMM-FBG传感单元连接；
所述GMM-FBG传感单元包括驱动线圈、超磁致伸缩材料体、光纤光栅、第二导磁回路体、框架、永磁体、上导磁块以及传导光线；
所述第二导磁回路体设置在所述框架的内侧，
所述第二导磁回路体上部设有断口活动通道，所述第二导磁回路体中心处设有中柱，所述断口活动通道内设有上导磁块，所述上导磁块可沿活动通道限位移动，所述上导磁块下端与所述中柱之间设有所述超磁致伸缩材料体；
所述驱动线圈缠绕在所述中柱上，所述永磁体置于所述第二导磁回路体的两侧，所述光纤光栅固定在超磁致伸缩材料体上，所述传导光线与所述光纤光栅连接；
所述上导磁块的上方设有压紧组件，所述压紧组件用于向下压迫上导磁块，以对超磁致伸缩材料体产生预应力；
所述电流互感单元产生的次级感应电流流入驱动线圈，所述第二导磁回路体将驱动线圈产生的磁场耦合传递给所述超磁致伸缩材料体，驱动超磁致伸缩材料体的振动。
优选的，所述压紧组件包括设置在上导磁块上方的压板，所述压板上方设有压紧件。
优选的，所述压紧件为设置在框架两侧的顶紧螺栓，通过顶紧螺栓向下顶紧压板。
优选的，所述第一导磁回路体为硅钢环形导磁回路体，由硅钢片叠成。
一种利用上述电流传感器的仿真验证方法，包括以下步骤：
S1：GMM-FBG传感单元的驱动线圈，两端与感应导电线圈两端相连，待测电缆中流过的电流在周围产生磁场，经第一导磁回路体的耦合，在感应导电线圈中产生感应电流，此电流流入GMM-FBG传感单元的驱动线圈，驱动线圈产生的磁场经第二导磁回路体耦合传递给超磁致伸缩材料体，驱动超磁致伸缩材料体使其发生磁致伸缩，从而带动其上的光纤光栅产生周期性的微位移，通过调制解调系统进行解调获得电流信号；
S2：由磁场中毕奥-萨伐尔定律得到螺线管轴线中心处磁场强度为：
上述公式中R1、R2、L、N分别为螺线管的内径、外径、长度和匝数，i为通过螺线管线圈的电流；
S3：超磁致伸缩材料体由于磁致伸缩效应会发生伸缩形变，并带动粘贴于其上的光纤光栅，光纤光栅在受到拉应力或者压应力的作用后，产生轴向应变，引起其反射波长的漂移；
应变与FBG中心波长的变化关系为：
ΔλB＝λB((1-Pe)ε
上述公式中，λB为FBG中心波长，Pe为有效光弹系数；
S4：光纤光栅将光信号反馈到调制解调系统，调制解调系统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数据采集系统上，将数据采集系统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；
S5：超磁致伸缩材料体在预加应力的情况下，可以提高材料的饱和磁致伸缩量，超磁致伸缩材料体在不同预应力下，其中超磁致伸缩材料体磁致伸缩系数为磁化强度(M)函数：
上述公式中，Ms为饱和磁化强度；λs为饱和磁致伸缩；
在不考虑磁滞现象时，材料的磁化强度为：
上述公式中He为有效磁场，a为Boltaman常数；
超磁致伸缩材料体内部的有效磁场强度：
He＝H+αM+Hσ
上述公式中H是外激励磁场磁场强度，参数α是由系统磁畴相互作用决定的，Hσ是由预
应力诱发的场贡献的。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明与传统的光纤光栅电流传感器相比，本发明结构简单，制作成本及制作难度均有所降低，通过电磁感应将导线周围的磁场转换为交变电流传给传感单元的线圈，通电线圈产生磁场以此驱动超磁致伸缩材料(GMM)。
2、设置预应力系统(即压紧组件)，超磁致伸缩材料(GMM)本身为脆性材料，抗压不抗拉，并且超磁致伸缩材料(GMM)在预加应力的情况下，可以提高材料的饱和磁致伸缩量，因此通过预紧螺钉和压板给超磁致伸缩材料(GMM)加预应力，不但可以增加超磁致伸缩材料(GMM)的磁致伸缩量，而且使超磁致伸缩材料(GMM)工作环境更稳定，还可以改善因铁磁材料磁滞特性导致的波形失真，提高了灵敏度和测量精度。
3、设置导磁结构，将线圈产生的磁场大部分耦合传递给超磁致伸缩材料(GMM)，在相同线圈安匝数情况下，装设导磁结构后可以使超磁致伸缩材料(GMM)内磁感应强度比无导磁结构时得到很大提升，从而可以极大提高灵敏度。
4、通过导磁回路体耦合磁场传递给超磁致伸缩材料(GMM)，此结构不但可以使超磁致伸缩材料(GMM)内部的磁通量增加，还可以改善线圈发热导致的温度变化对光纤光栅的影响，降低温漂对测量结果的影响，提高测量准确度及灵敏度。
5、上导磁块、压板、超磁致伸缩材料(GMM)组成的“T”字型结构，具有较高的固有频率，测量带宽大，抗干扰能力强，提高了传感器的测量性能。
附图说明
图1为电流传感器整体结构图；
图2为电流传感器传感单元结构图；
图3为传感单元磁路结构三维示意图；
图4为传感单元力路框架三维示意图；
图5为传感单元磁路仿真磁力线分布图；
图6为未施加预应力和加10MPa预应力对比波形图；
图7为不同预应力情况下中心波长峰峰值随电流变化图；
图中标号：电流互感单元1；第一导磁回路体101；感应导电线圈102；待测电缆103；GMM-FBG传感单元2；驱动线圈201；超磁致伸缩材料体202；光纤光栅203；第二导磁回路体204；框架205；压紧件206；压板207；永磁体208；上导磁块209；传导光线210；中柱211。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
本发明一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，其包括电流互感单元1、GMM-FBG传感单元2；
电流互感单元1包括第一导磁回路体101和感应导电线圈102；感应导电线圈102缠绕在第一导磁回路体101上，并与GMM-FBG传感单元2连接；
第一导磁回路体101内径为72mm，外径为112mm，厚度为20mm，第一导磁回路体101为硅钢环形导磁回路体，由硅钢片叠成，感应导电线圈102为直径0.6mm的绝缘铜线，并缠绕在硅钢片上。
GMM-FBG传感单元2包括驱动线圈201、超磁致伸缩材料体202、光纤光栅203、第二导磁回路体204、框架205、永磁体208、上导磁块209以及传导光线210；
第二导磁回路体204设置在框架205的内侧，
第二导磁回路体204上部设有断口活动通道，第二导磁回路体204中心处设有中柱211，断口活动通道内设有上导磁块209，上导磁块209可沿活动通道限位移动，上导磁块209下端与中柱211之间设有超磁致伸缩材料体202；超磁致伸缩材料体202可以用环氧树脂胶粘贴固定于第二导磁回路体204中柱211的顶部；
驱动线圈201缠绕在中柱211上，永磁体208置于第二导磁回路体204的两侧，光纤光栅203固定在超磁致伸缩材料体202上，传导光线210与光纤光栅203连接；光纤光栅203可以用环氧树脂胶粘贴固定在超磁致伸缩材料体202上，传导光线210沿闭合第二导磁回路体204中柱211下部圆孔的引出；
上导磁块209的上方设有压紧组件，压紧组件用于向下压迫上导磁块209，以对超磁致伸缩材料体202产生预应力；
电流互感单元1产生的次级感应电流流入驱动线圈201，第二导磁回路体204将驱动线圈201产生的磁场耦合传递给超磁致伸缩材料体202，驱动超磁致伸缩材料体202的振动。
具体的，框架205为金属框架，如不锈钢框架，框架205外尺寸为110mm×150mm，内尺寸为90mm×130mm，厚度为20mm，底部开有半径为1.5mm圆孔；第二导磁回路体204外围尺寸为90mm×130mm，内尺寸为60mm×100mm，厚度为15mm，底部开有半径为1.5mm圆孔，第二导磁回路体204的中柱211尺寸为10mm×15mm×40mm；上导磁块209的尺寸约为4mm×10mm×25mm；永磁体208尺寸为20mm×10mm×2mm的钕铁硼；压板207为40mm×12mm×1mm的薄不锈钢片，驱动线圈201为内径0.8mm的绝缘铜线。
具体的，压紧组件包括设置在上导磁块209上方的压板207，压板207上方设有压紧件206，压紧件206为设置在框架205两侧的顶紧螺栓，通过顶紧螺栓向下顶紧压板207，顶紧螺栓与压板207一起组成力路结构，顶紧螺栓给压板207施加压力，压板207发生形变，对超磁致伸缩材料体202产生数值固定的预应力，通过给超磁致伸缩材料体202施加预应力能够提高传感器的灵敏度以及测量性能；为兼顾磁路耦合及应力系统，设计了由导磁材料上制成的上导磁块209，截面积与超磁致伸缩材料体202相同，作为压板207与超磁致伸缩材料体202之间的导杆，将力传递给超磁致伸缩材料体202，同时可兼顾导磁作用；框架205兼顾固定整个结构，起到保护磁路的作用。
为验证设计和合理性，对传感单元的磁路结构进行仿真，磁力线分布仿真结果如图5所示。
GMM-FBG传感单元2的驱动线圈201，两端与感应导电线圈102两端相连，待测电缆103中流过的电流在周围产生磁场，经第一导磁回路体101的耦合，在感应导电线圈102中产生感应电流，此电流流入GMM-FBG传感单元2的驱动线圈201，驱动线圈201产生的磁场经第二导磁回路体204耦合传递给超磁致伸缩材料体202，驱动超磁致伸缩材料体202使其发生磁致伸缩，从而带动其上的光纤光栅203产生周期性的微位移，通过调制解调系统进行解调获得电流信号。
由磁场中毕奥-萨伐尔定律得到螺线管轴线中心处磁场强度为：
上述公式中R1、R2、L、N分别为螺线管的内径、外径、长度和匝数，i为通过螺线管线圈的电流；
超磁致伸缩材料体202由于磁致伸缩效应会发生伸缩形变，并带动粘贴于其上的光纤光栅203，光纤光栅203在受到拉应力或者压应力的作用后，产生轴向应变，引起其反射波长的漂移；
应变与FBG中心波长的变化关系为：
ΔλB＝λB(1-Pe)ε
上述公式中，λB为FBG中心波长，Pe为有效光弹系数，硅纤介质中Pe约为0.22。
光纤光栅203将光信号反馈到调制解调系统，调制解调系统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数据采集系统上，将数据采集系统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；
超磁致伸缩材料体202在预加应力的情况下，可以提高材料的饱和磁致伸缩量，超磁致伸缩材料体202在不同预应力下，其磁致伸缩随磁场变化量λ如图3所示；其中超磁致伸缩材料体202磁致伸缩系数为磁化强度(M)函数：
上述公式中，Ms为饱和磁化强度；λs为饱和磁致伸缩；
在不考虑磁滞现象时，材料的磁化强度为：
上述公式中He为有效磁场，a为Boltaman常数；
超磁致伸缩材料体202内部的有效磁场强度：
He＝H+αM+Hσ
上述公式中H是外激励磁场磁场强度，参数α是由系统磁畴相互作用决定的，Hσ是由预
应力诱发的场贡献的；
由此可见，给超磁致伸缩材料体202施加预应力可以改变超磁致伸缩材料体202的磁致伸缩量，继而可以改变FBG中心波长ΔλB的变化，但是预应力又不宜施加过大，否则将会阻碍超磁致伸缩材料体202的伸缩；因此，适当的给超磁致伸缩材料体202施加预应力可以增加超磁致伸缩材料体202的磁致伸缩量，从而提高灵敏度和精度。
在未施加预应力与施加预应力时，光纤光栅203在取样电流为80A时波形图，如图6所示，由此可以看出，在施加预应力后，中心波长峰峰值增加了，并且波形失真情况得到改善；
在未施加预应力和施加预应力分别为5MPa、10MPa时，中心波长峰峰值与电流关系图如图7所示，在未施加预应力与加10MPa预应力后，满量程精度由1.05％提高到0.392％；
由于电流传感器正常工作时二次侧必须接近于短路状态，若二次侧负载阻抗过大，则会产生很大的测量误差，使准确值降低，因此，二次侧驱动线圈匝数不能过多，但是驱动线圈匝数又影响了传感器的灵敏度，因此通过给传感探头设计第二导磁回路体204，可以将较多的磁场聚集引入超磁致伸缩材料体202，增加传感器的灵敏度。通过仿真可知，相同驱动线圈安匝数情况下，装设导磁结构之后超磁致伸缩材料体202内部的磁感应强度是未装设导磁结构时的3倍。经实验验证，在给传感器传感探头装设导磁结构之后，传感器灵敏度由原来的4pm/A提高到8pm/A，同时驱动线圈匝数又能保证测量误差在允许范围内。
Claims (5)
1.一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，其特征在于，包括电流互感单元(1)、GMM-FBG传感单元(2)；
所述电流互感单元(1)包括第一导磁回路体(101)和感应导电线圈(102)；所述感应导电线圈(102)缠绕在所述第一导磁回路体(101)上，并与所述GMM-FBG传感单元(2)连接；
所述GMM-FBG传感单元(2)包括驱动线圈(201)、超磁致伸缩材料体(202)、光纤光栅(203)、第二导磁回路体(204)、框架(205)、永磁体(208)、上导磁块(209)以及传导光线(210)；
所述第二导磁回路体(204)设置在所述框架(205)的内侧，
所述第二导磁回路体(204)上部设有断口活动通道，所述第二导磁回路体(204)中心处设有中柱(211)，所述断口活动通道内设有上导磁块(209)，所述上导磁块(209)可沿活动通道限位移动，所述上导磁块(209)下端与所述中柱(211)之间设有所述超磁致伸缩材料体(202)；
所述驱动线圈(201)缠绕在所述中柱(211)上，所述永磁体(208)置于所述第二导磁回路体(204)的两侧，所述光纤光栅(203)固定在超磁致伸缩材料体(202)上，所述传导光线(210)与所述光纤光栅(203)连接；
所述上导磁块(209)的上方设有压紧组件，所述压紧组件用于向下压迫上导磁块(209)，以对超磁致伸缩材料体(202)产生预应力；
所述电流互感单元(1)产生的次级感应电流流入驱动线圈(201)，所述第二导磁回路体(204)将驱动线圈(201)产生的磁场耦合传递给所述超磁致伸缩材料体(202)，驱动超磁致伸缩材料体(202)的振动。
2.根据权利要求1所述一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，其特征在于：所述压紧组件包括设置在上导磁块(209)上方的压板(207)，所述压板(207)上方设有压紧件(206)。
3.根据权利要求2所述一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，其特征在于：所述压紧件(206)为设置在框架(205)两侧的顶紧螺栓，通过顶紧螺栓向下顶紧压板(207)。
4.根据权利要求1所述一种高灵敏度GMM-FBG电流传感器，其特征在于：所述第一导磁回路体(101)为硅钢环形导磁回路体，由硅钢片叠成。
5.一种利用权利要求1至4任意一项所述电流传感器的仿真验证方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：GMM-FBG传感单元(2)的驱动线圈(201)，两端与感应导电线圈(102)两端相连，待测电缆(103)中流过的电流在周围产生磁场，经第一导磁回路体(101)的耦合，在感应导电线圈(102)中产生感应电流，此电流流入GMM-FBG传感单元(2)的驱动线圈(201)，驱动线圈(201)产生的磁场经第二导磁回路体(204)耦合传递给超磁致伸缩材料体(202)，驱动超磁致伸缩材料体(202)使其发生磁致伸缩，从而带动其上的光纤光栅(203)产生周期性的微位移，通过调制解调系统进行解调获得电流信号；
S2：由磁场中毕奥-萨伐尔定律得到螺线管轴线中心处磁场强度为：
上述公式中R1、R2、L、N分别为螺线管的内径、外径、长度和匝数，i为通过螺线管线圈的电流；
S3：超磁致伸缩材料体(202)由于磁致伸缩效应会发生伸缩形变，并带动粘贴于其上的光纤光栅(203)，光纤光栅(203)在受到拉应力或者压应力的作用后，产生轴向应变，引起其反射波长的漂移；
应变与FBG中心波长的变化关系为：
ΔλB＝λB(1-Pe)ε
上述公式中，λB为FBG中心波长，Pe为有效光弹系数；
S4：光纤光栅(203)将光信号反馈到调制解调系统，调制解调系统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数据采集系统上，将数据采集系统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；
S5：超磁致伸缩材料体(202)在预加应力的情况下，可以提高材料的饱和磁致伸缩量，超磁致伸缩材料体(202)在不同预应力下，其中超磁致伸缩材料体(202)磁致伸缩系数为磁化强度(M)函数：
上述公式中，Ms为饱和磁化强度；λs为饱和磁致伸缩；
在不考虑磁滞现象时，材料的磁化强度为：
上述公式中He为有效磁场，a为Boltaman常数；
超磁致伸缩材料体(202)内部的有效磁场强度：
He＝H+αM+Hσ
上述公式中H是外激励磁场磁场强度，参数α是由系统磁畴相互作用决定的，Hσ是由预应力诱发的场贡献的。
Priority Applications (1)
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| CN202310717718.1A CN116893292A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种高灵敏度gmm-fbg电流传感器及其仿真验证方法 |
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| CN116893292A true CN116893292A (zh) | 2023-10-17 |
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