CN203376397U

CN203376397U - 光纤光栅温度自补偿电流传感器

Info

Publication number: CN203376397U
Application number: CN201320488424.8U
Authority: CN
Inventors: 涂建坤; 曹春耕
Original assignee: SAIKELI OPTICAL CABLE CO Ltd SHANGHAI; SHANGHAI SENSORLEAD CO Ltd; Shanghai Electric Cable Research Institute
Current assignee: Shanghai Saikeli Photoelectric Technology Co ltd; Shanghai Sensorlead Technology Co ltd; Shanghai Electric Cable Research Institute
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2023-08-09

Abstract

本实用新型提供一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括悬臂梁和固定在悬臂梁上的第一光纤光栅、第二光纤光栅，所述悬臂梁依次包括固定端、变形部和自由端，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于变形部的上下两侧、且相互串联连接，所述固定端固定在一固定架上，自由端上设有一衔铁，还包括一固定在固定架上的导磁体，所述导磁体呈开口环状，该导磁体中间设有一容许被测导线穿过的空腔，所述导磁体两端之间设有一与空腔连通的缺口，且导磁体两端与衔铁端部之间均设有气隙。该电流传感器通过导磁体感应被测电线中被测电流的大小，克服了现有技术中因电磁铁内部的磁-电转换或电-磁转换而产生的误差，进而提高测量精度。

Description

光纤光栅温度自补偿电流传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电流传感器，特别是涉及一种光纤光栅温度自补偿电流传感器。

背景技术

电流传感器是一种在电力行业用途较广泛的传感器，也是智能化电网的基本传感器，其可以用于计量，也可以用于安全监测，是电力行业实施检测或监测的常用基本传感元件。

目前，电流传感器一般采用电子的方式，其不具有无源特性和远距离传输功能，而且抗干扰性能差、测量精度低、使用寿命短、可靠性低，且电子类电流传感器无法在高压环境下工作，存在漏电、爬电的危险，故该类电流传感器无法很好地解决行业内电流计量与监测问题。

为解决上述问题，中国发明专利申请说明书CN102778598A公开了一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括固定架、悬臂梁、电磁铁、吸引件以及设在同一光纤上的第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述的悬臂梁水平设置，一端为自由端，另一端为固定端，该固定端连接在固定架上，悬臂梁的中部设有弹性区，所述的光纤设在悬臂梁上，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于悬臂梁的弹性区的上下两侧，所述的电磁铁设在固定架上，并位于悬臂梁的自由端下方，悬臂梁的自由端设有吸引件；被测电流通过电磁铁的线圈时，电磁铁对位于悬臂梁自由端的吸引件产生吸引力，使得悬臂梁产生挠度变化，位于悬臂梁弹性区上方的第一光纤光栅拉伸，位于悬臂梁弹性区下方的第二光纤光栅收缩，产生波长变化，通过第一光纤光栅和第二光纤光栅波长的变化量实现对电流的检测；当温度变化时，设在同一光纤上的第一光纤光栅和第二光纤光栅产生波长的变化量向同，实现温度自补偿。

但是，上述光纤光栅温度自补偿电流传感器存在以下缺陷：

1、该电流传感器中，被测电流通过电线进入电磁铁的线圈，经过电磁铁的电-磁的转换后吸住吸引件，而该电-磁转换过程会不可避免地产生误差，降低传感器对电流测量的准确性，且被测电流需流入传感器内部，从而降低可靠性；

2、该电流传感器中，悬臂梁自由端与固定端之间的间距较大，而悬臂梁因自由端下移所产生的挠度又较小，从而影响第一光纤光栅和第二光纤光栅的变形，最终降低电流传感器的灵敏度。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种无需传感器内部电-磁转换、测量精度高的光纤光栅温度自补偿电流传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括悬臂梁和固定在悬臂梁上的第一光纤光栅、第二光纤光栅，所述悬臂梁依次包括固定端、变形部和自由端，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于变形部的上下两侧、且相互串联连接，所述固定端固定在一固定架上，自由端上设有一衔铁，还包括一固定在固定架上的导磁体，所述导磁体呈开口环状，该导磁体中间设有一容许被测导线穿过的空腔，所述导磁体两端之间设有一与空腔连通的缺口，且导磁体两端与衔铁端部之间均设有气隙。

进一步地，所述固定端的上下两侧均设有第一凸台，自由端的上下两侧均设有第二凸台，所述第一光纤光栅的两端分别固定在第一凸台和第二凸台上，所述第二光纤光栅的两端也分别固定在第一凸台和第二凸台上。

优选地，所述第一光纤光栅和第第二光纤光栅通过一光纤相串联，所述光纤也固定在悬臂梁上。

进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为两个波长不同的光纤光栅。

进一步地，所述变形部的厚度H小于固定端、自由端的厚度W。

优选地，所述导磁体为圆环形或方框形。

如上所述，本实用新型涉及的光纤光栅温度自补偿电流传感器，具有以下有益效果：

该电流传感器通过导磁体感应被测电线中被测电流的大小，克服了现有技术中因电磁铁内部的磁-电转换或电-磁转换而产生的误差，进而提高测量精度。

附图说明

图1本实用新型的结构示意图。

图2为图1的A圈放大图。

图3至图5为图1的不同实施例。

图6、图7为本实用新型中悬臂梁不同实施例的结构示意图。

元件标号说明

1 悬臂梁

11 固定端

111 第一凸台

12 变形部

13 自由端

131 第二凸台

14 加固部

15 间隙

2 第一光纤光栅

3 第二光纤光栅

4 固定架

5 衔铁

51 本体

52 被吸附部

6 导磁体

61 空腔

62 缺口

63 上导磁件

631 导磁部

64 下导磁件

65 上连接凸缘

66 下连接凸缘

67 突出部

7 气隙

8 光纤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示，本实用新型提供一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括悬臂梁1和固定在悬臂梁1上的第一光纤光栅2、第二光纤光栅3，所述悬臂梁1依次包括固定端11、变形部12和自由端13，所述变形部12由弹性材料制成，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅3分别位于变形部12的上下两侧、且相互串联连接，所述固定端11固定在一固定架4上，自由端13上设有一衔铁5，还包括一固定在固定架4上的导磁体6，所述导磁体6呈开口环状，该导磁体6中间设有一容许被测导线穿过的空腔61，所述导磁体6两端之间设有一与空腔61连通的缺口62，且导磁体6两端与衔铁5端部之间均设有气隙7，见图2。所述缺口62使导磁体6为一个不闭合的环状体，且悬臂梁1位于该缺口62的外侧，所述缺口62中也可填充不导磁材料，从而使导磁体6在感应被测电流时，在导磁体6中所产生的磁路为一不闭合的环形磁路。本实施例中，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅3为两个波长不同的光纤光栅，使其在量程内互不干扰。

使用该电流传感器测量电流时，将导磁体6套在被测导线或被测物上，使被测导线或被测物中的被测电流穿过导磁体6的空腔61，通过气隙7在导磁体6和衔铁5之间形成一环向闭合的磁路，使导磁体6感应该被测电流、并对衔铁5产生一吸力，使衔铁5、自由端13一起向下移动，进而使悬臂梁1的变形部12向下弯曲，产生一挠度，则位于变形部12上方的第二光纤光栅3在其轴向上被拉伸，位于变形部12下方的第一光纤光栅2在其轴向上被压缩，即第一光纤光栅2波长变化和第二光纤光栅3波长变化大小相等、方向相反，进而在准确测量被测电流的同时又消除温度的干扰，实现温度自补偿。且被测电流的大小和导磁体6对衔铁5所产生的吸力的大小成正比关系，而该吸力的大小又与第一光纤光栅2和第二光纤光栅3的波长变化大小成正比关系，故能通过第一光纤光栅2和第二光纤光栅3的波长变化测量被测电流的大小。

进一步讲，采用该光纤光栅温度自补偿电流传感器测量电流时，电流和温度的计算公式本别为：

I＝I₀+K_I×((λ_A1-λ_B1)-(λ_A0-λ_B0))＝I₀+K_I×(Δλ_A-Δλ_B)

T＝T₀+K_T×((λ_A1+λ_B1)-(λ_A0+λ_B0))＝T₀+K_T×(Δλ_A+Δλ_B)

式中：I₀为参考零点电流值；K_I为电流系数；λ_A0为第一光纤光栅2的零点波长；λ_A1为第一光纤光栅2的测量波长；λ_B0为第二光纤光栅3的零点波长；λ_B1为第二光纤光栅3的测量波长；T₀为参考零点温度值；K_T为温度系数。

所以，当第一光纤光栅2和第二光纤光栅3的波长变化大小相等、方向相反时，Δλ_A+Δλ_B等于零，故消除了温度变化的影响，提高传感器的环境适应性，且还克服了现有技术中因电磁铁内部的电-磁转换而产生的误差，实现对交流电流和直流电流的准确感应，提高电流测量精度。另外，该传感器还具有测温功能，通过结构的变化实现第一光纤光栅2和第二光纤光栅3同时被拉伸或同时被压缩，即第一光纤光栅2和第二光纤光栅3的波长变化大小相等、方向相反时，即能消除电流对温度的干扰，进而准确测量温度值。

本实施例中，所述导磁体6可以为圆形，如图1、图3、以及图5所示；也可以为方框形，如图4所示。当导磁体6为方框形时，为了便于导磁体6的生产制造，将方框形导磁体6分割成均为凹形的上导磁件63和下导磁件64，见图4，上导磁件63又被所述缺口62分割成左右两个导磁部631，所述导磁部631的外周设有上连接凸缘65，下导磁件64的外周设有下连接凸缘66，所述上连接凸缘65和下连接凸缘66通过螺栓、螺钉等紧固件相连接，也可以通过焊接的方式相连接，从而围成所述方框形的导磁体6。

进一步地，见图1和图6，所述固定端11的上下两侧均设有第一凸台111，自由端13的上下两侧均设有第二凸台131，所述第一光纤光栅2的两端分别固定在第一凸台111和第二凸台131上，所述第二光纤光栅3的两端也分别固定在第一凸台111和第二凸台131上，进而使第一光纤光栅2和第二光纤光栅3均以预拉伸、张紧的状态固定在悬臂梁1上，且与变形部12之间为悬空设置。另外，由固定端11、自由端13、变形部12、第一凸台111、以及第二凸台131构成的悬臂梁1可以为一整体结构，也可以为由各组成部件固定连接后形成的一分体式结构。优选地，为了提高变形部12感知衔铁5下移程度的能力，即提高该电流传感器的灵敏度，所述变形部12的厚度H小于固定端11、自由端13的厚度W，变形部12的厚度H、固定端11和自由端13的厚度W均是指变形部12、固定端11、自由端13在变形部12挠度方向（也就是衔铁5位移方向）上的厚度。

优选地，如图1和图2所示，所述衔铁5包括本体51和设在本体51下端的被吸附部52，所述本体51上端通过一螺钉固定在所述自由端13的中间，螺钉的中心在变形部12中心线的延长线上；所述气隙7设在被吸附部52与导磁体6之间，且被吸附部52的横截面面积大于本体51的横截面面积，从而使导磁体6在感应被测电流的情况下，变形部12产生的挠度变化与被测电流的大小严格成正比关系，更进一步地提高该电流传感器的测量精度，极大地减小测量误差。另外，上述结构中，衔铁5是直接固定在位于变形部12一端的自由端13上的，从而缩短了变形部12与衔铁5之间的距离，提高变形部12感知衔铁5位移的能力，进而提高电流传感器的灵敏度。另外，如图3和图4所示，当导磁体6较大时，为了使传感器的内部结构更加紧凑，所述导磁体6的两端内侧均设有向上延伸的突出部67，该突出部67与衔铁5的被吸附部52相对设置，所述气隙7设在突出部67与被吸附部52之间。

优选地，见图1，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅3通过一光纤8相串联，所述光纤8也固定在悬臂梁1上。本实施例中，所述第一光纤光栅2、第二光纤光栅3、以及光纤8均可通过高温胶粘接在悬臂梁1上，也可均通过无机材料焊接在悬臂梁1上。

进一步地，如图7所示，固定端11的右侧设有两个向右延伸的加固部14，所述变形部12位于两个变形部12之间，且变形部12的上下两侧与加固部14之间均设有一间隙15，所述加固部14以及固定端11均通过螺钉、螺栓等紧固件固定在固定架4上，从而保证悬臂梁1的固定端11与固定架4可靠连接，在自由端13随同衔铁5下移的过程中，固定端11不会产生滑移等现象，进而保证测量结果的准确性，也使悬臂梁1结构紧凑。另外，所述间隙15的宽度大于变形部12所产生的最大挠度，且所述气隙7的宽度也要大于变形部12所述产生的最大挠度，以保证衔铁5在导磁体6吸力的作用下带动自由端13移动时，变形部12产生的挠度有足够的变化空间。

综上所述，本实用新型涉及的光纤光栅温度自补偿电流传感器具有以下优点：

1、自带温度补偿功能，利用导磁体6的吸力提供使变形部12产生挠度的作用力，在准确测量电流的同时又有效消除温度的影响，提高了该传感器的环境适应性，最终提高对电流测量的准确性；

2、抗电磁干扰，采用光纤光栅作为敏感元件，其产生的是激光波长的移动信号，该信号不受电磁干扰；

3、使用安全，该电流传感器无须供电，且整个测量过程中也不产生电流，也无需将被测电流接入传感器内部，故性能更可靠；

4、能够远距离传输，该电流传感器中的激光信号传输距离在40公里以上，远大于其他类型的电流传感器；

5、本质绝缘，该电流传感器中的信号由本质绝缘的光纤引出，提高使用安全性；

6、测量精度高，该电流传感器直接通过导磁体6感应电流，避免现有技术中采用电磁铁所要进行磁-电转换或电-磁转换而引起的误差；

7、整体结构简单、紧凑，成本低；

8、由于该电流传感器不需要供电，所以具有光纤无源器件的所有属性优点。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种光纤光栅温度自补偿电流传感器，包括悬臂梁（1）和固定在悬臂梁（1）上的第一光纤光栅（2）、第二光纤光栅（3），所述悬臂梁（1）依次包括固定端（11）、变形部（12）和自由端（13），所述第一光纤光栅（2）和第二光纤光栅（3）分别位于变形部（12）的上下两侧、且相互串联连接，所述固定端（11）固定在一固定架（4）上，自由端（13）上设有一衔铁（5），其特征在于：还包括一固定在固定架（4）上的导磁体（6），所述导磁体（6）呈开口环状，该导磁体（6）中间设有一容许被测导线穿过的空腔（61），所述导磁体（6）两端之间设有一与空腔（61）连通的缺口（62），且导磁体（6）两端与衔铁（5）端部之间均设有气隙（7）。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅温度自补偿电流传感器，其特征在于：所述固定端（11）的上下两侧均设有第一凸台（111），自由端（13）的上下两侧均设有第二凸台（131），所述第一光纤光栅（2）的两端分别固定在第一凸台（111）和第二凸台（131）上，所述第二光纤光栅（3）的两端也分别固定在第一凸台（111）和第二凸台（131）上。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅温度自补偿电流传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅（2）和第二光纤光栅（3）通过一光纤（8）相串联，所述光纤（8）也固定在悬臂梁（1）上。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅温度自补偿电流传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅（2）和第二光纤光栅（3）为两个波长不同的光纤光栅。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅温度自补偿电流传感器，其特征在于：所述变形部（12）的厚度H小于固定端（11）、自由端（13）的厚度W。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅温度自补偿电流传感器，其特征在于：所述导磁体（6）为圆环形或方框形。