光纤光栅大电流传感研究.doc

2012-07-19################2012-07-19#####2#0#1#2-07-19######## 光纤光栅大电流传感研究 3 常 瑞 周次明 陈留勇 姜德生 ( 武汉理工大学光纤中心 , 武汉 430070 ) 摘要 利用电磁力的原理 ,提出了一种测量高压大电流的方法 ,将高压大电流母线缠绕成单匝或 双匝螺线管 ,产生吸引力 ,使光纤光栅产生应变以此来测量大电流 。通过实验使用多匝螺线管和 小电流进行了模拟大电流测量 。模拟实验结果表明 ,光纤光栅波长对电流大小的灵敏性逐步增 强 ,特别适合于大电流的测量 。 关键词 光纤光栅传感 ; 电流传感器 ; 电磁力 中图分类号 文献标识码 A T P212 . 14 光纤光栅传感技术在近几年取得了快速的发 展 , 并在石化 、交通和军事等领域得到广泛应用 。 在光纤光栅电流传感研究方面 , 有少量利用磁致伸 缩材料和电致伸缩材料 , 乃至有电流热效应进行光 引 言 1 随着电力工业的发展 , 输变电线路电压等级 和电流强度???来越高 , 对电流和 电压 传 感器 的性 能要求 也 更 趋 严 格 。目 前 应 用 在 超 高 压 ( 100 ～ 500 kV) 线路中的电流传感器是传统的电流互感 器 , 制造复 杂 , 绝 缘 比 较 困 难 , 维 护 费 用 高 , 而 且 还有引入高电压进入安全区域 的危 险 , 因此 大电 流测量技 术 的 研 究 成 为 当 前 电 流 测 量 领 域 的 一 个前沿课题[ 1 ] 。 光纤电流传感方法由于其固有的优点 , 近 20 年来 , 国内外学者做了大量的研究工作 , 提出了许 多设计方案 , 也取得了一定的成果 。利用马赫 2曾 德尔干涉仪测量的光纤电流传感器 , 由于受光纤本 身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约 比较严重 , 使得研究应用难以深入[ 2 ] ; 利用法拉第 效应的电流传感器设计简单 , 容易加工 , 但其受光 纤本身的 线性 双 折射 影响 极 大[ 3 ] , 实 用 化 比 较 困 难 ; 利用磁致伸缩效应的光纤电流传感器主要问题 在于磁致伸缩材料本身对被测磁场也有一定的影 响 , 而 且 在 实 用 中 受 温 度 影 响 较 大 , 效 果 并 不 理 想[ 4 ] 。目前只有光电混合式的光学电流传感器在 小范围内进行了实用化 , 但是传感器中有些器件需 要 提 供 电 源 成 为 这 项 技 术 进 一 步 推 广 的 关 键 问题[ 5 ] 。 [ 5 ] 纤光栅电流传感的报道 。本实验利用电磁力的 原理 , 提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺 线管 , 产生吸引力 , 带动光纤光栅产生应变 , 并通过 对光纤光栅波长的测量 , 实现对此待测高压大电流 测量的方法 , 并使用多匝螺线管和小电流进行了模 拟大电流测量 。 2 基本原理 光纤光栅栅距的变化 , 将引起布拉格波长的变 化 。若波长变化量与被测物理量间存在某种联系 , 利用光纤光栅波长解调器观测波长变化值 , 即可获 得该被测物理量 。 环境温度不变时 , 轴向应变ε引起光纤光栅的 波长的相对移动值为[ 6 ] ΔλB /λB ( 1 - ρe )ε ( 1) = 其中 ,ρe 为有效光弹系数 ,ΔλB 为光纤光栅波长的 变化量 ,λB 为光纤光栅的波长值 。 应变可表示为 ε = ΔL / L = F/ EA ( 2) 其中 ,ΔL 为光纤光栅的伸长量 , L 为光纤光栅的有 效长度 , E 为弹性模量 , A 为光纤的横截面积 , F 为 2012-07-19################2012-07-19#####2#0#1#2-07-19########  光纤在轴向上所受到的外力 。 联立式 ( 1) 和式 ( 2) 得 ΔλB /λB = ( 1 - ρe ) F/ EA ( 3) 可见光纤光栅波长的移动量与受力的大小成正比 。 本文提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双 匝螺线管 , 产生吸引力带动光纤光栅产生应变 , 并 通过对光纤光栅波长的测量 , 实现对待测高压大电 流的测量 。 当气隙δ很小时 , 通电螺线管的电磁吸力[ 7 28 ] 图 1 光纤光栅电流传感器实验结构示意图 Fig. 1 Sketch map of op tic fi ber grating elect ric cur rent senso r experiment st r uct ure 1 U 2 dΛδ Fδ = - δ ( 4) 2 dδ 其中 , U 为电压 ,Λδ 为气隙磁导 , 负号表示 Fδ 向δ 减小的方向 , 当气隙δ很小时 , 可以近