[发明专利]一种基于罗氏线圈的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于罗氏线圈的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

随着高压输电线路上的电压等级越来越高，电流越来越大，传统的采用电磁式电流互感器在线测量电流的方法由于存在磁饱和、动态范围小、绝缘安全隐患、体积变大、成本升高、不能数字化等一系列问题，已经不能满足要求。电子式电流互感器（ECT）被认为是传统电磁式电流互感器的替代产品。电子式电流互感器按一次测量元件是否需要电源，分为有源式和无源式。有源式电流测量元件采用低功率铁心线圈和罗氏线圈，由于传感模块放置在高压端，供电和维修是最大问题；无源式电流测量元件多采用法拉第磁光效应原理，主要是温度和振动的影响、成本及时间稳定性等问题。

 罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，不含铁芯，没有铁磁饱和问题，没有磁滞效应，能够急速的响应被测电流，具有低功率输出、结构简单、线性良好等优良特性，在许多大电流测量场合下，它都是敏感器件的首选对象。与本发明相近的是：赵洪霞，鲍吉龙，“一种新颖的光纤光栅电流传感器”，《量子电子学报》，2005年，第22卷，第6期：951-954。文中利用罗氏线圈把大电流转换为低电压，借助压电陶瓷的电致伸缩效应把低电压转换为光纤Bragg光栅波长的漂移，最后通过干涉解调技术把波长漂移信号转化为相移信号，由相移值确定待测电流的变化量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于罗氏线圈的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法，利用罗氏线圈、叠堆压电陶瓷和光纤Bragg光栅组合成的测量大电流的方法，罗氏线圈把高压侧大电流线性地转换为低电压，输出电压加在叠堆压电陶瓷上，由于逆压电效应，叠堆压电陶瓷左端伸缩带动光纤Bragg光栅伸缩，因此将叠堆压电陶瓷的应变线性转换为光纤Bragg光栅的中心反射波长的移位，通过测量光纤Bragg光栅中心反射波长的移位即可测量电流的大小。设计了叠堆压电陶瓷和光纤Bragg光栅组成的传感元件的封装结构，叠堆压电陶瓷由若干片压电陶瓷片物理串联组成，使光纤Bragg光栅的粘接无需外加应力且对传感元件保护和增敏。

本发明的技术方案是：一种基于罗氏线圈的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器，包括罗氏线圈1、高压导线2、输出导线正极3、输出导线负极4、叠堆压电陶瓷7、光纤Bragg光栅9、长方筒和外接光纤11。罗氏线圈1挂接在高压导线2上，罗氏线圈1的输出导线正极3和输出导线负极4分别连接至叠堆压电陶瓷7上下的正负极端子，叠堆压电陶瓷7由若干片压电陶瓷片物理串联组成，叠堆压电陶瓷7右端固定设置在长方筒内，光纤Bragg光栅9贯穿长方筒右端中心通孔进入长方筒内且固定设置在叠堆压电陶瓷7左端，外接光纤11与解调仪相连。

所述长方筒包括螺钉5、长方筒盖6、右端有中心通孔的长方筒身10；长方筒身10中间位置有隔断；长方筒盖6与长方筒身10通过螺钉5连接，叠堆压电陶瓷7右端垂直固定在长方筒内中间隔断的左端，光纤Bragg光栅9左端固定在其与叠堆压电陶瓷7左端面中心垂直相交点处，光纤Bragg光栅9右端固定在长方筒右端中心通孔处。

一种基于罗氏线圈的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器的使用方法：罗氏线圈1把高压侧大电流线性地转换为低电压，由于逆压电效应，叠堆压电陶瓷7左端伸缩带动光纤Bragg光栅9伸缩，因此将叠堆压电陶瓷7的应变线性转换为光纤Bragg光栅9的中心反射波长的移位，利用解调仪测量光纤Bragg光栅9中心反射波长的移位值，反算出电流值，实现波长与电流的对应关系，其关系式为                                                ，公式中为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，=0.216为有效弹-光系数，为回路实际电流与罗氏线圈感应电动势的标准比，为与叠堆型压电陶瓷的压电系数和拉伸结构有关的常量，这样就可以对电流进行实时在线监测。

本发明专利测量技术的数学模型如下：

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

                      （1）

式（1）中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，=0.216为有效弹-光系数，为轴向应变量。

而轴向应变量可表示为如下：

                                （2）

式（2）中，为光纤Bragg光栅的长度，为光纤Bragg光栅的轴向伸缩长度。