[发明专利]一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头

说明书

本发明提出一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，包括宽带光源、光纤环形器、传感探头、匹配液、光谱仪和计算机，其中传感探头包括光纤布拉格光栅、磁致伸缩膜、非铁磁性材料套管和金属螺线管，本发明采用氢氟酸对FBG光纤部分包层作腐蚀处理，并用磁控溅射法涂覆上一层磁致伸缩膜，利用电流的磁效应和磁致伸缩膜的磁致伸缩特性，通入不同的待测电流的金属螺线管，在非铁磁性材料套管内部产生不同的磁场强度，不同磁场强度使磁致伸缩膜发生横向伸缩，进而改变了FBG的周期，使反射波长峰值发生漂移，实现对待测电流高灵敏度测量，此外，光纤末端插入甘油匹配液中，避免透射光波长的部分反射，以免降低待测电流的测量精度。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头。

背景技术

随着电力工业市场化进程的加快、电网规模的日益增大和运行机制的不断发展，电网运行的安全性和稳定性面临着严峻的挑战，同时，频繁发生的自然灾害和电网事故更说明了智能电网发展的必然性，这就对在电力系统计量环节和继电保护中起重要作用的电流传感器技术要求越来越高。此外，实施“西电东送”是我国资源分布与生产力布局的客观要求，也是变西部地区资源优势为经济优势，促进东西部地区经济共同发展的重要措施。面对特高压下的大电流测量,传统的电磁式传感器面临高压、非绝缘以及电磁干扰等问题,使得测量系统的结构复杂、成本高昂为此,结构简单、安全可靠、成本低廉的高压电流传感器成为研究热点。目前普遍应用基于电磁感应的电流传感器存在着磁饱和、铁磁谐振、频带窄、动态范围小、有油易燃易爆等问题随着电压等级的提高，这些问题愈显突出，制造成本也愈加昂贵。而光纤电流传感器具有绝缘性好、抗电磁干扰、频带宽等优点，近些年其研究进展十分迅速，应用领域不断扩大。

光纤传感技术作为智能电网的组成部分，可以解决许多传统传感技术无法面对的问题，所以应该得到更大的重视。对比于传统电磁式电流传感器，光纤电流传感器有许多特点，如光纤电流传感器通常能应用于高压环境；能在强电磁干扰环境下工作；能应用于高速遥感及遥测系统以达到远程监控测量的目的；还具有体积小、质量小、制造成本低等优点。但至目前，法拉第磁光效应电流传感方案仍然受光纤线性双折射问题和环境温度因素的影响，光电混合式解决方案的高电位电子电路供电问题及电子电路可靠性问题一直没有很好的解决。光纤布拉格光栅的出现可能提供有效的解决途径。

经过近些年的研究与开发，FBG传感技术已成为光纤传感中可靠性最高、实用性最强的传感技术。由于具有波长编码、同光纤兼容并能构成准分布式测试系统等优点，被广泛地应用于工程结构的应变和温度测量。超磁致伸缩材料一是一种新型的磁一机械转换材料，具有伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快等优点，广泛地应用于换能和驱动。本文提出了光纤布拉格光栅和磁致伸缩材料组合的交流电流传感方法，采用电流的磁效应实现了对变化电流信号的检测。

光纤布拉格光栅(FBG)作为一种具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀性、不受光强波动影响、绝缘性好等优点的无源器件，在土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域得到广泛引用，并取得显著的研究成果。由于光纤主要成分为SiO₂，其细小质脆，在实际应用在容易损坏，为了在保护FBG免受损坏的前提下，提高光纤光栅温度灵敏度，我们通常采用氢氟酸腐蚀和飞秒激光刻蚀等方法对光纤光栅进行包层处理。

本发明提出的一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头，利用电流的磁效应，不同的待测电流通入金属螺线管，在陶瓷套管内部，产生不同的磁场强度，不同的磁场强度强度使磁致伸缩材料产生不同的形变，影响FBG的光栅周期，反射波峰值发生漂移，通过峰值波长的变化量，得出待测电流的大小。此外，该传感探头使用氢氟酸，腐蚀了FBG中间部分包层，并用磁控溅射法涂覆上一层磁致伸缩膜，提高了待测电流的测量灵敏度。

发明内容

针对上述所提及的问题，本发明提出了一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头的设计方案，能实现对待测电流的高灵敏度测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：