基于電磁式FBG光纖光柵電流傳感器的研究

姜志剛

摘 要 本文重點(diǎn)研究了FBG光纖光柵的反射中心波長變化量 與變化的關(guān)系。當(dāng)電流強(qiáng)度從0mA 增至1100mA，每10mA記錄下法布里濾波器解調(diào)后的布拉格波長變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過MATLAB圖像分析，當(dāng)電流趨于500mA以上時， 與呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。同時也分析電磁氣隙對電流傳感器的影響及電流回程測試缺陷。

關(guān)鍵詞 FBG光纖光柵 電磁力 MATLAB圖像 電流傳感器

中圖分類號：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Electromagnetic FBG Current Sensor Research Based on FBG

JIANG Zhigang

（Department of Engineering， Wuhan Vocational College of Industry and Trade， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract This paper focuses on the FBG fiber grating reflection wavelength variation and change. When the current intensity increased from 0mA to 1100mA， every 10mA record the shift of the Prague wavelength demodulation method， filter the data， after repeated three times the experimental data obtained， through MATLAB image analysis， when the current tends to be more than 500mA， and showed good linear relationship. At the same time， analysis of electromagnetic air gap effect on current sensor and current return test defects.

Key words FBG fiber； grating electromagnetic force； MATLAB image； current sensor

0 引言

光纖光柵是近十幾年來在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域最具有代表性的無源器件成果之一，也成為傳感技術(shù)中技術(shù)革新速度較快方向之一，尤其體現(xiàn)在抗電磁干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、有較好的柔韌性，而且波分復(fù)用性能強(qiáng)，在軍工、民用工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。近幾年在高壓輸電方向也有較大的技術(shù)突破，在傳統(tǒng)工業(yè)輸電傳輸過程中，電壓、電流傳感器普遍存在工藝復(fù)雜、耗損較高、價(jià)格高昂等問題。

現(xiàn)代工業(yè)中使用的光纖電流傳感器主要有（1）M—Z型光纖電流傳感器，其穩(wěn)態(tài)性和可靠性較差，易受到外界環(huán)境的影響。（2）磁致伸縮式光纖電流傳感器，此類傳感器本身形成的磁場易與工作磁場交叉相互產(chǎn)生影響，同時也易受外界溫度等因素的影響，穩(wěn)定度和精度存在不確定性。①本實(shí)驗(yàn)采用電流的電磁作用力為工作媒介，引起布拉格光纖光柵（FBG）的柵距產(chǎn)生變化，通過對布拉格中心波長偏移量的測定，即可獲得電流數(shù)值。

1 布拉格光纖光柵電流傳感基本原理

1.1 光纖光柵（FBG）檢測理論

通常情況下，光纖光柵在受到紫外線的作用下，容易按折射率分布狀態(tài)形成周期性的條紋，同時產(chǎn)生布拉格光柵效應(yīng)，其布拉格波長為

= 2 （1）

式中為布拉格光纖光柵波長，為光纖的有效折射率，為光纖光柵周期。②

在（1）式中，可以看出布拉格中心波長易受折射率和光柵周期的雙重影響，即其中的任意一個物理量發(fā)生變化，布拉格中心波長將隨之發(fā)生偏移。在本次實(shí)驗(yàn)中，在保持外界工作溫度不變的條件下，若對光纖光柵施加軸向均勻的應(yīng)變，則導(dǎo)致布拉格中心波長的偏移 為③

= （2）

式中為軸向應(yīng)變， 為中心波長的偏移量，為由彈光系數(shù)產(chǎn)生的一個參數(shù)，可由實(shí)際具體系數(shù)計(jì)算得到。

1.2 電流電磁力的作用原理

當(dāng)施加工作電流時，電流會在線圈的周圍形成激勵磁場，同時也儲存了相應(yīng)的磁場能。其磁場能為

= （3）

而電磁力與磁場能的關(guān)系為

= （4）

式中為氣隙磁導(dǎo)，為工作氣隙，為電磁吸力

當(dāng)氣隙趨向于無限小時，實(shí)際氣隙磁導(dǎo)可以簡化為

= （5）

式中為磁體極化后形成的面積，而磁動勢可以簡化為④

= （6）

其中為工作線圈的匝數(shù)，根據(jù)（3）、（4）、（5）和（6）式，得到：

= （7）

根據(jù)式（1-7）得到電流形成的實(shí)際電磁力與成一次線性關(guān)系。⑤結(jié)合光纖光柵軸向上的應(yīng)變，可進(jìn)一步得到：

= （8）

公式（8）就是布拉格中心波長偏移量 與電流的關(guān)系。清晰得到中心波長偏移量越大，則說明工作電流越大，對于常系數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)及理論參數(shù)推導(dǎo)出來。

1.3 傳感器的設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)中特別設(shè)定螺線管線圈匝數(shù)為2000匝，阻抗為7.24 ，使用型號為LightwaveLDC-3744B的可調(diào)諧恒流電源為螺線管提供工作電流，電流強(qiáng)度調(diào)諧精度80，可提供最大電壓50伏。

本次實(shí)驗(yàn)中，選用的布拉格光纖光柵是用普通單模光纖利用相位掩模法制作而成的，布拉格光纖光柵的總長度為8mm。應(yīng)用法布里腔原理的光纖布拉格光柵解調(diào)器，此光譜儀基于法布里干涉原理對布拉格反射光譜的中心波長進(jìn)行解調(diào)，該儀器具有較高的分辨率，此光譜儀的重要要的特征為：分辨率約為：lpm，中心波長的準(zhǔn)確測量精度為？Pm，能量幅值損耗小于10dB，中心波長使用范圍為1280～1316nm，掃描頻率為50Hz，工作環(huán)境溫度為-15 55℃。

圖1 光纖布拉格光柵電流傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定室溫為26℃，調(diào)整方式為手動直接調(diào)整直流電流大小，此溫度狀態(tài)下的中心波長為1302.232nm。在正常工作前，為了避免光纖光柵隨溫度升高而性能受損，常用的保護(hù)方法為在光纖光柵的兩端用雙面粘貼片，同時，也能對光纖光柵產(chǎn)生較小的前期應(yīng)力。只需要將環(huán)氧樹脂涂抹在光纖光柵上。帶溫度恢復(fù)到室溫26℃后，重新測定中心波長，并予以記錄，實(shí)測得中心波長為1303.943nm。當(dāng)輸入直流電流時，采用步進(jìn)式調(diào)整，當(dāng)電流值調(diào)整到位時，鎖定電流源并保持10秒鐘。借助于光譜儀測定每次輸入電流所對應(yīng)的中心波長值。

逐漸改變電流的大小，利用光譜儀解調(diào)不同電流下的中心波長，設(shè)計(jì)的電流大小從0mA到1100mA，電流大小以10mA步進(jìn)，以表格的形式記錄下每次電流對應(yīng)的中心波長，分別做三次實(shí)驗(yàn)后，利用MATLAB軟件，建立縱坐標(biāo)為中心波長值，單位為pm，橫坐標(biāo)為電流的平方，單位為的圖像⑥。

圖2 布拉格波長與電流平方的關(guān)系

基于此圖可以清晰地反映出中心波長和電流的平方之間的實(shí)際關(guān)系，明顯看到電流在500mA以上才出現(xiàn)真正意義上的中心波長與電流平方之間的線性關(guān)系。

基于圖2中的實(shí)驗(yàn)圖像，從兩個方面分析：（1）當(dāng)電流大小在500mA以下時，中心波長強(qiáng)度的變化不是特別明顯，尤其是電流小于100mA，線性度較差，主要原因受到線圈與導(dǎo)體之間的氣隙影響，當(dāng)電流較小時，外界因素的影響相對較大；（2）當(dāng)電流大小超越500mA以后，中心波長與電流的平方成線性關(guān)系，說明此類電流傳感器只適合于測量較強(qiáng)電流或電壓，尤其是超大電流。

另外，此實(shí)驗(yàn)中只測試了電流從0mA增加到1100mA單向過程中的波長變化情況，而未能對回程情況進(jìn)行測試和分析，以便更好地研究此類布拉格光纖光柵電流傳感器的遲滯性效果，⑦并能進(jìn)一步設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的傳感器。

3 結(jié)束語

在介紹電磁式古拉格光纖光柵電流傳感器的基本原理的同時，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了傳感器的組裝結(jié)構(gòu)，以此傳感器為平臺，進(jìn)行了響應(yīng)的測試，測試的數(shù)據(jù)及分析圖像都清晰地反映了此類電流傳感器的用途和缺陷，以便于進(jìn)行今后的工作。

注釋

① 廖幫全，馮德軍等.光纖布拉格光柵電流傳感器的理論和實(shí)驗(yàn)研究.光學(xué)學(xué)報(bào)，2002.22（9）.

② 王鋒，韋兆碧等.光纖電流傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)與原理.儀表技術(shù)與傳感器，2002（11）.

③ 張君正，劉彬等.光纖高壓電流傳感器傳感頭的設(shè)計(jì).自動化與儀表，2002（1）.

④ 孫鳳池，黃亞樓等.調(diào)制—解調(diào)技術(shù)在光纖傳感式電流測量中的應(yīng)用.南開大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（4）.

⑤ 王黎蒙，朱榮華等.光纖Bragg光柵電壓傳感特性.傳感技術(shù)，2000.19（3）.

⑥ 趙立民，秦天鶴.利用電磁鐵的光纖光柵電流傳感實(shí)驗(yàn).沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）.

⑦ 魯懷敏，方海峰.光纖電流傳感系統(tǒng)影響因素分析.電子技術(shù)應(yīng)用，2013（6）.