基于超磁致伸縮材料的FBG電流傳感系統(tǒng)

陳 霄，易永仙，范 潔，周 玉，姜明順，隋青美

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103； 2.國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211103；

3.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

基于超磁致伸縮材料的FBG電流傳感系統(tǒng)

陳 霄1，2，易永仙1，2，范 潔1，2，周 玉1，2，姜明順3，隋青美3

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103； 2.國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211103；

3.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

基于GMM（超磁致伸縮材料）的FBG（光纖布拉格光柵）電流傳感器具有光學(xué)電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)。利用自行配制的環(huán)氧樹脂膠將FBG與GMM封裝為一體作為傳感器探頭，通過增加偏置磁場(chǎng)改變傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用高頻性能良好的鐵氧體材料作為導(dǎo)磁回路，約束交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)并引導(dǎo)進(jìn)入傳感器探頭，進(jìn)而將電流的變化轉(zhuǎn)變成為FBG的波長(zhǎng)變化，通過FBG解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

電流傳感器；超磁致伸縮材料；光纖布拉格光柵

0 引 言

基于GMM（超磁致伸縮材料）的FBG（光纖布拉格光柵）電流傳感器具有光學(xué)電流互感器的優(yōu)點(diǎn)［1-3］，且不受光纖線性雙折射的影響［4-5］，近年來受到國(guó)內(nèi)外研究者的極大關(guān)注。美國(guó)GE公司的D. Satpathi等人用鐵磁材料疊片組成回路，以此約束并引導(dǎo)母線電流磁場(chǎng)沿GMM棒應(yīng)變方向取向，并用FBG檢測(cè)GMM棒在磁場(chǎng)下的應(yīng)變，結(jié)果表明，在700A電流以內(nèi)傳感器有很好的線性響應(yīng)［6］。D.Reily等人組建了基于GMM-FBG的電流互感器，采用螺線管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換，并利用釤鈷磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)證明，該電流互感器可以同時(shí)測(cè)量電流和溫度，測(cè)量范圍分別是0.3～1.0A和18～90℃［7］。國(guó)內(nèi)的熊艷玲等人首次提出了將GMMFBG傳感器放置在通電螺線管里，實(shí)現(xiàn)了工頻電流的測(cè)量。但在傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性方向仍有較大的研究空間［8］。

本文利用環(huán)氧樹脂膠將FBG與GMM封裝為一體作為傳感器探頭，通過增加偏置磁場(chǎng)改變傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用高頻性能良好的鐵氧體材料作為導(dǎo)磁回路，約束交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)并引導(dǎo)其進(jìn)入傳感器探頭，進(jìn)而將電流的變化轉(zhuǎn)變成FBG波長(zhǎng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 GMM-FBG電流傳感機(jī)理

1.1GMM的磁致伸縮效應(yīng)

GMM是一種在常溫和低場(chǎng)（μ0HS＜0.3T）下具有很大磁致伸縮應(yīng)變的稀土合金材料，組分為Tb1-xDyxFe2-y（x≈0.3，y≈0.5～0.8）的Terfenol-D合金棒材。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷相比，它具有磁致伸縮系數(shù)大、響應(yīng)速度快和磁致伸縮曲線性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)GMM處于磁場(chǎng)中時(shí)，其形變值與磁感應(yīng)強(qiáng)度H的關(guān)系為

式中，L、ΔL和C分別為GMM的長(zhǎng)度、長(zhǎng)度的變化值和伸縮系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常采用GMM的軸向應(yīng)變，其值為

可見，GMM的軸向應(yīng)變與外界磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以近似看成二次方關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，一般取它的線性區(qū)［］。

1.2基于FBG的磁場(chǎng)測(cè)量原理

根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG的反射中心波長(zhǎng)λB取決于FBG的周期Λ和有效折射率neff。利用FBG對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)漂移量可由下式給出：

式中，ΔΛ為光纖在應(yīng)力作用下的彈性形變；Δneff是由光纖的彈光效應(yīng)引起的有效折射率的變化。

根據(jù)材料力學(xué)原理與彈光理論，可求得應(yīng)變導(dǎo)致的FBG中心波長(zhǎng)的漂移量：

在式（4）中引入FBG相對(duì)波長(zhǎng)應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kε，Kε的表達(dá)式為

可得出

式（6）即為FBG由彈性形變和彈光效應(yīng)引起的波長(zhǎng)漂移對(duì)于縱向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)。采用純石英制成光纖，可以得出Kε=1.2pm/με。

2 傳感器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，將FBG粘貼在GMM元件表層構(gòu)成磁場(chǎng)傳感裝置，GMM在氣隙磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)作用，GMM元件沿磁場(chǎng)方向發(fā)生縱向應(yīng)變。粘貼在GMM元件上的FBG檢測(cè)到GMM元件的應(yīng)變，并產(chǎn)生相應(yīng)的波長(zhǎng)偏移。在工作過程中，為避免受到拉伸應(yīng)力的作用，針對(duì)GMM在剪切力和扭曲力的作用下容易產(chǎn)生斷裂的問題，利用強(qiáng)磁鐵形成偏置磁場(chǎng)，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)負(fù)向偏移0.6nm左右的工作點(diǎn)。

選擇FBG的中心波長(zhǎng)為1 536.275nm，3dB帶寬為0.25nm，隔離度大于15dB。利用加工的有機(jī)玻璃工裝固定封裝有FBG的GMM一端，并在一側(cè)增設(shè)強(qiáng)磁鐵。在強(qiáng)磁鐵形成的偏置磁場(chǎng)的作用下，制作后的FBG磁場(chǎng)傳感器的中心波長(zhǎng)為1 536.877nm。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

3.1GMM-FBG傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的GMM-FBG傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括FBG磁場(chǎng)傳感器、FBG解調(diào)儀、U型線圈、直流電源、信號(hào)發(fā)生器以及互導(dǎo)型功率放大器等。其中，U型線圈磁芯是由硅鋼片疊制而成，實(shí)驗(yàn)中采用的硅鋼片厚度為0.5mm，用60片硅鋼片疊成兩個(gè)U型硅鋼磁芯，每個(gè)30片，用0.8mm的漆包線對(duì)該硅鋼磁芯進(jìn)行繞制。直流電源提供靜態(tài)磁場(chǎng)，信號(hào)發(fā)生器與功率放大器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，F(xiàn)BG解調(diào)儀用來檢測(cè)傳感器的波長(zhǎng)偏移。磁場(chǎng)裝置的設(shè)計(jì)是將兩塊U型硅鋼磁芯線圈相對(duì)放置，并固定其相對(duì)位置，當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，空氣氣隙的磁場(chǎng)將發(fā)生變化。

圖1　傳感器測(cè)試系統(tǒng)

3.2靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

打開直流電源，調(diào)節(jié)電源輸出為0～5A，以0.2A為間隔，每調(diào)節(jié)一次，記錄電流數(shù)值以及對(duì)應(yīng)的FBG中心波長(zhǎng)值，重復(fù)2～3次，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均。實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸入電流與GMM-FBG傳感器波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，隨著電流強(qiáng)度的加大，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，且具有良好的響應(yīng)。

圖2　傳感器的靜態(tài)測(cè)試

3.3動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

對(duì)U型線圈加載動(dòng)態(tài)電流，對(duì)GMM-FBG傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)條件為對(duì)線圈輸入幅值相同頻率不同的電流，測(cè)量傳感器的中心波長(zhǎng)變化與氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。設(shè)置U型線圈間的空氣氣隙寬度為5mm。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)為正弦波，峰峰值為3V，頻率分別設(shè)置為10、20、50和100Hz。測(cè)得傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖3所示?？梢钥闯觯?～100Hz范圍內(nèi)，傳感器響應(yīng)波形無失真，能夠準(zhǔn)確響應(yīng)交流電流的變化。

圖3　傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試

4 結(jié)束語

本文將FBG和GMM封裝成傳感器探頭，使用鐵氧體材料作為導(dǎo)磁回路，通過交表電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)原理來監(jiān)測(cè)電流變化。使用FBG的波長(zhǎng)表征磁場(chǎng)變化，從而實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。對(duì)傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，隨著電流強(qiáng)度的加大，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，且具有良好的響應(yīng)；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明，傳感器在0～100Hz范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)交流電流的變化。該研究為電流的準(zhǔn)確檢測(cè)提供了一種新的方法。

［1]陳銘明，盧樹峰，包玉樹，等.光學(xué)電流互感器實(shí)時(shí)誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.江蘇電機(jī)工程，2013，32（2）：47 -49.

［2]秦冉，王倩倩，楊世海，等.全光纖電流互感器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差特性研究［J］.江蘇電機(jī)工程，2013，32（2）：7-9.

［3]Sedlar M，Paulicka I，Sayer M.Optical fiber magnetic field sensors with ceramic magnetostrictive jackets［J］. Applied Optics，1996，35（27）：5340-5344.

［4]張碧蕓.基于光纖光柵的磁力軸承磁場(chǎng)傳感與測(cè)量系統(tǒng)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

［5]張健，及洪泉，遠(yuǎn)振海，等.光學(xué)電流互感器及其應(yīng)用評(píng)述［J］.高壓電技術(shù)，2007，33（5）：32-36.

［6]Satpathi D，Moore J A，Ennis M G.Design of a Terfenol-D Based Fiber-Optic Current Transducer［J］. IEEE Sensors Journal，2005，5（5）：1057-1065.

［7]Reilly D，Willshire A J，F(xiàn)usiek G，et al.A fiberbragg-grating-based sensor for simultaneous ac current and temperature measurement［J］.IEEE Sensors Jounal，2006，6（6）：1539-1542.

［8]熊燕玲，趙洪，張劍，等.基于超磁致伸縮材料的光纖光柵交流電流傳感系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：16-19.

［9]易本順，胡瑞敏，朱子碧，等.磁致伸縮調(diào)制型光纖Bragg光柵的溫度補(bǔ)償方法［J］.中國(guó)激光，2002，29 （12）：1085-1088.

FBG Current Sensing System Based on Giant Magnetostrictive Material

CHEN Xiao1，2，YI Yong-xian1，2，F(xiàn)AN Jie1，2，ZHOU Yu1，2，JIANG Ming-shun3，SUI Qing-mei3
（1.Jiangsu Electric Power Company Research Institute，Nanjing 211103，China； 2.State Grid Key Laboratory of Electric Power Metrology，Nanjing 211103，China； 3.School of Control Science and Engineering，Jinan 250061，China）

The current sensor based on Giant Magnetostrictive Material（GMM）and Fiber Bragg Grating（FBG）has the advantages of optical current sensor.In this paper，a sensor probe is formed by combining FBG and GMM using home-made epoxy glue.The static operation point of sensor is changed by adding a bias magnetic field.Ferrite material with good high-frequency performance is used as magnetism-guided loop to confine and send the magnetic field into the sensor probe.The magnetic field is generated by the alternating current.Then the change of current is turned into the wavelength shift of FBG.Thus the current measurement can be realized through the FBG demodulation system.Static and dynamic responses of the sensor are tested experimentally.The experimental result shows that the proposed method can effectively measure the current.

current sensor；giant magnetostrictive material；fiber Bragg grating

TN256

A

1005-8788（2016）02-0050-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.016

2015-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61174018）；山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2014YQ009）

陳霄（1985-），男，江蘇連云港人。工程師，博士，主要從事新型檢測(cè)技術(shù)和電力計(jì)量方面的研究。