[实用新型]基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感装置，属于光学领域。

背景技术

电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的关键设备，其精度及可靠性与电力系统的安全可靠运行密切相关。随着电力工业的发展，光学电流传感器因其独特优点越来越显现潜在的应用价值，已成为该领域研究热点。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一直没有很好解决，难以实现工程应用。

近年来，光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术成为可靠性最高、实用性最强的光纤传感技术。FBG窄带反射谱的中心波长由FBG的有效折射率和周期决定，仅在栅区对应变和温度敏感，能有效地防止物理量交叉敏感带来的问题。超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)具有伸缩系数大、响应速度快等优点，广泛地应用于换能和驱动。基于GMM磁致伸缩系数大、FBG传感可靠等优点，将GMM与FBG组合(简称为GMM-FBG体系)作为传感器进行电流传感，可能会推进电流传感技术进展。

国际上报道应用GMM-FBG体系实现工频交流传感的研究始于2004年，多集中于温度影响的研究，由于FBG动态信号解调技术的限制，国内相关的研究多限于将GMM-FBG体系暴露于螺线管内的直流磁场内，观察GMM磁致应变导致FBG反射中心波长变化的现象及规律。

温度不变时，中心波长为λ_B的FBG沿轴向应变ε与波长变化量△λ_B关系为

△λ_B=(1-p_e)λ_Bε              （1）

式中p_e为光纤有效光弹系数。该式表明FBG的中心波长会随轴向应变而变。

中心波长为1550nm透射式粗波分复用器件（Coarse Wavelength Division Multiplexer，CWDM）透射波长区的一个边带在4nm波长范围内有40dB的透射率变化，若将CWDM边带曲线在变化最大区域内透射率与波长关系近似为线性关系，FBG的反射谱密度函数近似为高斯曲线函数，入射光通过FBG的反射和CWDM的透射，光强与波长之间关系可表述为线性滤波函数与FBG反射谱密度函数的相关，见图1。当FBG受到扰动时，FBG反射谱中心波长变化△λ_B与通过光电转换系统输出电平变化△U间线性关系为

△U(△λ_B)=GkR₀△λ_B          （2）

式中R₀为FBG峰值反射率，G为光电转换系统增益，k为常数。

将GMM-FBG体系暴露于交变磁场中，交变磁场致GMM的脉动应变被转换成FBG的波长动态变化，由解调器变成电平信号，电平信号中包含了电流信息。

设在待测电流i(t)产生的激励磁场作用下，GMM上产生的应变为ε(i)，则待测电流、FBG中心波长及系统输出电平△U的对应关系为

△U(i)=GkR₀(1-p_e)ε(i)λ_B        （3）

发明内容

本实用新型目的是为了解决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一直没有很好解决，难以实现工程应用的问题，提供了一种基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感装置。

本实用新型所述基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感装置，它包括由多片正方形硅钢片叠成的硅钢磁路部，所述硅钢磁路部的一条边上具有缺口，该缺口的两个端面之间设置GMM棒，GMM棒的任意一端被所述缺口任一端面上设置的四个导磁柱固定；GMM棒与缺口的上端面之间有空隙；

GMM棒的表面设置光纤光栅，光纤光栅连接第一引线光纤和第二引线光纤，第一引线光纤和第二引线光纤向缺口的相反两个方向延伸，分别穿过硅钢磁路部后露出；

在硅钢磁路部上与缺口相对的一条边上绕有导线，所述导线缠绕到硅钢磁路部上，所述导线的两条引出端连接调压器的输出端，调压器的输入端接220V交流电源。