楊玉強(qiáng)，楊　群，葛　偉，張換男

(哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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溫度自動(dòng)補(bǔ)償超磁致伸縮材料布拉格光柵光纖電流傳感器

楊玉強(qiáng)*，楊群，葛偉，張換男

(哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于超磁致伸縮材料，提出了一種傳感光纖光柵(S-FBG)和參考光纖光柵(A-FBG)相結(jié)合的溫度自動(dòng)補(bǔ)償全光纖交流電流傳感器。此傳感器將傳感光纖光柵和參考光纖光柵級(jí)聯(lián)呈"十字形"后粘貼在超磁致伸縮材料上，然后將其置于聚磁回路狹縫內(nèi)；同時(shí)控制傳感光纖光柵的徑向與磁場(chǎng)方向相同，而參考光纖光柵的徑向與磁場(chǎng)方向相反。最后，將S-FBG的中心波長(zhǎng)置于A-FBG反射譜的邊帶上，通過(guò)檢測(cè)兩光纖光柵級(jí)聯(lián)反射光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)了電流測(cè)量及溫度自動(dòng)補(bǔ)償。選用3 dB譜寬分別為0.23 nm和0.08 nm的A-FBG和S-FBG進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：有效安匝電流為1.0～138.2 A時(shí)，該傳感器可實(shí)現(xiàn)線性測(cè)量，線性度為0.996 3，測(cè)量靈敏度為16.0 mV/A，最小可測(cè)有效安匝電流為1.0 A。

光纖電流傳感器；光纖布拉格光柵；超磁致伸縮材料；溫度補(bǔ)償

1　引　言

隨著電力系統(tǒng)電流等級(jí)的逐年提高，基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)電磁式電流互感器無(wú)論從安全生產(chǎn)還是精確計(jì)量方面都難以再滿足現(xiàn)階段的行業(yè)需求。所以探索新的傳感方式實(shí)現(xiàn)高等級(jí)電流檢測(cè)成為了研究熱點(diǎn)，特別是光纖電流傳感技術(shù)是熱點(diǎn)中的焦點(diǎn)[1-17]。

光纖電流傳感器不但具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且不受電磁干擾的影響，更難能可貴的是其本質(zhì)絕緣、無(wú)易燃易爆等安全問(wèn)題。根據(jù)實(shí)現(xiàn)途徑，光纖電流傳感器主要分為基于Faraday效應(yīng)和基于超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)兩種類型?；贔araday效應(yīng)的光纖電流傳感器具有絕緣性好、測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，但存在光纖Verdet常數(shù)偏低和光纖雙折射難以克服的問(wèn)題[18-20]?；贕MM的光學(xué)電流傳感器是電流傳感技術(shù)的新嘗試，它將GMM材料的超磁致伸縮和寬頻相應(yīng)特性與光纖器件有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用潛能巨大，特別是將GMM與光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)相結(jié)合的GMM-FBG電流傳感器。

目前，對(duì)GMM-FBG的研究主要集中在電流和溫度的交叉敏感問(wèn)題上。2000年，Mora等人將輔助FBG粘貼在與GMM材料具有相同熱膨脹系數(shù)的Monel 400合金上實(shí)現(xiàn)了電流和溫度的同時(shí)測(cè)量[21]。2003年，Chiang等人將單根FBG粘貼在GMM和Monel 400兩種金屬上實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)補(bǔ)償[22]。2006年，Reilly等人通過(guò)反饋控制靜態(tài)工作點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了與溫度無(wú)關(guān)的交流電流測(cè)量[23]。2013年，Zhao等人提出了雙磁路系統(tǒng)，利用雙磁路內(nèi)兩FBG應(yīng)變相反的特點(diǎn)解決了電流和溫度的交叉敏感問(wèn)題[24]。

本文提出了一種將GMM傳感光纖光柵(S-FBG)和參考光纖光柵(A-FBG)相結(jié)合的GMM-FBG交流電流傳感器。此傳感器將S-FBG與A-FBG級(jí)聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM材料上置于聚磁回路狹縫內(nèi)，且S-FBG和A-FBG的徑向分別與磁場(chǎng)方向平行和垂直，實(shí)現(xiàn)了對(duì)S-FBG的選擇性調(diào)制。將S-FBG的中心波長(zhǎng)置于A-FBG的光譜邊帶上，采用強(qiáng)度解調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)了電流測(cè)量及溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

2　傳感器原理

GMM-FBGs電流傳感器的原理如圖1所示，傳感光柵(S-FBG)和參考光柵(A-FBG)經(jīng)兩耦合器串聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM棒上置于聚磁回路內(nèi)，聚磁回路將通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)加載到GMM棒上，利用GMM材料的磁滯伸縮特性將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為FBG的波長(zhǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到波長(zhǎng)信號(hào)的調(diào)制。如圖2磁力線仿真結(jié)果所示，S-FBG的徑向與磁場(chǎng)方向相同，而A-FBG的徑向與磁場(chǎng)方向垂直。根據(jù)磁致伸縮原理，S-FBG受磁場(chǎng)的調(diào)制作用，其波長(zhǎng)隨磁場(chǎng)的變化而變化；A-FBG不受磁場(chǎng)的調(diào)制作用，其波長(zhǎng)不隨磁場(chǎng)的變化而變化。此外，如圖1(c)所示，S-FBG的譜寬明顯小于A-FBG且其中心波長(zhǎng)位于A-FBG光譜的邊帶上。當(dāng)兩FBG的波長(zhǎng)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，經(jīng)兩FBG的光強(qiáng)就會(huì)產(chǎn)生變化，本傳感器通過(guò)探測(cè)此變化實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。由于兩FBG對(duì)溫度的響應(yīng)相同且處于相同溫度環(huán)境下，因此，溫度變化不會(huì)使兩FBG產(chǎn)生波長(zhǎng)漂移，即不會(huì)改變經(jīng)兩FBG后的光強(qiáng)。

圖1　GMM-FBGs電流傳感器原理圖Fig.1　Schematic map of GMM-FBGs current sensor

圖2　磁路磁力線仿真Fig.2　Magnetic force line in magnetic circuit

圖3　FBG應(yīng)變和波長(zhǎng)隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系Fig.3　Strain and wavelength versus magnetic field

在磁場(chǎng)作用下，S-FBG中心波長(zhǎng)的變化ΔλSFBG可表示為：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0ε,

(1)

其中：Pe為彈光系數(shù)，ε為GMM材料的應(yīng)變。ε與所加磁場(chǎng)H的關(guān)系可表示為：

ε=A1H2+A2H4,

(2)

其中：A1和A2為常數(shù)。由于ε為H的偶函數(shù)，因此輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，如圖3所示。為了消除倍頻現(xiàn)象，這里給磁路加載了偏置電流I0(在GMM材料處產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)H0)，使GMM材料的靜態(tài)工作點(diǎn)由原點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)Q(H0,λ0,ε0)，ε0為偏置磁場(chǎng)H0引起的GMM材料的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)S-FBG的中心波長(zhǎng)λ0。

在線性范圍內(nèi)，F(xiàn)BG應(yīng)變?chǔ)排c被測(cè)電流I的關(guān)系可表示為：

ε=k1H=αk1I,

(3)

其中：k1為曲線斜率，與GMM材料的磁致特性有關(guān)；α為電流到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化率，與磁路導(dǎo)磁性能有關(guān)。

將式(3)代入式(1)得：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0αk1I.

(4)

式(4)表明：S-FBG的中心波長(zhǎng)隨被測(cè)電流在一定范圍內(nèi)呈線性變化，變化斜率與GMM材料的磁致特性及磁路導(dǎo)磁性能有關(guān)。

如圖1所示，ASE光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)S-FBG和A-FBG反射后由光電探測(cè)器接收，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。由于S-FBG的譜寬明顯小于A-FBG，當(dāng)S-FBG置于A-FBG的邊帶上時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電壓為:

ΔU=βk2(ΔλH+ΔλT),

(5)

其中:k2為A-FBG邊帶的斜率，β為光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)化系數(shù)，ΔλH和ΔλT分別為磁場(chǎng)和溫度變化引起的S-FBG和A-FBG中心波長(zhǎng)的相對(duì)變化。由于S-FBG和A-FBG具有相同的溫度響應(yīng)且處于相同的溫度環(huán)境下，因此ΔλT=0。由于A-FBG對(duì)磁場(chǎng)不響應(yīng)，因此ΔλH=ΔλSFBG。將以上關(guān)系及式(4)代入式(5)得:

ΔU=(1-Pe)k1k2αβλ0I.

(6)

式(6)表明：此傳感器的輸出電壓與電流成正比，而與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)；電流測(cè)量靈敏度與GMM材料的磁致伸縮曲線斜率k1和A-FBG邊帶斜率k2呈正比，同時(shí)受光纖的彈光系數(shù)Pe、磁路的導(dǎo)磁特性參數(shù)α、光電探測(cè)器性能參數(shù)β的影響。

3　實(shí)驗(yàn)及仿真分析

本實(shí)驗(yàn)選用的A-FBG和S-FBG的3 dB譜寬分別為0.23 nm和0.08 nm。當(dāng)傳感器處于靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)兩FBGs的反射譜如圖4所示，兩FBGs的中心波長(zhǎng)分別為1 549.477 nm和1 549.615 nm，間隔為0.138 nm，此時(shí)A-FBG的中心波長(zhǎng)處于S-FBG反射譜線性區(qū)的中心。S-FBG反射譜線性區(qū)的線性度為0.997 0，譜寬為0.095 nm。實(shí)驗(yàn)中所用螺線管W1和W2的匝數(shù)分別為235和470，琺瑯電阻R為5 Ω，螺線管W1的阻值為1 Ω，螺線管W2的阻值為2 Ω。

圖4　靜態(tài)工作點(diǎn)S-FBG和A-FBG的光譜Fig.4　Spectra of S-FBG and A-FBG at quiescent point respectively

傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)的選取既要考慮S-FBG中心波長(zhǎng)隨電流的變化關(guān)系，又要考慮S-FBG與A-FBG光譜的相互關(guān)系。當(dāng)傳感器處于最佳靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，S-FBG的中心波長(zhǎng)位于λ-I曲線線性區(qū)的中心，同時(shí)位于A-FBG反射譜邊帶的中心。為了確定最佳靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏置電流I0，實(shí)驗(yàn)給出了S-FBG波長(zhǎng)隨螺線管安匝電流nI(n=470)的變化曲線，如圖5所示。安匝電流在0～262 A變化較為緩慢，呈非線性；安匝電流在262～1 138 A，S-FBG的波長(zhǎng)近似呈線性變化，線性度為R2=0.998 4，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化約為220 pm，測(cè)量靈敏度為0.25 pm/A；安匝電流大于1 138 A時(shí)，S-FBG中心波長(zhǎng)呈非線性變化，且變化緩慢，此時(shí)磁路接近飽和狀態(tài)。由圖5還可以看出，線性區(qū)中心對(duì)應(yīng)的安匝電流為700 A，因此傳感器最佳靜態(tài)工作點(diǎn)的安匝電流為700 A。圖6給出了不同偏置電流情況下且被測(cè)交流電流有效值為130 A時(shí)，示波器的輸出波形。從圖中可以看出，當(dāng)偏置電流偏小時(shí)(nI0=600 A)，示波器輸出波形的下邊沿失真；當(dāng)偏置電流偏大時(shí)(nI0=800 A)，示波器輸出波形的上邊沿失真；當(dāng)偏置電流最佳時(shí)(nI0=700 A)，示波器輸出波形的上下邊沿都不失真。此外，圖6(a)和圖6(b)中波形的失真部分都有前沿變形較小，后延變形嚴(yán)重的特點(diǎn)，這是由磁滯伸縮材料的磁滯現(xiàn)象造成的。如圖7所示，磁滯迴線上升沿的線性度明顯好于下降沿，從而造成了圖6(a)和圖6(b)中波形的失真部分都有前沿變形較小的現(xiàn)象。

圖5　S-FBG和A-FBG波長(zhǎng)隨電流的變化曲線Fig.5　Wavelengths of S-FBG and A-FBG versus applied current respectively

(a) nI0=600 A　　(b) nI0=800 A　　(c) nI0=700 A圖6　不同偏置電流情況下輸出的電壓波形Fig.6　Output voltage waveforms for different bias currents

(a) nI0=0　　　(b)nI0=700 A圖7　超磁致伸縮材料的磁滯迴線Fig.7　Magnetic hysteresis loops of giant magnetostrictive material

圖8為兩FBG中心波長(zhǎng)隨溫度的變化曲線。當(dāng)溫度由26～39 ℃逐漸增加時(shí)，兩FBG的中心波長(zhǎng)逐漸增大，且增大的幅值相同。此結(jié)果證明兩FBG對(duì)溫度具有相同的響應(yīng)。即使兩光柵的溫度響應(yīng)略有差異也不會(huì)對(duì)交流電流的測(cè)量靈敏度產(chǎn)生影響，因?yàn)橄鄬?duì)于被測(cè)交流信號(hào)，溫度為緩變信號(hào)，它只會(huì)使示波器的輸出交流信號(hào)上下移動(dòng)，而不會(huì)改變輸出交流信號(hào)的峰峰值。

圖8　S-FBG和A-FBG對(duì)溫度的響應(yīng)曲線Fig.8　Response curves of S-FBG and A-FBG to temperature

圖9　當(dāng)nI0=700 A時(shí)，輸出電壓隨輸入電流的變化Fig.9　Output voltage versus input current for nI0=700 A

(a)輸入電流信號(hào)(a)Input current signals

(b)輸出電壓信號(hào)(b)Output voltage signals圖10　最小可測(cè)交流電流及其輸出電壓波形Fig.10　Waveforms of minimum input current and its output voltage

最佳偏置電流條件下(nI0=700 A)，示波器輸出電壓隨被測(cè)交流電流的變化曲線如圖9所示。當(dāng)交流有效安匝電流nIeff在1.0～138.2 A內(nèi)變化時(shí)，示波器輸出電壓隨被測(cè)電流近似呈線性變化，線性擬合度為0.996 3，電流測(cè)量靈敏度為16.0 mV/A。

圖10為該交流電流傳感器的最小可測(cè)有效安匝電流及其輸出電壓信號(hào)。對(duì)比圖10中的兩圖可知，輸入的電流信號(hào)與輸出的電壓信號(hào)之間的相位差為π，這是由于傳感光柵位于輔助光柵的下降沿造成的。此外，盡管被測(cè)有效安匝電流1.0 A的輸出波形噪聲較大，但是通過(guò)擬合的方式仍然可以還原出正弦輸出信號(hào)，因此，該交流電流傳感器的最小可測(cè)安匝電流為1.0 A。

圖11　線性響應(yīng)范圍內(nèi)最大被測(cè)交流電流及其輸出電壓波形Fig.11　Waveforms of maximum input current in linear range and its output voltage

線性測(cè)量范圍內(nèi)的最大有效安匝電流為138.2 A(見(jiàn)圖9)，該電流及其輸出波形如圖11所示。由圖11可知，正弦擬合曲線與示波器輸出電壓曲線吻合得較好，只是在波形頂端略有差異。為了能夠更加清晰地看出兩者之間的差異，本文將波形頂端進(jìn)行了放大，結(jié)果如圖12所示。圖12表明：傳感器輸出波形的上升沿與擬合曲線吻合得較好，而下降沿則擬合較差，導(dǎo)致兩波形的峰值略有差異，其值為0.04 V，據(jù)此可計(jì)算出此峰值誤差為2.2%。上述波形畸變是GMM材料的磁滯現(xiàn)象造成的。因?yàn)榇艤捑€上升沿和下降沿的線性度不同，上升沿的線性度明顯優(yōu)于下降沿。由于磁滯現(xiàn)象隨被測(cè)電流的增大而增大，因此有效安匝電流在線性變化范圍內(nèi)，磁滯現(xiàn)象引起的畸變峰值誤差小于2.2%。

圖12　輸出波形頂端放大圖Fig.12　Enlargement of top of output waveform

4　結(jié)　論

本文提出了一種溫度自動(dòng)補(bǔ)償型GMM-FBG全光纖交流電流傳感器。此傳感器將S-FBG與A-FBG串聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM材料上置于磁路狹縫內(nèi)，兩FBG的徑向分別與磁場(chǎng)方向平行和垂直。通過(guò)控制兩FBG在磁路中的方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)S-FBG的選擇性調(diào)制。最后，將S-FBG的中心波長(zhǎng)置于A-FBG反射譜的邊帶上，采用強(qiáng)度解調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量和溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：有效安匝電流在1.0～138.2 A，該傳感器可實(shí)現(xiàn)線性測(cè)量，線性度為0.996 3，測(cè)量精度為16.0 mV/A，最小可測(cè)安匝電流為1.0 A。

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楊玉強(qiáng)(1977-)，男，山東平原人，教授，研究生導(dǎo)師，2002年于東北師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2004年，2009年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事自由空間激光通信和光纖傳感技術(shù)方面的研究。E-mail: yuqiangy110@sina.com

楊群(1991-)，女，陜西西安人，碩士研究生，2014年于哈爾濱理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光纖傳感方面的研究。E-mail: yangqun136@163.com

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Temperature compensated GMM-FBG current sensor

YANG Yu-qiang*,YANG Qun, GE Wei, ZHANG Huan-nan

(Institute of Application Science, Harbin University of Science andTechnology,Harbin150080,China)

,E-mail:yuqiangy110@sina.com

Based on Giant Magnetostritive Materials(GMMs), a novel GMM-FBG (Fiber Brager Grating) current sensor with automatic temperature compensation is proposed by combing a sensing fiber Bragg grating (S-FBG) and an auxiliary fiber Bragg grating (A-FBG). The sensor cascades the S-FBG and the A-FBG and pasts them crossly on the GMM bars, then puts them into a magnetic circuit consisted of the ferrites. The radial direction of S-FBG is controlled the same as the direction of magnetic field, and that of the A-FBG is opposite with the former. Finally, the center wavelength of S-FBG is placed in the side-band of A-FBG spectrum, and current measurement and temperature compensation are implemented by detecting the optical intensity variation of cascaded gratings. The experiments are performed by the A-FBG and S-FBG with the 3 dB band width of 0.23 nm and 0.08 nm. The experimental results show that when the ampere-turns-current varies from 1 A to 138.2 A, the sensor can realize the linear measurement, and the goodness of fit is 0.996 3, the sensing sensitivity in the linear range is 16.0 mV/A and the minimum effective ampere-turn is 1.0 A.

optical fiber current sensor; Fiber Bragg Grating(FBG); Giant Magnetostrictive Material(GMM); temperature compensation

2016-05-23；

2016-06-24.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61378029,No.11574065,No.51672062,No,51575149,No,61378003);黑龍江省哈爾濱市青年基金資助項(xiàng)目(No.2015RAYXJ004);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(No.2016QQXJ108,No.2016RAQXJ082)

1004-924X(2016)10-2377-07

TN253

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2377