基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。该电流传感器包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。本发明专利技术基于磁流体的磁控折射率特性得到的磁流体折射率与磁场之间的关系，以及通过研究LPFG的环境折射率敏感特性而得到的LPFG谐振波长的变化与外部介质折射率之间的关系，将LPFG与磁流体相结合，设计的传感器安全绝缘、制作工艺简单、测量精确且灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法
本专利技术涉及光学传感
，尤其涉及一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。
技术介绍
光学电流传感(OpticalCurrentTransformer，OCT)即利用光纤传感技术和光电子学的相关方法来实现电流传感，其基本原理是将电流信息通过传感器转变为光信息，通过对光信息的分析实现对电流的测量。光学电流传感器以其能克服绝缘的问题、成本较低、性能良好、适应于各种恶劣工作环境等特点，比传统的基于电磁式电流传感器具有明显的优越性，成为替代传统电流传感器的绝佳选择。光学电流传感器中的传感元件多采用光纤，光纤是绝缘性极好、耐腐蚀、抗强电磁干扰的材料，它本身的结构简单，制作成本低廉，在安装部署方面，光纤结构轻便，体积小、重量轻，操作灵活，易于布置。中国专利文献CN104764926A公开了一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器及其电流检测方法，该专利申请中的光纤电流传感器主要是采用了套嵌光纤光栅结构，该复合光栅结构是由长周期光栅和布拉格光栅套嵌写入形成，光栅表面镀有发热电极，发热电极与待测电路相连，通过光栅波长对发热电极温度的响应来间接得到电流。该方法首先需要改变原待测电路结构，不利于实际工程的应用；其次，发热电极不耐腐蚀，易受电磁干扰，需要特制的绝缘保护套管，不利于在空间狭小，强电磁等苛刻的工作环境下生存；最后，该方法应用于工程中安全性不高，容易发生事故。
技术实现思路
为解决现有基于光栅的电流传感器不适合空间狭小的工作环境且安全性低的问题，本专利技术提供一种基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器、系统及方法。本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。进一步地，所述磁流体为Fe3O4水基磁流体。本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，包括光源、耦合器、传感探头、第一光谱分析仪、第二光谱分析仪和上位机，光源和第一光谱分析仪通过光纤连接耦合器的输入端，耦合器的输出端通过光纤连接传感探头的一端，传感探头的另一端通过光纤连接第二光谱分析仪，第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输出端均与上位机电连接，所述传感探头采用上述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。进一步地，所述光源采用ASE光源。本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的制作方法，包括：步骤1：选取毛细管，所述毛细管的两端开口，在所述毛细管的管身上方的两端分别开设第一孔和第二孔；步骤2：将光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅沿毛细管轴线方向从毛细管的一端贯穿至毛细管的另一端，使光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外；步骤3：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅进行固定；步骤4：将磁流体通过所述第一孔注入毛细管内，同时通过所述第二孔排出毛细管中的空气；步骤5：密封所述第一孔和所述第二孔，至此形成基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统的电流传感方法，包括：步骤1：将传感探头置于待测电路产生的磁场中；步骤2：使光源发出的光束通过耦合器分成第一路光束和第二路光束；步骤3：使第一路光束进入传感探头的光纤布拉格光栅，使第二路光束进入传感探头的长周期光纤光栅；步骤4：利用第一光谱分析仪对光纤布拉格光栅反射回的第一路光束进行波长解调，得到第一波长信息，利用第二光谱分析仪对长周期光纤光栅透射的第二路光束进行波长解调，得到第二波长信息；步骤5：通过上位机接收第一波长信息和第二波长信息，并利用第一波长信息对第二波长信息进行温度补偿，得到补偿后的第二波长信息；步骤6：根据补偿后的第二波长信息和预先标定的电流与波长关系得到电流信息。本专利技术的有益效果：1、安全绝缘：本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的传感结构主要由光纤构成，光纤具有绝缘、耐腐蚀、耐高温的特点，能适应高电压强磁场的复杂环境。2、制作工艺简单：本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器结构简单，其制作方法也很简单，对制作工艺要求难度低，有利于批量生产。3、灵敏度高：本专利技术提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器是基于磁流体的磁控折射率特性和长周期光纤光栅的谐振波长对环境折射率敏感的特性进行电流检测的，其中磁流体折射率对电流磁场的变化非常敏感，长周期光栅对环境折射率敏感，所以本专利技术的传感器对电流变化的灵敏度很高。4、测量精确：本专利技术提供的传感器还利用了光纤布拉格光栅的中心波长对温度敏感的特性，利用光纤布拉格光栅作为温度补偿结构，提高了传感器测量结果的准确性。5、成本低廉：本专利技术的传感结构由光纤、磁流体、毛细玻璃管构成，而光纤、磁流体和毛细玻璃管成本低廉且容易获取，因此传感器整体的成本较低。6、环境适应性强：本专利技术提供的传感器体积微小，易于在空间狭小、环境复杂的条件下进行安装；并且传感器通过两端的光纤与外部器件连接，其中光纤可长距离传输，因此本专利技术提供的传感器可以实现远距离测量电流的目的。7、应用前景广阔：本专利技术提供的电流传感器、系统及方法可以适用于多应用场合的电力设备，特别是应用于化工厂、石油管道、汽车装备、电厂等等恶劣环境中的电力设备。附图说明图1为本专利技术实施例提供的LPFG谐振波长与环境折射率的关系示意图；图2为本专利技术实施例提供的LPFG和FBG的波长与温度之间的关系示意图；图3为本专利技术实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器中的光栅栅区分布示意图；图5为本专利技术实施例提供的在毛细管的管身上方开设第一孔和第二孔的示意图；图6为本专利技术实施例提供的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。LPFG：LongPeriodFiberGrating，长周期光纤光栅；FBG：FiberBraggGrating，光纤布拉格光栅；OSA：OpticalSpectrumAnalyzer，光谱分析仪；磁流体的磁控折射率特性是指磁流体的折射率受磁场的影响，能随外加磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，其特征在于，包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。/n

【技术特征摘要】
1.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，其特征在于，包括：毛细管、长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅；所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述长周期光纤光栅的栅区和所述光纤布拉格光栅的栅区并排分布在所述毛细管内中部，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光栅的两端均伸出毛细管外。


2.根据权利要求1所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器，其特征在于，所述磁流体为Fe3O4水基磁流体。


3.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，包括光源、耦合器、传感探头、第一光谱分析仪、第二光谱分析仪和上位机，其特征在于，光源和第一光谱分析仪通过光纤连接耦合器的输入端，耦合器的输出端通过光纤连接传感探头的一端，传感探头的另一端通过光纤连接第二光谱分析仪，第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输出端均与上位机电连接，所述传感探头采用如权利要求1所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器。


4.根据权利要求3所述的基于磁流体与光栅的新型光学电流传感系统，其特征在于，所述光源采用ASE光源。


5.基于磁流体与光栅的新型光学电流传感器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：选取毛细管，所述毛细管的两端开口，在所述毛细管的管身上方的两端分别开设第一孔和第二孔；
步骤2：将光纤布拉格光栅和长...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈海涛，张锦龙，韩磊，荆雅洁，董志猛，樊琳琳，张峰，时欢，
申请(专利权)人：河南大学，中电普瑞电力工程有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41