一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明专利技术包括直流异步电机、电机转轴、换向器、电刷、矩形线圈、桥式整流二极管、滤波电容、可变电阻、光纤Bragg光栅、康铜片、聚四氟乙烯、外接引出光纤；其中直流异步电机、电机转轴、换向器和矩形线圈固定在一起，电刷与换向器相接触且电刷的触点通过导线与桥式整流二极管相连，桥式整流二极管的引出端与滤波电容、可变电阻相连，光纤Bragg光栅通过聚四氟乙烯粘接在康铜片上，并与外接引出光纤相连。本发明专利技术可以调节磁场的测量范围大小及传感器的测量灵敏度；电阻不会随温度的变化而变化；抗干扰能力强；结构简单，使用方便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法
本专利技术涉及一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，属于光电子测量

技术介绍
在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研究、磁导航、同位数分离、受控热核反应及人造地球卫星等。随着高压直流输变电的发展，变电站、高压输电线等周围磁场的监测对于电网的安全运行有着重要的意义。为此，电绝缘、抗电磁干扰、全光通信的光纤Bragg光栅磁场传感器成为磁场检测领域一个重要研究方向。与本专利技术专利接近的检测技术是光纤光栅温度电流传感器及其测量装置（参见专利，专利公布号：CN101033990A），该专利技术专利是由光纤光栅和螺线管构成，光纤光栅表面设置有金属导体，由于交变电流在金属导体上涡流发热，通过变化温度的检测，只能实现对交流电流的测量。由于法拉第电磁感应现象是以变化的磁场产生电场，故采用螺线管结构只能是实现对变化磁场的测量，本专利技术设计采用线圈切割，可以实现对匀强磁场的测量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，通过采用直流电机的内部结构原理，利用矩形线圈切割磁场，以用于解决对匀强磁场的测量问题。本专利技术的技术方案是：一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，包括直流异步电机1、电机转轴2、换向器3、电刷4、矩形线圈5、桥式整流二极管6、滤波电容7、可变电阻8、光纤Bragg光栅9、康铜片10、聚四氟乙烯11、外接引出光纤12；其中直流异步电机1、电机转轴2、换向器3和矩形线圈5固定在一起，电刷4与换向器3相接触且电刷4的触点通过导线与桥式整流二极管6相连，桥式整流二极管6的引出端与滤波电容7、可变电阻8相连，光纤Bragg光栅9通过聚四氟乙烯11粘接在康铜片10上，并与外接引出光纤12相连。所述康铜片10上割出矩形方槽，其中矩形方槽内放置光纤Bragg光栅9。一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压U与磁场的大小B的关系；B、根据感应电压U与磁场的大小B的关系及电流做功的平衡关系，得到电流的大小与磁场大小的关系：；C、通过可变电阻将导线输出的电压端接在康铜片上，实现了电能和热能之间的转换，根据电流的热效应，得到电流与温度变化量ΔT的关系：I2Rt=CmΔT；D、通过电流的大小与磁场大小的关系及电流与温度变化量ΔT的关系得到温度变化量ΔT与磁场大小B的关系；E、根据康铜片上的温度发生变化，得到粘接康铜片上的光纤Bragg光栅的中心波长移位量与温度变化量ΔT的关系；通过温度变化量ΔT与磁场大小B的关系及光纤Bragg光栅的中心波长移位量与温度变化量ΔT的关系得到光纤Bragg光栅的中心波长移位量与磁场大小B的关系；其中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，R为康铜片的电阻，t为对康铜片通电加热的时间，C为康铜片的比热容，m为康铜片的质量，ST为传感器的温度系数，为光纤Bragg光栅的中心波长，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。直流驱动电机的转轴与安装换向器与电刷的转轴必须以同轴安装，确保中心旋转在同一方向上，使得同轴的转速传递达到最佳值。本专利技术的工作原理是：通过直流异步电机1的电机转轴2带动矩形线圈5切割磁场，发生电磁感应现象，通过换向器3和电刷4，根据直流异步电机1内部电磁感应原理，将磁场能转换成电能，产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管6的整流，滤波电容7的滤波，通过可变电阻8将导线输出的电压端接在康铜片10上，根据电流的热效应原理，实现了电能和热能之间的转换，当康铜片10上的温度发生变化时，会使得粘接康铜片10上的光纤Bragg光栅9的中心波长发生移位，通过对光纤Bragg光栅9波长移位的测量可以对通过康铜片9上的电流进行实时监测，进而可以得到滤波后的电压值，根据直流发电机内部电磁感应原理和桥式整流电路的数学模型，通过电压与磁场强度关系的换算，可以对磁场进行实时监测。本专利技术的数学模型分析如下：由于在纯电阻电路中，电流做功的平衡关系为：（1）式中，I为对康铜片通电的电流大小，R为康铜片的电阻，t为对康铜片通电加热的时间，U为康铜片上的所加电压大小。根据直流发电机内部电磁感应原理，可以得到同一方向的磁场与感应电压的关系：U=NBSW（2）式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度。经过桥式整流电路整流，电容滤波之后，可以得到磁场的大小B与感应电压U的关系：（3）把式（3）代入式（1），根据电流的热传递，就可以得到电流的大小I与磁场大小B之间的关系：（4）根据电流的热效应，电流做功与产生的热能关系为：I2Rt=CmΔT（5）式中，I为对康铜片通电的电流大小，R为康铜片的电阻，t为对康铜片通电加热的时间，C为康铜片的比热容，m为康铜片的质量，ΔT为康铜片表面温度的变化量。把式（4）代入式（5），可以得到温度的变化量ΔT与所测磁场的大小B之间的关系：（6）由于光纤Bragg光栅反射回来的峰值波长满足：（7）式中，为光纤Bragg光栅的中心波长，neff是有效折射率，是光栅周期。对（7）式进行温度T求导可得：（8）式中，是光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δneff是光纤的弹光效应。（8）式两边除以（7）式，可以得到：（9）式中，ST为传感器的温度系数，为波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。把式（6）代入式（9），可以得到光纤光栅的波长移位量与磁场的大小之间的关系：（10）式（10）表明了磁场传感器实际测量的磁场大小与光纤Bragg光栅的Bragg波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量可以计算出实测磁场的大小。本专利技术的有益效果是：1、通过对可变电阻的电阻调节，可以调节磁场的测量范围大小及传感器的测量灵敏度。2、选用的康铜片，具有较低的电阻温度系数，较宽的温度使用范围，其电阻不会随温度的变化而变化。3、经过桥式整流电路，使输出的电压更加平滑，根据滤波电容的充放电特性，来降低脉动成份。4、对于电流的热效应，考虑到在康铜片上的温度变化和对温度的灵敏程度，经过整流之后的直流电流的测量比交流测量更加容易实现，更能直接反映实时的电流大小，进而更能实时反映磁场的大小。5、抗干扰能力强：采用电绝缘材料光纤Bragg光栅，传输信号为光信号，可以抗电磁干扰，同时，还有减少电火花引燃待测可燃气体气体的作用，减少了安全隐患。光纤Bragg光栅传感器适用于存在电磁干扰情况下的特殊工况下实时测量。6、结构简单，使用方便。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图中各标号：1为直流异步电机、2为电机转轴、3为换向器、4为电刷、5为矩形线圈、6为桥式整流二极管、7为滤波电容、8为可变电阻、9为光纤Bragg光栅、10为康铜片、11为聚四氟乙烯、12为外接引出光纤。具体实施方式实施例1：如图1所示，一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，其特征在于：包括直流异步电机（1）、电机转轴（2）、换向器（3）、电刷（4）、矩形线圈（5）、桥式整流二极管（6）、滤波电容（7）、可变电阻（8）、光纤Bragg光栅（9）、康铜片（10）、聚四氟乙烯（11）、外接引出光纤（12）；其中直流异步电机（1）、电机转轴（2）、换向器（3）和矩形线圈（5）固定在一起，电刷（4）与换向器（3）相接触且电刷（4）的触点通过导线与桥式整流二极管（6）相连，桥式整流二极管（6）的引出端与滤波电容（7）、可变电阻（8）相连，光纤Bragg光栅（9）通过聚四氟乙烯（11）粘接在康铜片（10）上，并与外接引出光纤（12）相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于电流热效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压U与磁场的大小B的关系B、根据感应电压U与磁场的大小B的关系及电流做功的平衡关系，得到电流的大小I与磁场大小B的关系：C、通过可变电阻将导线输出的电压端接在康铜片上，实现了电能和热能之间的转换，根据电流的热效应，得到电流I与温度变化量ΔT的关系：I2Rt＝CmΔT；D、通过电流的大小I与磁场大小B的关系及电流I与温度变化量ΔT的关系得到温度变化量ΔT与磁场大小B的关系E、根据康铜片上的温度发生变化，得到粘接康铜片上的光纤Bragg光栅的中心波长移位量ΔλB与温度变化量ΔT的关系ΔλB＝STλBΔT；通过温度变化量ΔT与磁场大小B的关系及光纤Bragg光栅的中心波长移位量ΔλB与温度变化量ΔT的关系得到光纤Bragg光栅的中心波长移位量ΔλB与磁场大小B的关系其中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，R为康铜片的电阻，t为对康铜片通电加热的时间，C为康铜片的比热容，m为康铜片的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：李川，赵成均，陈富云，王敏吉，庄君刚，赵振刚，谢涛，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：