温度自动补偿超磁致伸缩材料布拉格光栅光纤电流传感器

杨玉强，杨　群，葛　伟，张换男

(哈尔滨理工大学 应用科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080)



温度自动补偿超磁致伸缩材料布拉格光栅光纤电流传感器

杨玉强*，杨群，葛伟，张换男

(哈尔滨理工大学 应用科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

基于超磁致伸缩材料，提出了一种传感光纤光栅(S-FBG)和参考光纤光栅(A-FBG)相结合的温度自动补偿全光纤交流电流传感器。此传感器将传感光纤光栅和参考光纤光栅级联呈"十字形"后粘贴在超磁致伸缩材料上，然后将其置于聚磁回路狭缝内；同时控制传感光纤光栅的径向与磁场方向相同，而参考光纤光栅的径向与磁场方向相反。最后，将S-FBG的中心波长置于A-FBG反射谱的边带上，通过检测两光纤光栅级联反射光强的变化实现了电流测量及温度自动补偿。选用3 dB谱宽分别为0.23 nm和0.08 nm的A-FBG和S-FBG进行了实验测试，结果表明：有效安匝电流为1.0～138.2 A时，该传感器可实现线性测量，线性度为0.996 3，测量灵敏度为16.0 mV/A，最小可测有效安匝电流为1.0 A。

光纤电流传感器；光纤布拉格光栅；超磁致伸缩材料；温度补偿

1　引　言

随着电力系统电流等级的逐年提高，基于电磁感应原理的传统电磁式电流互感器无论从安全生产还是精确计量方面都难以再满足现阶段的行业需求。所以探索新的传感方式实现高等级电流检测成为了研究热点，特别是光纤电流传感技术是热点中的焦点[1-17]。

光纤电流传感器不但具有体积小、重量轻的优点，而且不受电磁干扰的影响，更难能可贵的是其本质绝缘、无易燃易爆等安全问题。根据实现途径，光纤电流传感器主要分为基于Faraday效应和基于超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)两种类型。基于Faraday效应的光纤电流传感器具有绝缘性好、测量范围大的优点，但存在光纤Verdet常数偏低和光纤双折射难以克服的问题[18-20]。基于GMM的光学电流传感器是电流传感技术的新尝试，它将GMM材料的超磁致伸缩和宽频相应特性与光纤器件有机结合，应用潜能巨大，特别是将GMM与光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)相结合的GMM-FBG电流传感器。

目前，对GMM-FBG的研究主要集中在电流和温度的交叉敏感问题上。2000年，Mora等人将辅助FBG粘贴在与GMM材料具有相同热膨胀系数的Monel 400合金上实现了电流和温度的同时测量[21]。2003年，Chiang等人将单根FBG粘贴在GMM和Monel 400两种金属上实现了温度自动补偿[22]。2006年，Reilly等人通过反馈控制静态工作点的方式实现了与温度无关的交流电流测量[23]。2013年，Zhao等人提出了双磁路系统，利用双磁路内两FBG应变相反的特点解决了电流和温度的交叉敏感问题[24]。

本文提出了一种将GMM传感光纤光栅(S-FBG)和参考光纤光栅(A-FBG)相结合的GMM-FBG交流电流传感器。此传感器将S-FBG与A-FBG级联后呈“十字形”粘贴在GMM材料上置于聚磁回路狭缝内，且S-FBG和A-FBG的径向分别与磁场方向平行和垂直，实现了对S-FBG的选择性调制。将S-FBG的中心波长置于A-FBG的光谱边带上，采用强度解调的方式实现了电流测量及温度自动补偿。

2　传感器原理

GMM-FBGs电流传感器的原理如图1所示，传感光栅(S-FBG)和参考光栅(A-FBG)经两耦合器串联后呈“十字形”粘贴在GMM棒上置于聚磁回路内，聚磁回路将通电螺线管产生的磁场加载到GMM棒上，利用GMM材料的磁滞伸缩特性将电流信号转化为FBG的波长信号，实现电流信号到波长信号的调制。如图2磁力线仿真结果所示，S-FBG的径向与磁场方向相同，而A-FBG的径向与磁场方向垂直。根据磁致伸缩原理，S-FBG受磁场的调制作用，其波长随磁场的变化而变化；A-FBG不受磁场的调制作用，其波长不随磁场的变化而变化。此外，如图1(c)所示，S-FBG的谱宽明显小于A-FBG且其中心波长位于A-FBG光谱的边带上。当两FBG的波长产生相对移动时，经两FBG的光强就会产生变化，本传感器通过探测此变化实现电流测量。由于两FBG对温度的响应相同且处于相同温度环境下，因此，温度变化不会使两FBG产生波长漂移，即不会改变经两FBG后的光强。

图1　GMM-FBGs电流传感器原理图Fig.1　Schematic map of GMM-FBGs current sensor

图2　磁路磁力线仿真Fig.2　Magnetic force line in magnetic circuit

图3　FBG应变和波长随磁场的变化关系Fig.3　Strain and wavelength versus magnetic field

在磁场作用下，S-FBG中心波长的变化ΔλSFBG可表示为：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0ε,

(1)

其中：Pe为弹光系数，ε为GMM材料的应变。ε与所加磁场H的关系可表示为：

ε=A1H2+A2H4,

(2)

其中：A1和A2为常数。由于ε为H的偶函数，因此输出信号会出现倍频现象，如图3所示。为了消除倍频现象，这里给磁路加载了偏置电流I0(在GMM材料处产生偏置磁场H0)，使GMM材料的静态工作点由原点移动到点Q(H0,λ0,ε0)，ε0为偏置磁场H0引起的GMM材料的应变，对应S-FBG的中心波长λ0。

在线性范围内，FBG应变ε与被测电流I的关系可表示为：

ε=k1H=αk1I,

(3)

其中：k1为曲线斜率，与GMM材料的磁致特性有关；α为电流到磁场的转化率，与磁路导磁性能有关。

将式(3)代入式(1)得：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0αk1I.

(4)

式(4)表明：S-FBG的中心波长随被测电流在一定范围内呈线性变化，变化斜率与GMM材料的磁致特性及磁路导磁性能有关。

如图1所示，ASE光源发出的宽带光经S-FBG和A-FBG反射后由光电探测器接收，实现光信号到电信号的转化。由于S-FBG的谱宽明显小于A-FBG，当S-FBG置于A-FBG的边带上时，光电探测器的输出电压为:

ΔU=βk2(ΔλH+ΔλT),

(5)

其中:k2为A-FBG边带的斜率，β为光电探测器的光电转化系数，ΔλH和ΔλT分别为磁场和温度变化引起的S-FBG和A-FBG中心波长的相对变化。由于S-FBG和A-FBG具有相同的温度响应且处于相同的温度环境下，因此ΔλT=0。由于A-FBG对磁场不响应，因此ΔλH=ΔλSFBG。将以上关系及式(4)代入式(5)得:

ΔU=(1-Pe)k1k2αβλ0I.

(6)

式(6)表明：此传感器的输出电压与电流成正比，而与环境温度无关；电流测量灵敏度与GMM材料的磁致伸缩曲线斜率k1和A-FBG边带斜率k2呈正比，同时受光纤的弹光系数Pe、磁路的导磁特性参数α、光电探测器性能参数β的影响。

3　实验及仿真分析

本实验选用的A-FBG和S-FBG的3 dB谱宽分别为0.23 nm和0.08 nm。当传感器处于静态工作点时两FBGs的反射谱如图4所示，两FBGs的中心波长分别为1 549.477 nm和1 549.615 nm，间隔为0.138 nm，此时A-FBG的中心波长处于S-FBG反射谱线性区的中心。S-FBG反射谱线性区的线性度为0.997 0，谱宽为0.095 nm。实验中所用螺线管W1和W2的匝数分别为235和470，珐琅电阻R为5 Ω，螺线管W1的阻值为1 Ω，螺线管W2的阻值为2 Ω。

图4　静态工作点S-FBG和A-FBG的光谱Fig.4　Spectra of S-FBG and A-FBG at quiescent point respectively

传感器静态工作点的选取既要考虑S-FBG中心波长随电流的变化关系，又要考虑S-FBG与A-FBG光谱的相互关系。当传感器处于最佳静态工作点时，S-FBG的中心波长位于λ-I曲线线性区的中心，同时位于A-FBG反射谱边带的中心。为了确定最佳静态工作点对应的偏置电流I0，实验给出了S-FBG波长随螺线管安匝电流nI(n=470)的变化曲线，如图5所示。安匝电流在0～262 A变化较为缓慢，呈非线性；安匝电流在262～1 138 A，S-FBG的波长近似呈线性变化，线性度为R2=0.998 4，对应的波长变化约为220 pm，测量灵敏度为0.25 pm/A；安匝电流大于1 138 A时，S-FBG中心波长呈非线性变化，且变化缓慢，此时磁路接近饱和状态。由图5还可以看出，线性区中心对应的安匝电流为700 A，因此传感器最佳静态工作点的安匝电流为700 A。图6给出了不同偏置电流情况下且被测交流电流有效值为130 A时，示波器的输出波形。从图中可以看出，当偏置电流偏小时(nI0=600 A)，示波器输出波形的下边沿失真；当偏置电流偏大时(nI0=800 A)，示波器输出波形的上边沿失真；当偏置电流最佳时(nI0=700 A)，示波器输出波形的上下边沿都不失真。此外，图6(a)和图6(b)中波形的失真部分都有前沿变形较小，后延变形严重的特点，这是由磁滞伸缩材料的磁滞现象造成的。如图7所示，磁滞迴线上升沿的线性度明显好于下降沿，从而造成了图6(a)和图6(b)中波形的失真部分都有前沿变形较小的现象。

图5　S-FBG和A-FBG波长随电流的变化曲线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图6　不同偏置电流情况下输出的电压波形Fig.6　Output voltage waveforms for different bias currents

(a) nI0=0　　　(b)nI0=700 A图7　超磁致伸缩材料的磁滞迴线Fig.7　Magnetic hysteresis loops of giant magnetostrictive material

图8为两FBG中心波长随温度的变化曲线。当温度由26～39 ℃逐渐增加时，两FBG的中心波长逐渐增大，且增大的幅值相同。此结果证明两FBG对温度具有相同的响应。即使两光栅的温度响应略有差异也不会对交流电流的测量灵敏度产生影响，因为相对于被测交流信号，温度为缓变信号，它只会使示波器的输出交流信号上下移动，而不会改变输出交流信号的峰峰值。

图8　S-FBG和A-FBG对温度的响应曲线Fig.8　Response curves of S-FBG and A-FBG to temperature

图9　当nI0=700 A时，输出电压随输入电流的变化Fig.9　Output voltage versus input current for nI0=700 A

(a)输入电流信号(a)Input current signals

(b)输出电压信号(b)Output voltage signals图10　最小可测交流电流及其输出电压波形Fig.10　Waveforms of minimum input current and its output voltage

最佳偏置电流条件下(nI0=700 A)，示波器输出电压随被测交流电流的变化曲线如图9所示。当交流有效安匝电流nIeff在1.0～138.2 A内变化时，示波器输出电压随被测电流近似呈线性变化，线性拟合度为0.996 3，电流测量灵敏度为16.0 mV/A。

图10为该交流电流传感器的最小可测有效安匝电流及其输出电压信号。对比图10中的两图可知，输入的电流信号与输出的电压信号之间的相位差为π，这是由于传感光栅位于辅助光栅的下降沿造成的。此外，尽管被测有效安匝电流1.0 A的输出波形噪声较大，但是通过拟合的方式仍然可以还原出正弦输出信号，因此，该交流电流传感器的最小可测安匝电流为1.0 A。

图11　线性响应范围内最大被测交流电流及其输出电压波形Fig.11　Waveforms of maximum input current in linear range and its output voltage

线性测量范围内的最大有效安匝电流为138.2 A(见图9)，该电流及其输出波形如图11所示。由图11可知，正弦拟合曲线与示波器输出电压曲线吻合得较好，只是在波形顶端略有差异。为了能够更加清晰地看出两者之间的差异，本文将波形顶端进行了放大，结果如图12所示。图12表明：传感器输出波形的上升沿与拟合曲线吻合得较好，而下降沿则拟合较差，导致两波形的峰值略有差异，其值为0.04 V，据此可计算出此峰值误差为2.2%。上述波形畸变是GMM材料的磁滞现象造成的。因为磁滞迴线上升沿和下降沿的线性度不同，上升沿的线性度明显优于下降沿。由于磁滞现象随被测电流的增大而增大，因此有效安匝电流在线性变化范围内，磁滞现象引起的畸变峰值误差小于2.2%。

图12　输出波形顶端放大图Fig.12　Enlargement of top of output waveform

4　结　论

本文提出了一种温度自动补偿型GMM-FBG全光纤交流电流传感器。此传感器将S-FBG与A-FBG串联后呈“十字形”粘贴在GMM材料上置于磁路狭缝内，两FBG的径向分别与磁场方向平行和垂直。通过控制两FBG在磁路中的方向实现对S-FBG的选择性调制。最后，将S-FBG的中心波长置于A-FBG反射谱的边带上，采用强度解调的方式实现电流测量和温度补偿。实验结果表明：有效安匝电流在1.0～138.2 A，该传感器可实现线性测量，线性度为0.996 3，测量精度为16.0 mV/A，最小可测安匝电流为1.0 A。

[1]YANG M H, DAI J X, ZHOU C M,etal..Optical fiber magnetic field sensors with TbDyFe magnetostrictive thin films as sensing materials[J].OpticsExpress, 2009, 17(23):20777-20782.

[2]ZHENG J, DONG X Y, ZU P,etal.. Intensity-modulated magnetic field sensor based on magnetic fluid and optical fiber gratings[J].AppliedPhysicsLetters, 2013, 103(18): 183511-1-4.

[3]WANG T Y, LUO C M, ZHENG S G. A fiber-optic current sensor based on a differentiating Sagnac interferometer[J].InstrumentationandMeasureme, 2001, 50(3):705-708.

[4]WANG Q, XIA J, LIU X,etal..A novel current sensor based on magnetic fluid and fiber loop cavity ring-down technology[J].IEEESensorsJournal, 2015, 15(11):6192-6198.

[5]ZHENG J, DONG X Y, ZU P,etal.. Magnetic field sensor using tilted fiber gating interacting with magnetic fluid[J].OpticsExpress, 2013, 21(15):17863-17868.

[6]LIN W, MIAO Y P, ZHANG H,etal.. Fiber-optic in-line magnetic field sensor based on the magnetic fluid and multimode interference effects[J].AppliedPhysicsLetter,2013, 103:151101.

[7]易本顺，刘延冰，阮芳．光学电流传感器现场运行性能分析[J]．中国电机工程学报．1997，17(2):138-140．YI B SH, LIU Y B, RUAN F. Field performance analysis of optical current transducer[J].ProceedingsoftheCSEE, 1997, 17(2):138-140.(in Chinese)

[8]李超, 徐启峰. 采用晶体劈和成像检测模式的光学电流传感器设计[J]．中国电机工程学报，2015，35(1):74-81．

LI CH，XU Q F．Design of optical current sensor based on crystal wedge and imaging detection mode [J].ProceedingsoftheCSEE, 2015, 35(1):74-81.(in Chinese)

[9]王鹏, 张贵新, 朱小梅, 等. 直线型线圈电流传感器的研究[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(27):44-49.

WANG P, ZHANG G X, ZHU X M,etal..Study on current transducer based on planer coil[J].ProceedingsoftheCSEE, 2007, 27(27):44-49.(in Chinese)

[10]陈攀, 孙才新, 米彦, 等. 一种用于绝缘子泄漏电流在线监测的宽频带微电流传感器的特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(24):144-148.

CHEN P, SUN C X, MI Y,etal..Research of broad bandwidth micro-current sensor character for insulator leakage current monitoring system[J].ProceedingsoftheCSEE, 2005, 25(24):144-148.(in Chinese)

[11]张艳, 陈金玲, 张明明, 等. 一种新型传感结构的光学直流电流传感器[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(3):121-127.

ZHANG Y, CHEN J L, ZHANG M M,etal..Optics direct current sensor with novel sensing structure[J].ProceedingsoftheCSEE, 2009, 29(3):121-127.(in Chinese)

[12]王夏霄, 秦祎, 王野, 等. 光纤电流传感器的延迟光纤偏振串音误差[J]. 光学 精密工程, 2014, 22(11): 2930-2936.

WANG X X, QIN Y, WANG Y,etal..Errors of fiber delay line polarization crosstalk for all fiber optical current sensor[J].Opt.PrecisionEng., 2014, 22(11): 2930-2936.(in Chinese)

[13]李长云, 李庆民, 李贞, 等．直流偏磁条件下电流互感器的传变特性[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(19):127-132.

LI CH Y, LI Q M, LI ZH,etal..Transfer characteristics of current transformers with DC bias[J].ProceedingsoftheCSEE, 2010, 30(19):127-132.(in Chinese)

[14]万代, 钟力生, 于钦学, 等. 直线型、螺线管嵌套型及多光路反射式光纤电流传感器结构设计与仿真[J]. 高电压技术, 2013, 39(11):2678-2685.WAN D, ZHONG L SH, YU Q X,etal..Structure design and simulation study on line, solenoids nested and multiple-reflection optical channels type optical fiber current sensor[J].HighVoltageEngineering, 2013, 39(11):2678-2685.(in Chinese)

[15]周王民, 魏志武, 李文博, 等. 温度不敏感光纤光栅大电流传感器[J]. 高电压技术, 2009, 35(9):2133-2137.

ZHOU W M, WEI ZH W, LI W B,etal..Novel fiber Bragg grating large current sensor insensitive to temperature[J].HighVoltageEngineering, 2009, 35(9):2133-2137.(in Chinese)

[16]余有龙, 叶红安, 刘治国, 等. 光纤光栅电流传感器[J]. 光学学报, 2001, 21(5):586-588.

YU Y L, YE H A, LIU ZH G,etal..Fiber Bragg grating current sensor[J].ActaOpticaSinica, 2001, 21(5):586-588.(in Chinese)

[17]李建中, 李泽仁, 张登洪, 等. 基于开环检测系统的全光纤电流互感器研究[J]. 红外与激光工程, 2014,43(5)：1649-1655.

LI J ZH, LI Z R, ZHANG D H,etal..Open-loop detection of fiber optic current transducer[J].InfraredandLaserEngineering, 2014, 43(5):1649-1655.(in Chinese)

[18]ZHANG P, TANG M, GAO F,etal..An ultra-sensitive magnetic field sensor based on extrinsic fiber-optic Fabry-Perot interferometer and Terfenol-D[J].JournalofLightwaveTechnology, 2015, 33(15):3332-3337.

[19]DUANNI H, SUDHARSANAN S, BOWERS J E.Compact Tb doped fiber optic current sensor with high sensitivity[J].OpticsExpress, 2015, 23(23):29993-29999.

[20]ASEEL M, VISHUN K, AHMED S S,etal..Magnetic-field sensor based on whispering-gallery modes in a photonic crystal fiber infiltrated with magnetic fluid magnetic-field sensor[J].OpticsLetters, 2015, 40(21):4983-4986.

[21]MORA J, DIEZ A, CRUZ J L,etal..A magnetostrictive sensor interrogated by fiber gratings for DC-current and temperature discrimination[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters, 2000, 12(12):1680-1682.

[22]KIN S C, RAMESH K, VIPUL R. Temperature-compensated fiber-Bragg-grating based magnetostrictive sensor for dc and ac currents[J].OpticalEngnieering, 2003, 42(7):1906-1909.

[23]DEBORAH R, WILLSHIRE A J, GRZEGORZ F,etal..A fiber-bragg-grating-based sensor for simultaneous AC current and temperature measurement[J].IEEESensorsJournal, 2006, 6(6):1539-1542.

[24]ZHAO H, SUN F F, YANG Y Q,etal..A novel temperature-compensated method for FBG-GMM current sensor[J].OpticsCommunications, 2013, 308:64-69.

杨玉强(1977-)，男，山东平原人，教授，研究生导师，2002年于东北师范大学获得学士学位，2004年，2009年于哈尔滨工业大学分别获得硕士、博士学位，主要从事自由空间激光通信和光纤传感技术方面的研究。E-mail: yuqiangy110@sina.com

杨群(1991-)，女，陕西西安人，硕士研究生，2014年于哈尔滨理工大学获得学士学位，主要从事光纤传感方面的研究。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.

国家自然科学基金资助项目(No.61378029,No.11574065,No.51672062,No,51575149,No,61378003);黑龙江省哈尔滨市青年基金资助项目(No.2015RAYXJ004);哈尔滨市科技创新人才项目(No.2016QQXJ108,No.2016RAQXJ082)

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

TN253

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2377