悬臂梁结构光纤光栅电流传感器的优化

姜明月 贾 磊 姜明顺 曹玉强

(山东大学控制科学与工程学院)

悬臂梁结构光纤光栅电流传感器的优化

姜明月 贾 磊 姜明顺 曹玉强

(山东大学控制科学与工程学院)

针对电力系统对电流测量高精度的要求，设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器。将两根光栅分别粘贴于等腰三角形结构的悬臂梁上下表面，末端永磁体材料振子置于两螺线圈中间。当螺线圈接通电流时，形成的磁场将会引起永磁体振子偏移，进而引起光栅中心波长的变化。采用差分方式建立电流大小与光栅波长变化之间的关系，在提高测量灵敏度的同时消除了温度对测量结果的影响。实验结果表明：在0～5A的范围内，利用光纤光栅波长变化可准确反演待测电流值，与理论计算值相比，误差小于1.2%。

电流传感器 光纤光栅 等强度悬臂梁

随着科技的发展和进步，电力在工业生产和社会生活中占据着越来越重要的位置，对电流检测也提出了更高的要求。传统的基于电磁感应原理的电流传感器存在绝缘困难、温度稳定性差及有油易燃易爆等缺点，难以满足新一代电力系统的要求，因此新型磁场电流传感技术成为当前研究的热点[1，2]。目前研究较多的为基于法拉第效应的光学电流传感器、光纤光栅电流传感器以及采用光纤作为信号传输媒介的Rogowski线圈式电流传感器[3，4]。随着光纤技术的发展，光纤布拉格光栅被广泛地运用于传感系统并对温度、压力、应变及磁场等多种物理量进行测量[5]，与其他类型的传感器相比，该类传感器具有尺寸小、抗电磁干扰性强、灵敏度高及易封装等优点。目前已有众多关于光纤光栅电流传感器的报道[6～8]，李晓瞻通过在光纤光栅表面镀金的方式增加了它的导电性和传热性，实现了对0～40mA电流的测量[9]；王东礼基于磁力耦合原理，运用光纤布拉格光栅与弹性元件相结合作为传感元件，实现了对直导线大电流的测量[10]；王莉将超磁致伸缩材料与光纤光栅相结合，通过建立超磁致伸缩材料磁-热-力耦合特性的非线性模型，实现了对交流电的测量[11]。然而由于金属和磁致伸缩材料本身受温度影响较大，很难获得理想的测量精度。为此，笔者设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器，并通过实验采用双光栅波长变化差分方式建立电流大小与光栅波长变化之间的关系，在提高测量灵敏度的同时消除了温度对测量结果的影响。

1 检测原理

笔者设计的基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器如图1所示，系统主要由粘贴于等强度悬臂梁上下表面的两根光纤光栅、一个下挂永磁体振子及两个螺线管等组成。如图2所示，等强度悬臂梁采用等腰三角形结构，将两根光栅分别沿轴向刚性粘贴于悬臂梁的两侧表面，其振子为永磁体。当螺线管通电时，相对放置的螺线管中间产生同一方向的叠加磁场，永磁体受到磁场力的作用，带动竖直的等强度悬臂梁倾斜，使得粘贴于悬臂梁上下表面的光纤光栅发生形变，进而改变光纤光栅的中心波长。

图1 光纤光栅电流传感器

图2 悬臂梁装置示意图

悬臂梁装置末端的圆形永磁体放置于两螺线管正对区域内的中心，采用Ansoft软件进行磁场分布仿真。两通电线圈相对放置，得到的气隙磁通分布如图3所示，气隙中间位置磁通垂直于螺线管表面，且分布均匀，因此可以判定所形成的磁场力均匀且垂直于永磁体表面。

图3 气隙磁通分布示意图

假定螺线管管长比半径大很多，两个螺线管串联且相对放置，单位长度匝数相同，则永磁体放置位置磁场强度B与线圈中的电流I(即被测电流)的关系为[12]：

B=μ0NI

(1)

式中N——线圈匝数；

μ0——真空磁导率，H/m。

永磁体受力F与B的关系为：

(2)

式中S——永磁体放置在磁场中的面积，m2。

可以看出，永磁体受力F与磁感应强度B的二次方成线性关系。

悬臂梁在永磁力驱动下产生的应变ε可以表示为[9]：

(3)

式中b0——固定端的宽度，m；

E——弹性模量，MPa；

h——厚度，m；

L——长度，m。

可以看出，悬臂梁的轴向应变ε与所受力F成正比关系。

当环境温度不变时，轴向应变ε引起光纤光栅中心波长的漂移值为：

Δλ=kεε

(4)

其中Δλ为波长变化量；kε为应变灵敏度系数，对于波长为1 550nm的光纤光栅其值约为1pm/με[13]。

联立式(1)～(4)，则光纤光栅波长变化量与被测电流的关系为：

(5)

Δλ=KI2

(6)

可以看出，光纤光栅波长变化量与电流的平方成正比。

两光纤光栅的波长变化量大小相等、方向相反且处于同一温度环境下，可采用差分方式建立测量电流与波长变化之间的关系：

|ΔλFBG1-ΔλFBG2|=2KI2

(7)

可以看出，所设计的双光栅悬臂梁式电流传感器不仅能提高测量灵敏度，还解决了温度交叉敏感的问题。

2 实验与结果分析

利用厚度h=0.5mm的碳纤维薄板板材设计等强度悬臂梁，长度L=50mm，固定端宽度b0=10mm，永磁体的直径20mm、长10mm。选择两根光纤光栅，对它施以一定的预应力，采用瞬干胶和环氧胶粘贴于悬臂梁的上下两表面，在室温下的中心波长分别为λFBG1=1552.110nm、λFBG2=1550.101nm。

如图4所示，传感器测试平台由传感器装置、光纤光栅解调仪及计算机等组成。两根螺线管长度均为150mm，左右相对放置，极间距15mm。将两个螺线管用导线串联，并分别接入恒流源的输入、输出端。光纤光栅解调仪选用美国MOI SM125，解调精度1pm，测量范围1 510～1 590nm，采集频率1Hz。解调仪与计算机相连，通过计算机的上位机软件记录光纤光栅反射波长的变化。

图4 传感器测试平台系统

表1 电流与光纤光栅波长偏移的变化数据

(续表1)

将实验中用到的传感器样品参数代入式(7)，计算所得差分波长变化的一半与被测电流大小的关系曲线如图5所示，波长变化实测值与理论值基本吻合。在电流为5.0A时，差分波长变化量一半的理论值为500pm，实测差分波长变化的半值为494pm。可见，在0.0～5.0A的范围内，基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器的测量误差为1.2%。

图5 差分波长偏移量半值与测量电流关系曲线

3 结束语

针对电力系统目前的电流测量问题，设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器。采用差分方式建立电流大小与光栅波长变化之间的关系，在提高测量灵敏度的同时消除了温度对测量结果的影响。实验结果表明，电流在0.0～5.0A的范围时，利用光纤光栅波长变化可准确反演待测电流值，与理论计算值相比误差为1.2%，为现代工业电流的精确测量提供了一种新方法。

[1] 沈兵,张超,陈亮,等.矩形阵列霍尔电流传感器设计及平行导线磁场干扰分析[J].高压电器,2014,(8):57～61.

[2] 李超,徐启峰.集磁式光学电流传感器磁场与温度场耦合分析[J].电网技术,2014,38(10):2858～2866.

[3] 童凯,汪梅婷,李志全.一种新型的Bragg光纤光栅电流传感器的设计[J].光学技术,2006,32(2):260～262.

[4] 张玲.基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器[D].南京:江苏大学,2009.

[5] 余有龙,耿淑伟.用于光纤光栅线性调谐的悬臂梁结构优化[J].光子学报,1998,27(8):714～718.

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[9] 李晓瞻.新型光纤光栅电流传感器的研究[D].北京:北京交通大学,2007.

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[11] 王莉.基于超磁致伸缩材料与光纤光栅的电流传感理论及实验研究[D].石家庄:河北工业大学,2012.

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[13] 黎敏,廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉:武汉大学出版社,2008:124～126.

FiberBraggGratingCurrentSensorOptimizationBasedonCantileverBeamStructure

JIANG Ming-yue, JIA Lei, JIANG Ming-shun, CAO Yu-qiang
(SchoolofControlScienceandEngineering,ShandongUniversity)

Considering the requirements of high-precision current measurement of the power system, a fiber bragg grating(FBG) current sensor based on the constant strength cantilever beam was designed, in which, having two gratings affixed to the upper and lower surfaces of an isosceles triangle cantilever structure, and the vibrator made of permanent magnet material and at the end of cantilever placed in the middle of two solenoids. When the solenoid coils are switched on, the magnetic field would excite the permanent magnet to shift to lead to the change of center wavelength of the FBG. Having the differential mode adopted to establish relationship between current and wavelength of the grating can improve the measurement sensitivity and eliminate the effect of temperature on the measurement. The experimental results show that, within the range of 0～5A, making use of the change in the FBG wavelength can accurately reflect the measured current value; and compared to the theoretical value, the error is less than 1.2%.

current sensor, FBG, cantilever beam with constant strength

TP212.1

A

1000-3932(2017)04-0372-04

2016-05-11,

2016-12-26)

国家电网公司江苏电力经济技术研究院科技项目(SGTYHT/14-JS-188)。

姜明月(1991-)，硕士研究生，研究方向为光纤检测技术。

联系人：姜明顺(1981-)，副教授，研究方向为新型检测技术、光电子技术、光纤传感技术与应用，jiangmingshun@sdu.edu.cn。