專利名稱：一種電流互感器及電流檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種電流互感器及電流檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)電流互感器根據(jù)互感器部分是否需要電源，可分為有源型和無源型。無源型即互感器部分沒有電源供電的光電電流測(cè)量裝置，它以光學(xué)元件作為電流傳感元件，當(dāng)外界信息與光學(xué)介質(zhì)中傳播的光波發(fā)生相互作用時(shí)，將改變光波的某種參數(shù)(如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位或偏振態(tài)等)，即利用該參數(shù)對(duì)外界信息加以調(diào)制。目前已有強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型無源光電電流互感器問世。但是由于光學(xué)元件本身的穩(wěn)定性和可靠性，以及易于受外界環(huán)境影響的特點(diǎn)，光學(xué)電流互感器的實(shí)用化研究進(jìn)展緩慢。
最早出現(xiàn)的是偏振態(tài)調(diào)制型的光學(xué)電流互感器，基于法拉第磁光效應(yīng)原理工作，當(dāng)線偏振光通過置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)，線偏振光的偏振面將會(huì)線性地隨著平行于光線方向的磁場(chǎng)大小發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過測(cè)量通流導(dǎo)體周圍線偏振光偏振面的變化，間接地測(cè)量出導(dǎo)體中的電流值。這種方法也是現(xiàn)在最趨向于實(shí)用化的光學(xué)電流互感器，這種方法的特點(diǎn)是線性度好，靈敏度較高，絕緣性能好。而缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性受溫度、振動(dòng)的影響。
另外一種方法是基于電磁感應(yīng)的混合式光學(xué)電流互感器，主要是采用傳統(tǒng)的電流互感器或空心互感器(Rogowski線圈)取樣傳輸線電流，利用有源器件調(diào)制取樣信號(hào)，以光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)變換的光信號(hào)傳輸?shù)浇邮諅?cè)進(jìn)行信號(hào)處理，從而得到被測(cè)電流信息。利用電磁式互感器作為傳感頭，將其信號(hào)通過光纖傳輸?shù)娇刂剖?。它既可以解決高壓隔離問題，又使系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊。對(duì)光信號(hào)的調(diào)制可以采用頻率調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制及強(qiáng)度調(diào)制等多種方法。光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì)，不用作傳感元件，從而避免了光學(xué)傳感頭存在的溫度和振動(dòng)問題。但是這種方法的傳感頭是有源結(jié)構(gòu)，需要提供電功率，這是一個(gè)困難，而當(dāng)電流較小時(shí)，Rogowski線圈電流互感器的取樣靈敏度相對(duì)較小，輸出的電壓信號(hào)變得很弱。小電流時(shí)的微弱信號(hào)處理也是Rogowski線圈電流互感器面臨的難點(diǎn)問題。另外Faraday電磁感應(yīng)原理是Rogowski線圈電流互感器的傳感基礎(chǔ)，這就決定了 Rogowski線圈電流互感器不能測(cè)量穩(wěn)恒直流，對(duì)于變化比較緩慢的分量，比如非周期分量，也不能保證測(cè)量精度。
現(xiàn)在新出現(xiàn)了一種利用光纖Bragg光柵和超磁致伸縮材料配合進(jìn)行電流測(cè)量的方法，基本原理是利用光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)偏移與其軸向應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)成正比的特性，讓被測(cè)電流通過螺線圈轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于放置在其中的超磁致伸縮材料轉(zhuǎn)化成材料的形變，這個(gè)形變作用在Bragg光纖光柵上，使得Bragg光纖光柵受到軸向的應(yīng)變，使得Bragg波長(zhǎng)產(chǎn)生變化，就可以通過測(cè)量Bragg光纖光柵的中心波長(zhǎng)偏移，進(jìn)一步測(cè)出電流量。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是本身是對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，故而不存在其它光學(xué)測(cè)量方法的線性雙折射問題和偏振態(tài)變化問題，但是這種方法存在響應(yīng)線性度不足和受磁場(chǎng)影響有磁滯作用等問題，同時(shí)由于Bragg光纖光柵受溫度影響中心波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生偏移，而且超磁致伸縮材料、粘貼材料等受熱也會(huì)產(chǎn)生膨脹，這種膨脹也會(huì)帶來Bragg光纖光柵的軸向的應(yīng)變帶來Bragg光纖光柵中心波長(zhǎng)的偏移，因此這些都會(huì)影響到測(cè)量過程中的穩(wěn)定性和精度誤差率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種電流互感器和電流檢 測(cè)系統(tǒng)，通過雙光纖光柵互感器的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量過程中穩(wěn)定性和精度誤差 率的問題。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種電流互感器，包括傳感頭，所述
傳感頭包括超磁致伸縮材料和兩條光纖光柵，所述光纖光柵分別位于超磁致伸縮材料的上
表面和下表面，所述兩條光纖光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。 相應(yīng)的，本發(fā)明還提出了一種電流檢測(cè)系統(tǒng)，包括寬帶光源設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、電流
互感器，所述寬帶光源設(shè)備與檢測(cè)設(shè)備通過耦合器與互感器連接，所述電流互感器包括傳
感頭，所述傳感頭包括超磁致伸縮材料和兩條光纖光柵，所述光纖光柵分別位于超磁致伸
縮材料的上表面和下表面，所述兩條光纖光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。 實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，本實(shí)施例通過光纖Bragg光柵的良好的應(yīng)變傳感特性和超磁
致伸縮材料的良好伸縮性能來設(shè)計(jì)電流互感器，通過雙光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使光纖光
柵和磁致伸縮材料得到線性的、高效的、穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果良好。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的電流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的電流互感器中傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的電流互感器施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種電流互感器和電流檢測(cè)系統(tǒng)，通過雙光纖光柵互感器的
設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量過程中穩(wěn)定性和精度誤差率的問題。。 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。 首先請(qǐng)參閱圖l，圖l示出了本發(fā)明實(shí)施中的電流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該電流 檢測(cè)系統(tǒng)包括了寬帶光源設(shè)備101、檢測(cè)設(shè)備102、電流互感器104、耦合器103、被檢測(cè)電流 106，其中電流互感器104用于感應(yīng)被檢測(cè)電流106電流信號(hào)，寬帶光源設(shè)備101用于向電 流互感器提供寬帶光源。這里的電流互感器104包括傳感頭，該傳感頭包括超磁致伸縮材 料和兩條光纖光柵，該光纖光柵分別位于超磁致伸縮材料的上表面和下表面，該兩條光纖 光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。
寬帶光信號(hào)從寬帶光源設(shè)備ioi產(chǎn)生后，通過光纖傳輸，進(jìn)入到分光比為i : i的
耦合器后分出一路光到達(dá)傳感器，光纖Bragg光柵反射滿足Bragg波長(zhǎng)條件的光波回到耦 合器103，耦合器103分出一路光被檢測(cè)設(shè)備102檢測(cè)，記錄中心波長(zhǎng)。在電流互感器104 部分，隨著加載的電流不同，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)不同，電流互感器104上的超磁致伸縮材料的 伸縮量不同，這樣傳導(dǎo)到光纖Bragg光柵的應(yīng)變量就不同，相應(yīng)的光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)就 會(huì)改變，通過觀察光譜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)，就可以看到被測(cè)量和Bragg波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
需要說明的是，這里的電流互感器104可以直接感應(yīng)被檢測(cè)電流106處的電流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，也可以將被檢測(cè)電流106的電流信號(hào)通過螺線圈105來產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，將電流互感器104容置于螺線圈105中。需要說明的是，這里的檢測(cè)設(shè)備102為一個(gè)光譜儀。 這里螺線圈105產(chǎn)生的磁場(chǎng)和螺線圈105通過的電流量是線性的關(guān)系，超磁致伸縮材料的伸縮量和磁場(chǎng)大小在一定范圍是線性的，而應(yīng)變量和光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)的偏移也是線性的關(guān)系，所以最終可以根據(jù)光譜儀的變化測(cè)得螺線圈上加載的直流電流。如果是強(qiáng)電流通過螺線圈105，那么螺線圈105的匝數(shù)可以相應(yīng)的減少，使得產(chǎn)生的磁場(chǎng)仍然保持在一定的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)使得超磁致伸縮材料的伸縮量仍然與磁場(chǎng)成線性關(guān)系。
相應(yīng)的，圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例中的電流互感器中傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明實(shí)施例中傳感頭采用的是方形的超磁致伸縮材料和兩條Bragg光纖光柵，將用于測(cè)量的光纖光柵沿著超磁致伸縮材料的H方向粘貼，將另外一條用做補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵沿著與H方向相垂直的方向粘貼。 由于電流和產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度是成正比的，磁場(chǎng)強(qiáng)度作用在磁致伸縮材料上，材料的形變和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，材料的形變作用在貼在材料上面的光纖光柵上，形變和光纖光柵反射的中心波長(zhǎng)的漂移成正比，利用光譜儀測(cè)量到的中心波長(zhǎng)的漂移量可以測(cè)量出產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流值。實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例中技術(shù)方案，光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移除了受到磁致伸縮材料的形變影響外還會(huì)受到外界的溫度變化的影響，而溫度本身也會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮材料產(chǎn)生形變，本發(fā)明實(shí)施例通過雙光纖光柵(一條光纖里面做的兩個(gè)光柵，反射中心波長(zhǎng)不同，但是材料相同，故物理性質(zhì)相同)正交貼在正方形的磁致伸縮材料的兩面的辦法，測(cè)量結(jié)果為兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移量的差，這樣能有效的消除溫度的影響(因?yàn)闇囟葘?duì)兩個(gè)光纖光柵和磁致伸縮材料的影響是一樣的，可以通過相減消除)并由于溫度影響形變因子成反向，這樣還加大了磁致伸縮的形變量，這樣就能一定程度提高了測(cè)量精度。
相應(yīng)的，圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例中電流互感器施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，由于需要在超磁致伸縮材料的H方向上加上均勻的力，使得施加在這兩個(gè)矩形面上的壓強(qiáng)比較均勻，并且是面與面接觸的對(duì)超磁致伸縮材料施加壓力，需要一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施加預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力設(shè)備左邊為一螺絲，螺腔內(nèi)放置一強(qiáng)力彈簧，彈簧右方放置一平面(左平面)，扭動(dòng)螺絲壓迫彈簧，彈簧推動(dòng)左平面，在機(jī)構(gòu)右邊為另一平面(右平面)，兩平面夾住超磁致伸縮材料，右平面和機(jī)構(gòu)相連的部分采用兩個(gè)半圓面，使得其角度可調(diào)，這樣使得右平面和超磁致伸縮材料的平面為均勻的面接觸。通過調(diào)節(jié)螺絲的量可以控制左平面壓迫超磁致伸縮材料的力的大小，從而控制施加在超磁致伸縮材料上的壓強(qiáng)。因?yàn)槁萁z的彈性系數(shù)是已知的，通過其形變的量和超磁致伸縮材料的側(cè)面積可以求得各種壓力情況下施加在超磁致伸縮材料上的壓強(qiáng)，進(jìn)而測(cè)量在各種壓強(qiáng)條件下的磁致伸縮系數(shù)的情況。然而由于考慮到兩平面完全接觸為理想情況下，實(shí)際接觸的仍然為一線或非完全的平面，故本文未定量的測(cè)量壓力和壓強(qiáng)大小，只是沿著螺絲方向進(jìn)行了定性測(cè)量，找到使得磁致伸縮系數(shù)最大的壓強(qiáng)，并在這個(gè)壓強(qiáng)下進(jìn)行其它的各種測(cè)試。 需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中的超磁致伸縮材料可以是鋱鏑鐵磁致伸縮合金，也可以是其它方式的合金。 實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，本實(shí)施例通過光纖Bragg光柵的良好的應(yīng)變傳感特性和超磁致伸縮材料的良好伸縮性能來設(shè)計(jì)電流互感器，通過雙光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使光纖光柵和磁致伸縮材料得到線性的、高效的、穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果良好。 以上所揭露的僅為本發(fā)明實(shí)施例中的一種較佳實(shí)施例而己，當(dāng)然不能以此來限定
本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
一種電流互感器，包括傳感頭，其特征在于，所述傳感頭包括超磁致伸縮材料和兩條光纖光柵，所述光纖光柵分別位于超磁致伸縮材料的上表面和下表面，所述兩條光纖光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。
2. 如權(quán)利要求1所述的電流互感器，其特征在于，所述超磁致伸縮材料為鋱鏑鐵磁致 伸縮合金。
3. 如權(quán)利要求1所述的電流互感器，其特征在于，所述兩條光纖光柵位于同一個(gè)光纖 中，所述光纖通過耦合器分別連接寬帶光源設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的電流互感器，其特征在于，所述傳感頭還包括一用于 面對(duì)面接觸對(duì)超磁致伸縮材料施加壓力的施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備。
5. —種電流檢測(cè)系統(tǒng)，包括寬帶光源設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、電流互感器，所述寬帶光源設(shè)備 與檢測(cè)設(shè)備通過耦合器與互感器連接，其特征在于，所述電流互感器包括傳感頭，所述傳感 頭包括超磁致伸縮材料和兩條光纖光柵，所述光纖光柵分別位于超磁致伸縮材料的上表面 和下表面，所述兩條光纖光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。
6. 如權(quán)利要求5所述的電流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述兩條光纖光柵位于同一個(gè)光 纖中，所述光纖通過耦合器分別連接寬帶光源設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備。
7. 如權(quán)利要求5所述的電流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述超磁致伸縮材料為鋱鏑鐵磁 致伸縮合金。
8. 如權(quán)利要求5所述的電流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感頭還包括一用于面對(duì)面 接觸對(duì)超磁致伸縮材料施加壓力的施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備。
9. 如權(quán)利要求5至8任一項(xiàng)所述的電流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電流檢測(cè)系統(tǒng)還包 括一螺線圈，所述電流互感器容置于所述螺線圈內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求9所述的電流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)設(shè)備為光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電流互感器，包括傳感頭，所述傳感頭包括超磁致伸縮材料和兩條光纖光柵，所述光纖光柵分別位于超磁致伸縮材料的上表面和下表面，所述兩條光纖光柵相互交叉在超磁致伸縮材料的不同表面層。本發(fā)明還公開了一種電流檢測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，通過雙光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使光纖光柵和磁致伸縮材料得到線性的、高效的、穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果良好。
文檔編號(hào)G01R15/14GK101710148SQ200910188768
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者左菁, 張準(zhǔn), 洪應(yīng)嬌, 熊建文 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)