懸臂梁結構光纖光柵電流傳感器的優化

姜明月 賈 磊 姜明順 曹玉強

(山東大學控制科學與工程學院)

懸臂梁結構光纖光柵電流傳感器的優化

姜明月 賈 磊 姜明順 曹玉強

(山東大學控制科學與工程學院)

針對電力系統對電流測量高精度的要求，設計了一種基于等強度懸臂梁結構的光纖光柵電流傳感器。將兩根光柵分別粘貼于等腰三角形結構的懸臂梁上下表面，末端永磁體材料振子置于兩螺線圈中間。當螺線圈接通電流時，形成的磁場將會引起永磁體振子偏移，進而引起光柵中心波長的變化。采用差分方式建立電流大小與光柵波長變化之間的關系，在提高測量靈敏度的同時消除了溫度對測量結果的影響。實驗結果表明：在0～5A的范圍內，利用光纖光柵波長變化可準確反演待測電流值，與理論計算值相比，誤差小于1.2%。

電流傳感器 光纖光柵 等強度懸臂梁

隨著科技的發展和進步，電力在工業生產和社會生活中占據著越來越重要的位置，對電流檢測也提出了更高的要求。傳統的基于電磁感應原理的電流傳感器存在絕緣困難、溫度穩定性差及有油易燃易爆等缺點，難以滿足新一代電力系統的要求，因此新型磁場電流傳感技術成為當前研究的熱點[1，2]。目前研究較多的為基于法拉第效應的光學電流傳感器、光纖光柵電流傳感器以及采用光纖作為信號傳輸媒介的Rogowski線圈式電流傳感器[3，4]。隨著光纖技術的發展，光纖布拉格光柵被廣泛地運用于傳感系統并對溫度、壓力、應變及磁場等多種物理量進行測量[5]，與其他類型的傳感器相比，該類傳感器具有尺寸小、抗電磁干擾性強、靈敏度高及易封裝等優點。目前已有眾多關于光纖光柵電流傳感器的報道[6～8]，李曉瞻通過在光纖光柵表面鍍金的方式增加了它的導電性和傳熱性，實現了對0～40mA電流的測量[9]；王東禮基于磁力耦合原理，運用光纖布拉格光柵與彈性元件相結合作為傳感元件，實現了對直導線大電流的測量[10]；王莉將超磁致伸縮材料與光纖光柵相結合，通過建立超磁致伸縮材料磁-熱-力耦合特性的非線性模型，實現了對交流電的測量[11]。然而由于金屬和磁致伸縮材料本身受溫度影響較大，很難獲得理想的測量精度。為此，筆者設計了一種基于等強度懸臂梁結構的光纖光柵電流傳感器，并通過實驗采用雙光柵波長變化差分方式建立電流大小與光柵波長變化之間的關系，在提高測量靈敏度的同時消除了溫度對測量結果的影響。

1 檢測原理

筆者設計的基于等強度懸臂梁結構的光纖光柵電流傳感器如圖1所示，系統主要由粘貼于等強度懸臂梁上下表面的兩根光纖光柵、一個下掛永磁體振子及兩個螺線管等組成。如圖2所示，等強度懸臂梁采用等腰三角形結構，將兩根光柵分別沿軸向剛性粘貼于懸臂梁的兩側表面，其振子為永磁體。當螺線管通電時，相對放置的螺線管中間產生同一方向的疊加磁場，永磁體受到磁場力的作用，帶動豎直的等強度懸臂梁傾斜，使得粘貼于懸臂梁上下表面的光纖光柵發生形變，進而改變光纖光柵的中心波長。

圖1 光纖光柵電流傳感器

圖2 懸臂梁裝置示意圖

懸臂梁裝置末端的圓形永磁體放置于兩螺線管正對區域內的中心，采用Ansoft軟件進行磁場分布仿真。兩通電線圈相對放置，得到的氣隙磁通分布如圖3所示，氣隙中間位置磁通垂直于螺線管表面，且分布均勻，因此可以判定所形成的磁場力均勻且垂直于永磁體表面。

圖3 氣隙磁通分布示意圖

假定螺線管管長比半徑大很多，兩個螺線管串聯且相對放置，單位長度匝數相同，則永磁體放置位置磁場強度B與線圈中的電流I(即被測電流)的關系為[12]：

B=μ0NI

(1)

式中N——線圈匝數；

μ0——真空磁導率，H/m。

永磁體受力F與B的關系為：

(2)

式中S——永磁體放置在磁場中的面積，m2。

可以看出，永磁體受力F與磁感應強度B的二次方成線性關系。

懸臂梁在永磁力驅動下產生的應變ε可以表示為[9]：

(3)

式中b0——固定端的寬度，m；

E——彈性模量，MPa；

h——厚度，m；

L——長度，m。

可以看出，懸臂梁的軸向應變ε與所受力F成正比關系。

當環境溫度不變時，軸向應變ε引起光纖光柵中心波長的漂移值為：

Δλ=kεε

(4)

其中Δλ為波長變化量；kε為應變靈敏度系數，對于波長為1 550nm的光纖光柵其值約為1pm/με[13]。

聯立式(1)～(4)，則光纖光柵波長變化量與被測電流的關系為：

(5)

Δλ=KI2

(6)

可以看出，光纖光柵波長變化量與電流的平方成正比。

兩光纖光柵的波長變化量大小相等、方向相反且處于同一溫度環境下，可采用差分方式建立測量電流與波長變化之間的關系：

|ΔλFBG1-ΔλFBG2|=2KI2

(7)

可以看出，所設計的雙光柵懸臂梁式電流傳感器不僅能提高測量靈敏度，還解決了溫度交叉敏感的問題。

2 實驗與結果分析

利用厚度h=0.5mm的碳纖維薄板板材設計等強度懸臂梁，長度L=50mm，固定端寬度b0=10mm，永磁體的直徑20mm、長10mm。選擇兩根光纖光柵，對它施以一定的預應力，采用瞬干膠和環氧膠粘貼于懸臂梁的上下兩表面，在室溫下的中心波長分別為λFBG1=1552.110nm、λFBG2=1550.101nm。

如圖4所示，傳感器測試平臺由傳感器裝置、光纖光柵解調儀及計算機等組成。兩根螺線管長度均為150mm，左右相對放置，極間距15mm。將兩個螺線管用導線串聯，并分別接入恒流源的輸入、輸出端。光纖光柵解調儀選用美國MOI SM125，解調精度1pm，測量范圍1 510～1 590nm，采集頻率1Hz。解調儀與計算機相連，通過計算機的上位機軟件記錄光纖光柵反射波長的變化。

圖4 傳感器測試平臺系統

表1 電流與光纖光柵波長偏移的變化數據

(續表1)

將實驗中用到的傳感器樣品參數代入式(7)，計算所得差分波長變化的一半與被測電流大小的關系曲線如圖5所示，波長變化實測值與理論值基本吻合。在電流為5.0A時，差分波長變化量一半的理論值為500pm，實測差分波長變化的半值為494pm。可見，在0.0～5.0A的范圍內，基于等強度懸臂梁結構的光纖光柵電流傳感器的測量誤差為1.2%。

圖5 差分波長偏移量半值與測量電流關系曲線

3 結束語

針對電力系統目前的電流測量問題，設計了一種基于等強度懸臂梁結構的光纖光柵電流傳感器。采用差分方式建立電流大小與光柵波長變化之間的關系，在提高測量靈敏度的同時消除了溫度對測量結果的影響。實驗結果表明，電流在0.0～5.0A的范圍時，利用光纖光柵波長變化可準確反演待測電流值，與理論計算值相比誤差為1.2%，為現代工業電流的精確測量提供了一種新方法。

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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)

國家電網公司江蘇電力經濟技術研究院科技項目(SGTYHT/14-JS-188)。

姜明月(1991-)，碩士研究生，研究方向為光纖檢測技術。

聯系人：姜明順(1981-)，副教授，研究方向為新型檢測技術、光電子技術、光纖傳感技術與應用，jiangmingshun@sdu.edu.cn。