GMM-FBG光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及溫補模型

張偉超 來永寶 趙洪 張立永 施云波

關(guān)鍵詞：光纖傳感;電流傳感器;溫度特性;校正函數(shù);靈敏度分析

DOI：10.15938/j.emc.2019.06.000

中圖分類號文獻標志碼：A 文章編號：1007 -449X（2019）06 -0000 -00

Abstract：To solve the problem that the sensitivity and accuracy of GMMFBG current sensor are affected by temperature influencing center wavelength of FBG and magnetostriction coefficient of GMM， the GMMFBG sensing model with temperature parameter is presented to calibrate current values. According to Faraday electromagnetic theory， the magnetic structure is designed to increase the magnetic coupling efficiency and homogenize magnetic distribution using finite element method （FEM）. Then， the experimental platform is constructed by using the wavelength demodulation system. At the temperature of 20 to 70 degrees Celsius， wavelength response amplitudes of the sensor are tested under different current value. The experimental results show that the sensitivity of GMMFBG current sensor decreases with the increase of temperature， and it is positive correlation to the target current. Analyzing the law of sensor response versus temperature， a GMMFBG sensing mathematical model with temperature compensation coefficient is established based on mathematical fitting method. Then， according to the modal， the current detecting accuracy is increased by 4.8% during measuring 60A current at the temperature of 40 ℃.

Keywords：optical fiber sensor; fiber current sensor; temperature characteristic; correction function; sensitivity analysing

0 引 言

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展，電流傳感器在電能計量和監(jiān)測領(lǐng)域起到了越來越重要的作用[1-2]，然而傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器暴露出許多嚴重的缺點，難以滿足當代高電壓、大電流和強功率的電力系統(tǒng)需求[3-4]。因此，人們一直在尋找一種新型電流傳感器以滿足當前電力系統(tǒng)在線監(jiān)測、故障高精確度診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要。光學(xué)電流傳感器（optical current transducer，OCT）[5-6]因其本征絕緣，抗電磁干擾性能優(yōu)異，更適于電力系統(tǒng)的電流量的計量和在線監(jiān)測而受到關(guān)注。

目前文獻報道的光學(xué)電流傳感器主要有法拉第磁光效應(yīng)方式，羅氏線圈光電混合方式和磁致伸縮效應(yīng)結(jié)合光纖方式。法拉第磁光效應(yīng)電流傳感器光纖中的線性雙折射、溫度引起的精確度問題以及傳感頭老化問題一直是此類電流傳感器實用化的最大障礙[7-8];羅氏線圈光電混合式的電流互感器在實際應(yīng)用中仍受到環(huán)境電磁場、高壓端電路電流供電等因素的影響[9];磁致伸縮式電流傳感器主要采用超磁致伸縮材料（giant magnetostrictive material，GMM）做為磁應(yīng)變敏感單元，通過在GMM上集成光纖布拉格光柵（fiber Bragg gratings，F(xiàn)BG）將磁場強度加載到調(diào)制光波中[10]，該種方式電流響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高，且在解調(diào)儀器配合下可以實現(xiàn)分布式測量，用于多點電流量同步監(jiān)測成本相對較低，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。國內(nèi)外對GMMFBG光纖電流傳感器已經(jīng)做了大量的研究[11-14]，包括系統(tǒng)解調(diào)技術(shù)，GMMFBG磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，F(xiàn)BG溫度解耦和磁滯非線性校正等研究均有成果報道[15-16]。研究也發(fā)現(xiàn)GMMFBG光纖電流傳感器受溫度參數(shù)影響傳感器傳遞函數(shù)會有所變化，研究者將其原因主要歸結(jié)于FBG溫度敏感并提出眾多解耦方法[17-18]。但是超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)也是以溫度為自變量的函數(shù)，溫度造成的材料磁致伸縮系數(shù)變化的問題尚未被關(guān)注，由此也造成傳感器電流檢測靈敏度隨溫度而變化。在設(shè)計高聚磁傳感結(jié)構(gòu)獲得高靈敏度GMMFBG傳感器基礎(chǔ)上，通過測試不同溫度下傳感器的響應(yīng)幅值，分析靈敏度受溫度影響特性，獲得溫度靈敏度數(shù)學(xué)關(guān)系模型，以此模型為基礎(chǔ)提出了一種傳感器靈敏度校正方法，同時實現(xiàn)了電流和溫度的同時測量。

4 結(jié) 論

在GMMFBG光纖電流傳感器磁路優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，重點分析GMM磁致伸縮系數(shù)隨溫度變化而影響電流檢測靈敏度和準確度的問題。通過電磁場有限元分析方法，設(shè)計獲得了在GMM傳感區(qū)高聚磁且分布均勻的磁耦合結(jié)構(gòu)。GMMFBG傳感器溫度實驗表明，隨溫度升高，傳感器響應(yīng)靈敏度下降;且靈敏度下降大小與被測電流值大小正相關(guān)。通過溫度特性實驗數(shù)據(jù)分析，獲得了具有溫度校準參數(shù)的GMMFBG電流傳感器電流和輸出波長幅值數(shù)學(xué)關(guān)系模型。40 ℃下的電流測試結(jié)果表明，利用該模型校準后的電流測量值準確度獲得提升。

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（編輯：賈志超）