楊玉強，楊　群，葛　偉，張換男

(哈爾濱理工大學 應(yīng)用科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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溫度自動補償超磁致伸縮材料布拉格光柵光纖電流傳感器

楊玉強*，楊群，葛偉，張換男

(哈爾濱理工大學 應(yīng)用科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于超磁致伸縮材料，提出了一種傳感光纖光柵(S-FBG)和參考光纖光柵(A-FBG)相結(jié)合的溫度自動補償全光纖交流電流傳感器。此傳感器將傳感光纖光柵和參考光纖光柵級聯(lián)呈"十字形"后粘貼在超磁致伸縮材料上，然后將其置于聚磁回路狹縫內(nèi)；同時控制傳感光纖光柵的徑向與磁場方向相同，而參考光纖光柵的徑向與磁場方向相反。最后，將S-FBG的中心波長置于A-FBG反射譜的邊帶上，通過檢測兩光纖光柵級聯(lián)反射光強的變化實現(xiàn)了電流測量及溫度自動補償。選用3 dB譜寬分別為0.23 nm和0.08 nm的A-FBG和S-FBG進行了實驗測試，結(jié)果表明：有效安匝電流為1.0～138.2 A時，該傳感器可實現(xiàn)線性測量，線性度為0.996 3，測量靈敏度為16.0 mV/A，最小可測有效安匝電流為1.0 A。

光纖電流傳感器；光纖布拉格光柵；超磁致伸縮材料；溫度補償

1　引　言

隨著電力系統(tǒng)電流等級的逐年提高，基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)電磁式電流互感器無論從安全生產(chǎn)還是精確計量方面都難以再滿足現(xiàn)階段的行業(yè)需求。所以探索新的傳感方式實現(xiàn)高等級電流檢測成為了研究熱點，特別是光纖電流傳感技術(shù)是熱點中的焦點[1-17]。

光纖電流傳感器不但具有體積小、重量輕的優(yōu)點，而且不受電磁干擾的影響，更難能可貴的是其本質(zhì)絕緣、無易燃易爆等安全問題。根據(jù)實現(xiàn)途徑，光纖電流傳感器主要分為基于Faraday效應(yīng)和基于超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)兩種類型。基于Faraday效應(yīng)的光纖電流傳感器具有絕緣性好、測量范圍大的優(yōu)點，但存在光纖Verdet常數(shù)偏低和光纖雙折射難以克服的問題[18-20]?；贕MM的光學電流傳感器是電流傳感技術(shù)的新嘗試，它將GMM材料的超磁致伸縮和寬頻相應(yīng)特性與光纖器件有機結(jié)合，應(yīng)用潛能巨大，特別是將GMM與光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)相結(jié)合的GMM-FBG電流傳感器。

目前，對GMM-FBG的研究主要集中在電流和溫度的交叉敏感問題上。2000年，Mora等人將輔助FBG粘貼在與GMM材料具有相同熱膨脹系數(shù)的Monel 400合金上實現(xiàn)了電流和溫度的同時測量[21]。2003年，Chiang等人將單根FBG粘貼在GMM和Monel 400兩種金屬上實現(xiàn)了溫度自動補償[22]。2006年，Reilly等人通過反饋控制靜態(tài)工作點的方式實現(xiàn)了與溫度無關(guān)的交流電流測量[23]。2013年，Zhao等人提出了雙磁路系統(tǒng)，利用雙磁路內(nèi)兩FBG應(yīng)變相反的特點解決了電流和溫度的交叉敏感問題[24]。

本文提出了一種將GMM傳感光纖光柵(S-FBG)和參考光纖光柵(A-FBG)相結(jié)合的GMM-FBG交流電流傳感器。此傳感器將S-FBG與A-FBG級聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM材料上置于聚磁回路狹縫內(nèi)，且S-FBG和A-FBG的徑向分別與磁場方向平行和垂直，實現(xiàn)了對S-FBG的選擇性調(diào)制。將S-FBG的中心波長置于A-FBG的光譜邊帶上，采用強度解調(diào)的方式實現(xiàn)了電流測量及溫度自動補償。

2　傳感器原理

GMM-FBGs電流傳感器的原理如圖1所示，傳感光柵(S-FBG)和參考光柵(A-FBG)經(jīng)兩耦合器串聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM棒上置于聚磁回路內(nèi)，聚磁回路將通電螺線管產(chǎn)生的磁場加載到GMM棒上，利用GMM材料的磁滯伸縮特性將電流信號轉(zhuǎn)化為FBG的波長信號，實現(xiàn)電流信號到波長信號的調(diào)制。如圖2磁力線仿真結(jié)果所示，S-FBG的徑向與磁場方向相同，而A-FBG的徑向與磁場方向垂直。根據(jù)磁致伸縮原理，S-FBG受磁場的調(diào)制作用，其波長隨磁場的變化而變化；A-FBG不受磁場的調(diào)制作用，其波長不隨磁場的變化而變化。此外，如圖1(c)所示，S-FBG的譜寬明顯小于A-FBG且其中心波長位于A-FBG光譜的邊帶上。當兩FBG的波長產(chǎn)生相對移動時，經(jīng)兩FBG的光強就會產(chǎn)生變化，本傳感器通過探測此變化實現(xiàn)電流測量。由于兩FBG對溫度的響應(yīng)相同且處于相同溫度環(huán)境下，因此，溫度變化不會使兩FBG產(chǎn)生波長漂移，即不會改變經(jīng)兩FBG后的光強。

圖1　GMM-FBGs電流傳感器原理圖Fig.1　Schematic map of GMM-FBGs current sensor

圖2　磁路磁力線仿真Fig.2　Magnetic force line in magnetic circuit

圖3　FBG應(yīng)變和波長隨磁場的變化關(guān)系Fig.3　Strain and wavelength versus magnetic field

在磁場作用下，S-FBG中心波長的變化ΔλSFBG可表示為：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0ε,

(1)

其中：Pe為彈光系數(shù)，ε為GMM材料的應(yīng)變。ε與所加磁場H的關(guān)系可表示為：

ε=A1H2+A2H4,

(2)

其中：A1和A2為常數(shù)。由于ε為H的偶函數(shù)，因此輸出信號會出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，如圖3所示。為了消除倍頻現(xiàn)象，這里給磁路加載了偏置電流I0(在GMM材料處產(chǎn)生偏置磁場H0)，使GMM材料的靜態(tài)工作點由原點移動到點Q(H0,λ0,ε0)，ε0為偏置磁場H0引起的GMM材料的應(yīng)變，對應(yīng)S-FBG的中心波長λ0。

在線性范圍內(nèi)，F(xiàn)BG應(yīng)變ε與被測電流I的關(guān)系可表示為：

ε=k1H=αk1I,

(3)

其中：k1為曲線斜率，與GMM材料的磁致特性有關(guān)；α為電流到磁場的轉(zhuǎn)化率，與磁路導(dǎo)磁性能有關(guān)。

將式(3)代入式(1)得：

ΔλSFBG=(1-Pe)λ0αk1I.

(4)

式(4)表明：S-FBG的中心波長隨被測電流在一定范圍內(nèi)呈線性變化，變化斜率與GMM材料的磁致特性及磁路導(dǎo)磁性能有關(guān)。

如圖1所示，ASE光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)S-FBG和A-FBG反射后由光電探測器接收，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)化。由于S-FBG的譜寬明顯小于A-FBG，當S-FBG置于A-FBG的邊帶上時，光電探測器的輸出電壓為:

ΔU=βk2(ΔλH+ΔλT),

(5)

其中:k2為A-FBG邊帶的斜率，β為光電探測器的光電轉(zhuǎn)化系數(shù)，ΔλH和ΔλT分別為磁場和溫度變化引起的S-FBG和A-FBG中心波長的相對變化。由于S-FBG和A-FBG具有相同的溫度響應(yīng)且處于相同的溫度環(huán)境下，因此ΔλT=0。由于A-FBG對磁場不響應(yīng)，因此ΔλH=ΔλSFBG。將以上關(guān)系及式(4)代入式(5)得:

ΔU=(1-Pe)k1k2αβλ0I.

(6)

式(6)表明：此傳感器的輸出電壓與電流成正比，而與環(huán)境溫度無關(guān)；電流測量靈敏度與GMM材料的磁致伸縮曲線斜率k1和A-FBG邊帶斜率k2呈正比，同時受光纖的彈光系數(shù)Pe、磁路的導(dǎo)磁特性參數(shù)α、光電探測器性能參數(shù)β的影響。

3　實驗及仿真分析

本實驗選用的A-FBG和S-FBG的3 dB譜寬分別為0.23 nm和0.08 nm。當傳感器處于靜態(tài)工作點時兩FBGs的反射譜如圖4所示，兩FBGs的中心波長分別為1 549.477 nm和1 549.615 nm，間隔為0.138 nm，此時A-FBG的中心波長處于S-FBG反射譜線性區(qū)的中心。S-FBG反射譜線性區(qū)的線性度為0.997 0，譜寬為0.095 nm。實驗中所用螺線管W1和W2的匝數(shù)分別為235和470，琺瑯電阻R為5 Ω，螺線管W1的阻值為1 Ω，螺線管W2的阻值為2 Ω。

圖4　靜態(tài)工作點S-FBG和A-FBG的光譜Fig.4　Spectra of S-FBG and A-FBG at quiescent point respectively

傳感器靜態(tài)工作點的選取既要考慮S-FBG中心波長隨電流的變化關(guān)系，又要考慮S-FBG與A-FBG光譜的相互關(guān)系。當傳感器處于最佳靜態(tài)工作點時，S-FBG的中心波長位于λ-I曲線線性區(qū)的中心，同時位于A-FBG反射譜邊帶的中心。為了確定最佳靜態(tài)工作點對應(yīng)的偏置電流I0，實驗給出了S-FBG波長隨螺線管安匝電流nI(n=470)的變化曲線，如圖5所示。安匝電流在0～262 A變化較為緩慢，呈非線性；安匝電流在262～1 138 A，S-FBG的波長近似呈線性變化，線性度為R2=0.998 4，對應(yīng)的波長變化約為220 pm，測量靈敏度為0.25 pm/A；安匝電流大于1 138 A時，S-FBG中心波長呈非線性變化，且變化緩慢，此時磁路接近飽和狀態(tài)。由圖5還可以看出，線性區(qū)中心對應(yīng)的安匝電流為700 A，因此傳感器最佳靜態(tài)工作點的安匝電流為700 A。圖6給出了不同偏置電流情況下且被測交流電流有效值為130 A時，示波器的輸出波形。從圖中可以看出，當偏置電流偏小時(nI0=600 A)，示波器輸出波形的下邊沿失真；當偏置電流偏大時(nI0=800 A)，示波器輸出波形的上邊沿失真；當偏置電流最佳時(nI0=700 A)，示波器輸出波形的上下邊沿都不失真。此外，圖6(a)和圖6(b)中波形的失真部分都有前沿變形較小，后延變形嚴重的特點，這是由磁滯伸縮材料的磁滯現(xiàn)象造成的。如圖7所示，磁滯迴線上升沿的線性度明顯好于下降沿，從而造成了圖6(a)和圖6(b)中波形的失真部分都有前沿變形較小的現(xiàn)象。

圖5　S-FBG和A-FBG波長隨電流的變化曲線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圖6　不同偏置電流情況下輸出的電壓波形Fig.6　Output voltage waveforms for different bias currents

(a) nI0=0　　　(b)nI0=700 A圖7　超磁致伸縮材料的磁滯迴線Fig.7　Magnetic hysteresis loops of giant magnetostrictive material

圖8為兩FBG中心波長隨溫度的變化曲線。當溫度由26～39 ℃逐漸增加時，兩FBG的中心波長逐漸增大，且增大的幅值相同。此結(jié)果證明兩FBG對溫度具有相同的響應(yīng)。即使兩光柵的溫度響應(yīng)略有差異也不會對交流電流的測量靈敏度產(chǎn)生影響，因為相對于被測交流信號，溫度為緩變信號，它只會使示波器的輸出交流信號上下移動，而不會改變輸出交流信號的峰峰值。

圖8　S-FBG和A-FBG對溫度的響應(yīng)曲線Fig.8　Response curves of S-FBG and A-FBG to temperature

圖9　當nI0=700 A時，輸出電壓隨輸入電流的變化Fig.9　Output voltage versus input current for nI0=700 A

(a)輸入電流信號(a)Input current signals

(b)輸出電壓信號(b)Output voltage signals圖10　最小可測交流電流及其輸出電壓波形Fig.10　Waveforms of minimum input current and its output voltage

最佳偏置電流條件下(nI0=700 A)，示波器輸出電壓隨被測交流電流的變化曲線如圖9所示。當交流有效安匝電流nIeff在1.0～138.2 A內(nèi)變化時，示波器輸出電壓隨被測電流近似呈線性變化，線性擬合度為0.996 3，電流測量靈敏度為16.0 mV/A。

圖10為該交流電流傳感器的最小可測有效安匝電流及其輸出電壓信號。對比圖10中的兩圖可知，輸入的電流信號與輸出的電壓信號之間的相位差為π，這是由于傳感光柵位于輔助光柵的下降沿造成的。此外，盡管被測有效安匝電流1.0 A的輸出波形噪聲較大，但是通過擬合的方式仍然可以還原出正弦輸出信號，因此，該交流電流傳感器的最小可測安匝電流為1.0 A。

圖11　線性響應(yīng)范圍內(nèi)最大被測交流電流及其輸出電壓波形Fig.11　Waveforms of maximum input current in linear range and its output voltage

線性測量范圍內(nèi)的最大有效安匝電流為138.2 A(見圖9)，該電流及其輸出波形如圖11所示。由圖11可知，正弦擬合曲線與示波器輸出電壓曲線吻合得較好，只是在波形頂端略有差異。為了能夠更加清晰地看出兩者之間的差異，本文將波形頂端進行了放大，結(jié)果如圖12所示。圖12表明：傳感器輸出波形的上升沿與擬合曲線吻合得較好，而下降沿則擬合較差，導(dǎo)致兩波形的峰值略有差異，其值為0.04 V，據(jù)此可計算出此峰值誤差為2.2%。上述波形畸變是GMM材料的磁滯現(xiàn)象造成的。因為磁滯迴線上升沿和下降沿的線性度不同，上升沿的線性度明顯優(yōu)于下降沿。由于磁滯現(xiàn)象隨被測電流的增大而增大，因此有效安匝電流在線性變化范圍內(nèi)，磁滯現(xiàn)象引起的畸變峰值誤差小于2.2%。

圖12　輸出波形頂端放大圖Fig.12　Enlargement of top of output waveform

4　結(jié)　論

本文提出了一種溫度自動補償型GMM-FBG全光纖交流電流傳感器。此傳感器將S-FBG與A-FBG串聯(lián)后呈“十字形”粘貼在GMM材料上置于磁路狹縫內(nèi)，兩FBG的徑向分別與磁場方向平行和垂直。通過控制兩FBG在磁路中的方向?qū)崿F(xiàn)對S-FBG的選擇性調(diào)制。最后，將S-FBG的中心波長置于A-FBG反射譜的邊帶上，采用強度解調(diào)的方式實現(xiàn)電流測量和溫度補償。實驗結(jié)果表明：有效安匝電流在1.0～138.2 A，該傳感器可實現(xiàn)線性測量，線性度為0.996 3，測量精度為16.0 mV/A，最小可測安匝電流為1.0 A。

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楊玉強(1977-)，男，山東平原人，教授，研究生導(dǎo)師，2002年于東北師范大學獲得學士學位，2004年，2009年于哈爾濱工業(yè)大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事自由空間激光通信和光纖傳感技術(shù)方面的研究。E-mail: yuqiangy110@sina.com

楊群(1991-)，女，陜西西安人，碩士研究生，2014年于哈爾濱理工大學獲得學士學位，主要從事光纖傳感方面的研究。E-mail: yangqun136@163.com

(版權(quán)所有未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載)

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.

國家自然科學基金資助項目(No.61378029,No.11574065,No.51672062,No,51575149,No,61378003);黑龍江省哈爾濱市青年基金資助項目(No.2015RAYXJ004);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才項目(No.2016QQXJ108,No.2016RAQXJ082)

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

TN253

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2377