專利名稱：長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)及傳感探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電流監(jiān)測系統(tǒng)，更具體地說，它涉及一種基于光纖光 柵的分布式的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近10年來，光纖布拉格光4冊(cè)(Fiber Bragg Grating, FBG )傳感技術(shù)已成 為光纖傳感中可靠性最高、實(shí)用性最強(qiáng)、最有活力的傳感技術(shù)。光纖光柵是光 纖通過紫外光照射，使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而形成的心體布拉格光柵， 對(duì)入射的寬帶光中滿足布拉格條件的窄線寬光波將產(chǎn)生反射，該反射對(duì)應(yīng)變和 溫度兩物理量比較^:感，通過^r測FBG反射光譜中的中心波長的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì) 被測物理量信息的獲取。Terfenol-D稀土合金是新型超磁致伸縮材料(Giant Magneto strictive Material, G薩)，石茲致伸縮效應(yīng)比傳統(tǒng)的-茲致伸縮材泮+高 幾十倍，并且具有可靠性高、響應(yīng)頻帶寬等特點(diǎn)。將FBG粘貼于G薩棒上，并 將之置于導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場中，由G腿在電流產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生應(yīng)變被FBG感 知，并由光譜解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)波長變化量則可測知電流量，可將G應(yīng)磁致伸縮系 數(shù)大、FBG傳感可靠等優(yōu)點(diǎn)集于一身。磁致伸縮合金、形狀記憶合金和壓電陶 瓷是在微型機(jī)器人上所用微致動(dòng)器的重要功能材料。作為超磁致伸縮材料人們 所熟知稀土 -鐵系合金的有Tb-Fe、 Sm-Fe和Terf enol-D等。
在光纖光柵復(fù)用傳感系統(tǒng)中，大都采用寬帶光源，其輸出峰值功率一般為 -25dBm左右，耦合進(jìn)光纖總傳輸線中的功率通過幾個(gè)熔接頭、連接器、耦合器 和波分復(fù)用器等分配到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各通道中，系統(tǒng)中的每一個(gè)元件，包括傳感器 本身，都吸收或"R射一定的功率，其大小一般為0. l分貝到幾個(gè)分貝，如果光 纖被彎曲或接頭處連接質(zhì)量較差，會(huì)產(chǎn)生多達(dá)幾分貝的損耗，因而復(fù)用的傳感 光柵的數(shù)目不能太多，同時(shí)檢測的信噪比較低，也就增加了信號(hào)的解調(diào)處理難 度。如果采用可調(diào)諧的光纖激光器作為光源，則可以顯著地提高峰值功率(實(shí) 驗(yàn)采用的可調(diào)諧光纖激光器的峰值功率為-O. 9dBm ),檢測的信噪比將有顯著的 提高。波分復(fù)用技術(shù)受光源帶寬限制，其復(fù)用數(shù)目有限。在相同的光源帶寬的 前提下，如果采用可調(diào)諧窄線寬光纖激光器作為傳感系統(tǒng)的光源，同時(shí)在波分 復(fù)用的基礎(chǔ)上采用時(shí)分復(fù)用傳感技術(shù)，將會(huì)有效地?cái)U(kuò)大復(fù)用光柵數(shù)目，并更有 效地提高陣列傳感多點(diǎn)檢測的范圍。且具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、信噪比高等特點(diǎn)，對(duì) 于多點(diǎn)檢測的傳感網(wǎng)絡(luò)具有較大的實(shí)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的光纖光柵電流傳感器只能短距離監(jiān)測和精度較低的問題，提供了 一種能夠?qū)崿F(xiàn)長距離監(jiān)測的和 精度較高的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)還提供一種應(yīng)用在長距離非接 觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感探頭。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型是采用了如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述的 長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)包括有泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉺光纖、第一光 隔離器、第一光耦合器、介質(zhì)薄膜干涉濾波器、第二光隔離器與第三光隔離器。
泵浦源的輸出端與波分復(fù)用器的980nm端口光纖連接，波分復(fù)用器的公共端口 與#^光纖的一端光纖連接，摻鉺光纖的另一端與第一光隔離器的輸入端光纖 連接，第一光隔離器的輸出端與第一光耦合器的公共端光纖連接，第一光耦合 器的80°/。端口與第三光隔離器的輸入端光纖連接，第一光光耦合器的20%端口與 介質(zhì)薄膜干涉濾波器的輸入端光纖連接，介質(zhì)薄膜干涉濾波器的輸出端與第二
光隔離器的輸入端光纖連接，第二光隔離器的輸出端與波分復(fù)用器的1550nm端 口光纖連接。在此基礎(chǔ)之上，該長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)還安裝有第二光 耦合器、傳輸光纖、傳感探頭、光電探測器、低噪聲放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、 控制電路與計(jì)算機(jī)。
第二光耦合器的1%端口與第三光隔離器的輸出端光纖連接，第二光耦合器 的99%端口與光電探測器的輸入端光纖連接，第二光耦合器的公共端口與傳輸 光纖的一端光纖連接，傳輸光纖的另一端與傳感探頭中光纖光柵的尾纖光纖連 接。光電探測器的輸出端與低噪聲放大電路的輸入端電線連接，低噪聲放大電 路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端電線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制 電路的輸入端電線連接，控制電路的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端電線連接，控制 電路與介質(zhì)薄膜干涉濾波器之間是電線連接。
技術(shù)方案中所述的泵浦源是通過波分復(fù)用器為光纖激光器提供980nm的泵 浦光的泵浦源，波分復(fù)用器是結(jié)構(gòu)為980mn/1550nm的波分復(fù)用器，第一光耦合 器是分光比為80: 20的光耦合器；所述的第二光耦合器是分光比為99: 1的光 耦合器，第一光隔離器、第二光隔離器與第三光隔離器是結(jié)構(gòu)相同的光隔離器；
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供的傳感探頭是采用了如下技術(shù)方案 實(shí)現(xiàn)的所述的傳感探頭包括有尾纖、光纖光柵、條形磁鐵、基片、第一導(dǎo)磁 軛鐵、第二導(dǎo)磁輒鐵、第一軸桿、第二軸桿與電路接口。
在第 一軸桿與第二軸桿上分別纏繞有感應(yīng)線圈，第 一導(dǎo)磁軛4失套置在第一 軸桿與第二軸桿的左端，第二導(dǎo)磁軛鐵套置在第一軸桿與第二軸桿的右端成矩 形框架；在矩形框架之中放置一作為偏置磁場的條形磁鐵，基片一端固定在第 一導(dǎo)磁軛鐵的里側(cè)，基片的另一端處于自由狀態(tài)，光纖光柵用粘貼劑固定在基 片的固定端上，光纖光柵的尾纖超出第一導(dǎo)磁軛鐵與第二導(dǎo)磁軛鐵的外側(cè)，整 個(gè)矩形框架連同安裝在其中和其上的零部件一同裝置在一個(gè)圓筒狀的殼體內(nèi)，沿殼體軸線布置的光纖光柵的兩端尾纖從圓筒狀殼體的兩端伸出，電路接口固 定在圓筒狀殼體的一端，電路接口 一端的兩接口分別與第 一軸桿與第二軸桿上 纏繞的感應(yīng)線圈電線連接，電路接口另一端的兩接口與載有^皮測電流的載體電 線連接。
技術(shù)方案中所述的基片是由厚為7. 5^n的聚酰亞胺基片、通過射頻磁控濺射 法獲得的lnm的Tb-Dy-Fe薄膜和用DC磁控濺射法制成的l^un的Sm-Fe薄膜三部分 組成。1^im的Tb-Dy-Fe薄膜和l^m的Sm-Fe薄膜分置于7. 5^im的聚酰亞胺基片的兩 側(cè)成緊密結(jié)合；所述的將光纖光柵固定在基片的固定端上所采用的粘貼劑是在 材料變形時(shí)能及時(shí)地幾乎全部地把變形傳遞給光纖光柵的M-bond600型粘貼劑。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的有益效果是
1. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)通過采用高性能的可調(diào)諧 窄線寬光纖激光器作為光源可以實(shí)現(xiàn)長距離的電流測量。
2. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)通過采用波分和時(shí)分復(fù)用 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)WDM+TDM多點(diǎn)分布式的電流測量。
3. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)通過采用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)
的基于光纖光柵的傳感探頭可以實(shí)現(xiàn)高精度的電流測量。
4. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)通過采用WDM+TDM多點(diǎn)分
布式的電流測量降^f氐了制作成本。
5. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸式的電流測 量，可以廣泛的應(yīng)用于大電流的測量。
6. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)來處理數(shù)據(jù)顯 示測量的電流大小，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電流監(jiān)控。
7. 基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)采用懸臂梁調(diào)諧結(jié)構(gòu)，具 有調(diào)諧范圍寬、線性響應(yīng)度高、溫度不敏感、復(fù)用性好、結(jié)構(gòu)簡單、變形較多、 較易控制啁啾度等優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明


圖1是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意框圖2a是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的傳感探 頭的組成結(jié)構(gòu)示意圖2b是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中傳感探頭所采用 的基片的結(jié)構(gòu)示意圖3是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的摻鉺光纖 增益介質(zhì)的熒光光譜圖4是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的光纖激光器輸出功率與泵浦功率的關(guān)系圖5是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中沒有加21km光纖時(shí) 的激光輸出光譜圖6是基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)中已經(jīng)加了 21km光纖 后的激光輸出光譜圖中l(wèi).泵浦源，2.波分復(fù)用器，3.摻鉺光纖，4.第一光隔離器，5.第一 光耦合器，6.介質(zhì)薄膜干涉濾波器，7.第二光隔離器，8.第三光隔離器，9.第 二光耦合器，IO.傳輸光纖，ll.傳感探頭，12.光電探測器，13.低噪聲放大器， 14.A/D轉(zhuǎn)換電路，15.控制電路，16.計(jì)算機(jī)，17.尾纖，18.光纖光柵，19.條 形磁鐵，20.基片，21.第一導(dǎo)磁扼鐵，22.第二導(dǎo)磁軛鐵，23. Tb-Dy-Fe薄膜， 24.聚酰亞胺基片，25. Sm-Fe薄膜，26.第一軸桿，27.第二軸桿,28.電路接口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的描述
本實(shí)用新型提出利用輸電母線的磁場作用在FBG-G腿-Sm-Fe所產(chǎn)生的磁致 伸縮效應(yīng)的應(yīng)變被FBG感知，從而測量出母線的電流，該方法實(shí)現(xiàn)了非接入測 量，且不受環(huán)境干擾及影響，具有極大的穩(wěn)定性及較高的精度；本實(shí)用新型提 出了光纖光柵18的固定釆用懸臂梁調(diào)諧結(jié)構(gòu)，采用懸臂梁調(diào)諧機(jī)構(gòu)具有調(diào)諧范 圍寬、線性響應(yīng)度高、溫度不敏感、復(fù)用性好、結(jié)構(gòu)簡單、變形較多、較易控 制啁嗽度等優(yōu)點(diǎn)。
基于高性能的可調(diào)諧窄線寬光纖激光器，提出了一種程控調(diào)諧掃描的波長 檢測方案，以窄線寬光纖激光器作為光源，光纖布拉格光柵與Tb-Dy-Fe和Sm-Fe 結(jié)合起來組成為一個(gè)超》茲致伸縮電流傳感4笨頭，利用Tb-Dy-Fe和Sm- Fe在》茲 場下的伸縮引起布拉格波長的改變，實(shí)現(xiàn)了基于高性能的可調(diào)諧窄線寬光纖激 光器的程控調(diào)諧掃描及信號(hào)處理，以此來測量產(chǎn)生-茲場的待測電流的大??；該 方法信噪比高、解調(diào)原理簡單、設(shè)置靈活、可靠性高。方案中采用介質(zhì)薄膜干 涉濾波器6進(jìn)行波長編程控制，具有良好的溫度穩(wěn)定性，且調(diào)諧方便，調(diào)諧速 度快和調(diào)諧范圍大；采用高摻雜濃度的摻鉺光纖有效地縮短了摻雜光纖的長度， 大大縮小了結(jié)構(gòu)尺寸，提高了光源的穩(wěn)定性和輸出特性。
本實(shí)用新型還提出利用高功率、低噪聲的窄線寬可調(diào)諧摻鉺(Er3+)光纖環(huán) 形腔激光器替代了傳統(tǒng)的ASE (放大自發(fā)輻射)寬帶光源，由多個(gè)基于光纖光 柵的電流傳感器探頭ll構(gòu)成了分布式多點(diǎn)光纖光柵電流傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 21km 的分布式傳感，即把需監(jiān)控的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到中央微機(jī)可 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由超磁致伸縮材料組成的傳感探頭、光纖激光器、Bragg光柵、 嵌入式單片機(jī)等組成光纖光柵電流傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用窄線寬可調(diào)諧摻鉺(Er3+)40nm的波長調(diào)諧范圍，且光強(qiáng)很強(qiáng)，同時(shí)采用波 分和時(shí)分復(fù)用技術(shù)，進(jìn)行多點(diǎn)分布式WDM+TDM傳感實(shí)驗(yàn)。將激光的掃描波長分 為不同的時(shí)隙，每個(gè)傳感點(diǎn)分有一個(gè)時(shí)隙，利用光纖光柵傳感探頭波長變化小 的特點(diǎn)，每個(gè)傳感器探頭分有一個(gè)波長，進(jìn)行M)M,從而實(shí)現(xiàn)WDM+TDM多點(diǎn)分 布式的測量。
參閱圖5與附圖6，設(shè)計(jì)了基于光纖光柵的分布式的長距離非接觸式電流 監(jiān)測系統(tǒng)。光信號(hào)經(jīng)過21km的傳輸之后，信號(hào)的能量有了一定的衰減，3dB帶 寬無明顯變化，說明傳輸過程中信號(hào)不畸變，且仍有較好的信噪比。經(jīng)功率計(jì) 測量后得知，前后兩次的光功率分別為9. 79dBm和-1. 30dBm。由此可知，光纖 的衰減為11. 09dB。
在實(shí)-險(xiǎn)中測得，激光器峰值輸出在大于-9. 30dBm時(shí)，傳感系統(tǒng)都可以在高 信噪比的情況下正常工作。光信號(hào)經(jīng)過21km的光纖傳輸之后，峰值為-6. 95dBm, 功率為完全符合正常工作的要求。因此光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大、A/D轉(zhuǎn)換 后完全可以實(shí)現(xiàn)21km遠(yuǎn)距離的傳感作用。
本實(shí)用新型采用的是高功率、低噪聲的窄線寬可調(diào)諧纟知萍(Er3+)光纖環(huán)形 腔激光器。該光纖激光器采用980nm高功率泵浦激光器作泵浦源，具有功率高、 閾值低、較寬的增益帶寬、簡便穩(wěn)定的調(diào)諧結(jié)構(gòu)、波長連續(xù)可調(diào)、操作簡便、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。此外采用新型增益平坦摻鉺光纖進(jìn)一步增強(qiáng)了光源的穩(wěn)定性 和輸出特性。
參閱圖1,基于光纖光柵的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)主要由泵浦源1、 結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2、滲叫光纖3、第一光隔離器4、分光比80: 20的第一光耦合器5、介質(zhì)薄膜干涉濾波器6、第二光隔離器7、第三光隔離器 8、分光比99: 1的第二光耦合器9、傳輸光纖10、基于光纖光柵的傳感探頭 11、光電探測器12、低噪聲放大電路13、 A/D轉(zhuǎn)換電路14、型號(hào)為89C52的控 制電路15和計(jì)算機(jī)16組成。
泵浦源1的輸出端與結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2的980nm端口光纖 連接，結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2的公共端口與摻鉺光纖3的一端光纖 連接，#^光纖3的另一端與第一光隔離器4的輸入端光纖連接，第一光隔離 器4的輸出端與分光比80:20的第一光耦合器5的公共端光纖連接，分光比 80: 20的第一光耦合器5的80%端口與第三光隔離器8輸入端光纖連接，分光比 80: 20的第一光耦合器5的20%端口與介質(zhì)薄膜干涉濾波器6輸入端光纖連接， 介質(zhì)薄膜干涉濾波器6輸出端與第二光隔離器7的輸入端光纖連接，第二光隔 離器7的輸出端與結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2的1550nm端口光纖連接。 第三光隔離器8輸出端與分光比99: 1的第二光耦合器9的P/。端口光纖連接， 分光比99: 1的第二光耦合器9的99°/。端口與光電探測器12輸入端光纖連接，
8分光比99: 1的第二光耦合器9的公共端口與傳輸光10的一端相連，傳輸光纖 10的另一端與基于光纖光柵的傳感探頭11中光纖光柵18的尾纖17光纖連接。 光電探測器12的輸出端與低噪聲放大電路13的輸入端電線連接，低噪聲放大 電路13的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路14的輸入端電線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路14的輸 出端與控制電路15的輸入端電線連接，控制電路15的輸出端與計(jì)算機(jī)16的輸 入端電線連接，控制電路15與介質(zhì)薄膜干涉濾波器6之間是電線連接。 長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理
參閱圖1,泵浦源l是為窄線寬可調(diào)諧摻鉺(Er3+)光纖環(huán)形腔激光器提供 980nm的泵浦光的泵浦激光器，激光增益介質(zhì)為長約2. 33m的榜辨光纖3，榜辨 光纖3在979nm處的峰值吸收約為14. 8dB/m,其熒光光譜圖如附圖3所示，第 一光耦合器5的分光比為80: 20。采用介質(zhì)薄膜干涉濾波器6進(jìn)行波長調(diào)諧， 調(diào)諧范圍可達(dá)40nm,通過計(jì)算機(jī)16編程控制介質(zhì)薄膜干涉濾波器6進(jìn)行調(diào)諧， 實(shí)現(xiàn)激光在工作波長上的可編程調(diào)諧輸出。
泵浦源l發(fā)出的980認(rèn)的泵浦光經(jīng)過結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2進(jìn) 入摻鉺光纖3，摻鉺光纖3對(duì)980nm的泵浦光進(jìn)行抽運(yùn)，在摻鉺光纖3中形成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并出現(xiàn)ASE,輻射光經(jīng)過分光比80: 20的第一光耦合器5，分光比 80: 20的第一光耦合器5的80%輸出端口提供激光輸出，分光比80: 20的第一 光耦合器5的20%輸出端口提供的激光輸出經(jīng)過介質(zhì)薄膜干涉濾波器6,濾出 所需要波長的激光，經(jīng)結(jié)構(gòu)為980/1550nm的波分復(fù)用器2進(jìn)入4參鉺光纖3,完 成一次循環(huán)；每一次循環(huán)過程中光波的能量均得到放大，當(dāng)增益大于環(huán)路中的 傳輸損耗時(shí)，產(chǎn)生振蕩，從而形成窄線寬可調(diào)諧摻鉺(E +)光纖環(huán)形腔激光器。 隨著泵浦功率的逐漸增加，模式竟?fàn)幖觿?，噪聲隨之下降。第一光隔離器4和 第二光隔離器7的作用是分別從正向和反向壓制ASE噪聲，保證與介質(zhì)薄膜干 涉濾波器6透射波長相同的激光在環(huán)形腔中的單向運(yùn)轉(zhuǎn)，提高激光自身的信噪 比。第三光隔離器8的作用是保證腔中振蕩免于腔外光束的干擾，從而保證激 光工作穩(wěn)定性。
激光的工作波長為ITU-T標(biāo)準(zhǔn)中心波長1550. 12nm, 3dB帶寬和25dB帶寬 分別窄于0. 08nm和0. 22nm，邊^(qū)t抑制比〉60dB?？肌?yàn)l小時(shí)以上，波長不漂移， 波長穩(wěn)定性優(yōu)于0. Olnm,重復(fù)性好，且在輸出功率發(fā)生變化的過程中譜寬保持 穩(wěn)定，完全能夠滿足基于DWDM全光通信的要求。
參閱圖4,圖中所表示的是光纖激光器輸出功率與泵浦功率之間的關(guān)系曲 線?？梢娖渚哂泻芎玫木€性輸出特性。當(dāng)泵浦功率為150mW時(shí)(為了保護(hù)泵浦源 沒有選擇更高功率)，測得光纖激光器的最大輸出功率為38. 94mW，輸出功率穩(wěn) 定性優(yōu)于土O. 02dB;閾值泵浦功率為7. 3mW，斜率效率達(dá)到39. 75°/。。光纖激光器 具有很好的穩(wěn)定性，在儀器測量誤差允許范圍內(nèi)，其重復(fù)測量結(jié)果無明顯變化。分光比80:20的第一光耦合器5的80°/。端口輸出的激光通過第三光隔離器 8、分光比99:1的第二光耦合器9、傳輸光纖IO進(jìn)入基于光纖光柵的傳感探頭 11，光電探測器12將從基于光纖光柵的傳感探頭11反射出來的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為 電信號(hào)，再經(jīng)低噪聲放大電路13后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路14與型號(hào)為89C52的控制 電路15后最終進(jìn)入計(jì)算機(jī)16顯示測量結(jié)果。傳感探頭11上的光強(qiáng)是光纖光柵 18反射譜與介質(zhì)薄膜干涉濾波器6透射鐠的巻積，介質(zhì)薄膜干涉濾波器6線性 調(diào)諧過程中光電流強(qiáng)度的變化曲線即為輸出光譜曲線，曲線的極大值位置即為 光纖光柵18的峰值波長位置。當(dāng)基于光纖光柵的傳感探頭11中的電流發(fā)生變 化時(shí)，光纖光柵18峰值波長發(fā)生改變，光電流輸出曲線的極大值位置也將產(chǎn)生 ，，，、而介質(zhì)，膜干涉濾波器6的波長調(diào)，特性已J先由光譜儀標(biāo)定，、，此在
變化曲線確定光纖光柵18的波長位移。這種波長檢測方法可以取得很高的信噪 比和測量靈壽丈度。
參閱圖2a與圖2b，傳感探頭11主要由尾纖17、光纖光柵18、條形磁鐵19、 基片20、第一導(dǎo)磁軛鐵21、第二導(dǎo)》茲軛鐵22、第一軸桿26、第二軸桿27與電路 接口28組成。其中，基片20是由厚為7. 5^im的聚酰亞胺(該材料的彈性模量小， 熱穩(wěn)定性高)基片24、通過電鍍方法獲得的l^m的Tb-Dy-Fe薄膜23 (義>0)和用 DC磁控濺射法制成的lnm的Sm-Fe薄膜25 (義<0)三部分組成。1^im的Tb-Dy-Fe薄 膜23和lpm的Sm-Fe薄膜25分置于7. 5pm的聚酰亞胺基片24的兩側(cè)，l(om的 Tb-Dy-Fe薄膜23和l,的Sm-Fe薄膜25與7. 5nm的聚酰亞胺基片24是緊密結(jié)合。將 具有正磁致伸縮效應(yīng)和負(fù)》茲致伸縮效應(yīng)的材料結(jié)合在一起可得到較大的變形， 從而實(shí)現(xiàn)高精度的測量。
在第一軸桿26與第二軸桿27上分別纏繞有感應(yīng)線圈，第一導(dǎo)石茲軛4失21套 置在第一軸桿26與第二軸桿27的左端，第二導(dǎo)^f茲軛4失22套置在第一軸桿26 與第二軸桿27的右端成矩形框架。在矩形框架之中放置一作為偏置磁場的條形 磁鐵19,基片20 —端固定在第一導(dǎo)磁軛鐵21的里側(cè)，基片20的另一端處于 自由狀態(tài)，光纖光柵18用粘貼劑緊貼固定在鍍有磁致伸縮薄膜的基片20的固 定端上，所述的粘貼劑采用的是在材料變形時(shí)能及時(shí)地幾乎全部地把變形傳遞 給光纖光柵的M-bond600型粘貼劑，光纖光柵18的尾纖17超出第一導(dǎo)磁軛鐵 21與第二導(dǎo)磁軛鐵22的外側(cè)。整個(gè)矩形框架連同安裝在其中和其上的零部件 一同沿軸線裝置在一個(gè)長圓筒狀的殼體內(nèi)，并加以固定。沿殼體軸線布置的光 纖光柵18的兩端尾纖17從長圓筒狀殼體的兩端伸出，電^4妄口 28固定在長圓 筒狀殼體的一端，電路接口 28—端的兩接口分別與第一軸桿26與第二軸桿27 上纏繞的感應(yīng)線圈電線連接，電路接口 28另一端的兩接口與載有被測電流的載 體電線連接。采用懸臂梁式的調(diào)諧機(jī)構(gòu)是為了得到更高的靈敏度。懸臂梁式的
10調(diào)諧機(jī)構(gòu)具有調(diào)諧范圍寬、線性響應(yīng)度高、溫度不每丈感、復(fù)用性好、結(jié)構(gòu)筒單、 變形較多、波長調(diào)諧范圍較寬、較易控制啁嗽度等優(yōu)點(diǎn)。 基于光纖光柵的傳感探頭的工作原理
載有被測電流的載體通過電線連接到兩電路接口 28上，從而引起第一軸桿 26與第二軸桿27上纏繞的感應(yīng)線圈產(chǎn)生磁場，與內(nèi)置的條形磁鐵19產(chǎn)生的偏 置磁場一起作用于鍍有》茲致伸縮薄膜的基片20上，產(chǎn)生正磁致伸縮的的 Tb-Dy-Fe薄膜2 3便伸長，而產(chǎn)生負(fù)磁致伸縮的1 nm Sm-Fe薄膜2 5會(huì)縮短，鍍 有磁致伸縮薄膜的基片20的末固定端便向下彎曲產(chǎn)生位移，從而引起固定在鍍 有磁致伸縮薄膜的基片20上光纖光柵18向下彎曲，使光纖光柵18產(chǎn)生軸向應(yīng) 變，光纖光柵18的中心波長就會(huì)發(fā)生變化。光纖光柵18峰值波長發(fā)生改變， 光電流輸出曲線的極大值位置也將產(chǎn)生位移，而介質(zhì)薄膜干涉濾波器6的波長 調(diào)諧特性已事先由光譜儀標(biāo)定，從而測出待測電流的大小。
權(quán)利要求1. 一種長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)，包括有泵浦源(1)、波分復(fù)用器(2)、摻鉺光纖(3)、第一光隔離器(4)、第一光耦合器(5)、介質(zhì)薄膜干涉濾波器(6)、第二光隔離器(7)與第三光隔離器(8)；泵浦源(1)的輸出端與波分復(fù)用器(2)的980nm端口光纖連接，波分復(fù)用器(2)的公共端口與摻鉺光纖(3)的一端光纖連接，摻鉺光纖(3)的另一端與第一光隔離器(4)的輸入端光纖連接，第一光隔離器(4)的輸出端與第一光耦合器(5)的公共端光纖連接，第一光耦合器(5)的80％端口與第三光隔離器(8)的輸入端光纖連接，第一光光耦合器(5)的20％端口與介質(zhì)薄膜干涉濾波器(6)的輸入端光纖連接，介質(zhì)薄膜干涉濾波器(6)的輸出端與第二光隔離器(7)的輸入端光纖連接，第二光隔離器(7)的輸出端與波分復(fù)用器(2)的1550nm端口光纖連接；其特征在于，該長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)還安裝有第二光耦合器(9)、傳輸光纖(10)、傳感探頭(11)、光電探測器(12)、低噪聲放大電路(13)、A/D轉(zhuǎn)換電路(14)、控制電路(15)與計(jì)算機(jī)(16)；第二光耦合器(9)的1％端口與第三光隔離器(8)的輸出端光纖連接，第二光耦合器(9)的99％端口與光電探測器(12)的輸入端光纖連接，第二光耦合器(9)的公共端口與傳輸光纖(10)的一端光纖連接，傳輸光纖(10)的另一端與傳感探頭(11)中光纖光柵(18)的尾纖(17)光纖連接，光電探測器(12)的輸出端與低噪聲放大電路(13)的輸入端電線連接，低噪聲放大電路(13)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路(14)的輸入端電線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(14)的輸出端與控制電路(15)的輸入端電線連接，控制電路(15)的輸出端與計(jì)算機(jī)(16)的輸入端電線連接，控制電路(15)與介質(zhì)薄膜干涉濾波器(6)之間是電線連接。
2. 按照權(quán)利要求1所述的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述的泵浦源(1)是通過波分復(fù)用器(2)為超熒光光源提供980nm的泵浦光的 泵浦源；所述的波分復(fù)用器(2)是結(jié)構(gòu)為980nm/1550nm的波分復(fù)用器。
3. 按照權(quán)利要求1所述的長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述的第一光耦合器(5 )是分光比為80: 20的光耦合器；所述的第二光耦合器(9 )是分光比為99: 1的光耦合器； 所述的第一光隔離器(4)、第二光隔離器(7)與第三光隔離器(8)是結(jié) 構(gòu)相同的光隔離器。
4. 一種傳感探頭，其特征在于，傳感探頭包括有尾纖(17)、光纖光柵(18)、 條形磁鐵(19)、基片(20)、第一導(dǎo)磁軛鐵(21)、第二導(dǎo)磁軛鐵(22)、第一 軸桿(26)、第二軸桿(27)與電路4妄口 (28);在第一軸桿(26)與第二軸桿(27)上分別纏繞有感應(yīng)線圏，第一導(dǎo)磁輒 鐵(21)套置在第一軸桿(26 )與第二軸桿(27 )的左端，第二導(dǎo)磁軛鐵(22 ) 套置在第一軸桿(26)與第二軸桿(27)的右端成矩形框架；在矩形框架之中 放置一作為偏置磁場的條形磁鐵(19 ),基片(20 )—端固定在第一導(dǎo)磁軛鐵(21) 的里側(cè)，基片(20)的另一端處于自由狀態(tài)，光纖光柵(18)用粘貼劑固定在 基片(20)的固定端上，光纖光柵(18)的尾纖(17)超出第一導(dǎo)磁軛鐵(21) 與第二導(dǎo)^f茲軛鐵(22)的外側(cè)，整個(gè)矩形框架連同安裝在其中和其上的零部件 一同裝置在一個(gè)圓筒狀的殼體內(nèi)，沿殼體軸線布置的光纖光柵(18)的兩端尾 纖(17)從圓筒狀殼體的兩端伸出，電3^l妄口 (28)固定在圓筒狀殼體的一端， 電鴻-接口 (28) —端的兩接口分別與第一軸桿(26)與第二軸桿(27)上纏繞 的感應(yīng)線圈電線連接，電洛接口 (28)另一端的兩接口與載有被測電流的載體 電線連接。
5. 按照權(quán)利要求4所述的傳感探頭，其特征在于，所述的基片(20)是由厚 為7. 5pm的聚酰亞胺基片(24)、通過射頻磁控濺射法獲得的l^i的Tb-Dy-Fe薄膜(23)和用DC磁控濺射法制成的l^im的Sm-Fe薄膜(25 )三部分組成，l)om的 Tb-Dy-Fe薄膜(23 )和l^m的Sm-Fe薄膜(25 )分置于L S^m的聚酰亞胺基片(24 ) 的兩側(cè)成緊密結(jié)合。
6. 按照權(quán)利要求4所述的傳感探頭，其特征在于，所述的將光纖光柵(18) 固定在基片(20)的固定端上所采用的粘貼劑是在材料變形時(shí)能及時(shí)地幾乎全 部地把變形傳遞給光纖光柵的M-bond600型粘貼劑。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種長距離非接觸式電流監(jiān)測系統(tǒng)及傳感探頭。旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的只能短距離監(jiān)測和精度較低的問題。其方案是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上增裝了第二光耦合器、傳輸光纖、傳感探頭、光電探測器、低噪聲放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制電路與計(jì)算機(jī)。第二光耦合器的1％端口與第三光隔離器的輸出端光纖連接，第二光耦合器的99％端口與光電探測器的輸入端光纖連接，第二光耦合器的公共端口與傳輸光纖的一端光纖連接，傳輸光纖的另一端與傳感探頭中光纖光柵的尾纖光纖連接，光電探測器、低噪聲放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制電路與計(jì)算機(jī)依次是電線連接，控制電路與介質(zhì)薄膜干涉濾波器之間電線連接。傳感探頭是基于光纖光柵的傳感探頭。
文檔編號(hào)G01R15/14GK201251594SQ20082007194
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者瑩 張, 張晉榮, 張樹明, 蔣蒙菊, 郭玉彬, 霍佳雨 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)