專利名稱：一種光纖光柵f-p電流傳感器的傳感頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種不受溫度影響的光纖光柵F-P電流 傳感器的傳感頭，還涉及其制作方法。
背景技術(shù)：
電流傳感器是傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。在電力工業(yè)中要對(duì)輸電線路的電 壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。但是傳統(tǒng)的電磁式傳感器面臨高壓、絕緣性能差、以及電 磁干擾等問題，進(jìn)行測(cè)量給電學(xué)敏感元件帶來了危險(xiǎn)，也使得測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高 昂。一些學(xué)者提出了光纖光柵F-P(法布里一珀羅，F(xiàn)abry-Perot)電流傳感器?，F(xiàn)有公開 的文獻(xiàn)“基于光纖Fabry-Perot的電流傳感器(《重慶大學(xué)學(xué)報(bào)》(自然科學(xué)版)，Vol. 30， No. 3，2007，p23-30) ”提到了用光纖Fabry-Perot建立的電流傳感器，但這種傳感器因?yàn)槭?用了鐵芯和線圈從而存在磁滯和電感，以至于只適合用于測(cè)量小電流。文獻(xiàn)“一種新型光纖 光柵法布里-珀羅電流傳感器系統(tǒng)(《光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)》No. 4，2007，ρ 1 7-20)” 建立的電流傳感器沒有考慮所用的磁致伸縮材料存在的溫度和應(yīng)力交叉敏感問題，從而降 低了該傳感器在室外環(huán)境溫度變化條件下使用的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，以及制作這種傳 感器的傳感頭的方法。這種不受溫度影響的光纖光柵F-P電流傳感器能很好解決光纖光柵 F-P電流傳感器的磁致伸縮材料溫度和應(yīng)力的交叉敏感問題。本發(fā)明的光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，由兩塊材料相同的磁致伸縮材料緊 密連接在一起，兩塊磁致伸縮材料的磁致伸縮方向相互垂直，光纖光柵F-P粘貼在兩塊磁 致伸縮材料上面，其中光纖光柵F-P的一個(gè)TOG的一半位于在其中一塊磁致伸縮材料上面， 其余部分位于另一塊磁致伸縮材料上面。所述光纖光柵F-P粘貼在磁致伸縮材料的中央且與長邊平行，磁致伸縮材料的邊 長為2 100mm，厚為0. 5 20mm。本發(fā)明所述光纖光柵F-P電流傳感器傳感頭的制作工藝，包括下述步驟1、根據(jù)計(jì)算選取合適參數(shù)的光纖光柵F-P ；2、選取合適長度的磁致伸縮材料，將磁致伸縮材料的表面進(jìn)行平整光潔；3、將兩塊磁致伸縮材料按圖1置于平面上并依次用膠粘接；4、將光纖光柵F-P粘貼在結(jié)構(gòu)件上表面。所述光纖光柵F-P使用前需在丙酮中浸泡10分鐘取出，擦洗干凈再用酒精擦拭， 并在其兩端粘接導(dǎo)光光纖；所述磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)和線性工作區(qū)間及長度滿足測(cè)量要求；使用 前需在其表面噴上脫脂液，擦拭干凈，然后用加有水基酸表面清潔液的1000號(hào)砂紙仔細(xì)打 磨，再用堿性表面水基酸清潔液除去表面的酸性清潔液和細(xì)沙粒。
所述磁致伸縮材料用膠粘接需保證其上表面處于同一平面內(nèi)。所述光纖光柵是用熱膨脹小、凝固強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易老化變質(zhì)的環(huán)氧膠粘合 固定于兩塊磁致伸縮材料表面。本發(fā)明的電流傳感器的傳感頭，設(shè)計(jì)上利用了磁致伸縮材料的磁致各向異性的特 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了磁致伸縮材料溫度應(yīng)變和磁場(chǎng)應(yīng)變的分離，完成了對(duì)傳感頭的溫度應(yīng)變和磁場(chǎng) 應(yīng)變的分立測(cè)量，解決了磁致伸縮材料溫度和應(yīng)力的交叉敏感問題，濾除了傳感頭所處環(huán) 境的溫度變化對(duì)所測(cè)結(jié)果帶來的影響，因此本發(fā)明提供的光纖光柵電流傳感器的精度高、 可靠性好；且該設(shè)計(jì)是全光纖結(jié)構(gòu)，解決了電磁絕緣問題，特別是在高壓領(lǐng)域優(yōu)于傳統(tǒng)的電 磁式傳感器。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，體積小，使得裝置在掛網(wǎng)運(yùn)行上方便、簡單、易于 操作，且光纖光柵有成熟的解調(diào)技術(shù)，易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭的實(shí)施方式進(jìn)一步詳 細(xì)描述。


1-導(dǎo)光光纖 2-磁致伸縮材料 3-磁致伸縮材料 4-光纖光柵5-表面開槽的磁致伸縮材料 6-表面開槽的磁致伸縮材料圖1是本發(fā)明光纖光柵電流傳感器的傳感頭實(shí)施方式一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式二的磁致伸縮材料表面開槽示意圖。圖3是未加磁場(chǎng)只受溫度影響的光纖光柵F-P的反射譜圖。圖4是磁場(chǎng)和溫度影響產(chǎn)生分裂后的光纖光柵F-P和FBG的反射峰圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一圖1是本發(fā)明光纖光柵電流傳感器的傳感頭實(shí)施方式一的結(jié)構(gòu)示意圖。所述的光 纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，包括導(dǎo)光光纖1、磁致伸縮材料2、磁致伸縮材料3、光纖 光柵4。所述磁致伸縮材料2和磁致伸縮材料3首尾連接，光纖光柵4完全粘貼在表面上。 當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖光柵F-P的反射譜會(huì)發(fā)生整體漂移；但磁致伸縮材料2的磁致伸縮方向 平行于外磁場(chǎng)方向，磁致伸縮材料3的磁致伸縮方向垂直于外磁場(chǎng)方向，外磁場(chǎng)變化則使 兩塊磁致伸縮材料產(chǎn)生不同的應(yīng)變帶動(dòng)光纖光柵使光纖光柵的反射譜分裂為一個(gè)光纖光 柵F-P的反射峰和一個(gè)FBG的反射峰，光纖光柵F-P的反射峰的小峰間距同時(shí)包含溫度與 磁場(chǎng)的信息，F(xiàn)BG的反射峰與光纖光柵F-P的反射峰的間距只包含溫度的信息，通過運(yùn)算可 得到母線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，再根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以計(jì)算出高壓輸電母線的電流大小， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電母線的精確監(jiān)控。所述制作光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭的工藝，包括下述步驟1、根據(jù)計(jì)算選取合適參數(shù)的光纖光柵F-P ；2、選取合適長度的磁致伸縮材料，將磁致伸縮材料的表面進(jìn)行平整光潔；3、將磁致伸縮材料按圖1置于平面上用膠粘接；4、將光纖光柵F-P粘貼在結(jié)構(gòu)件表面上。所述根據(jù)計(jì)算選取合適參數(shù)的光纖光柵F-P的步驟1，實(shí)施過程為a、選取柵長40mm,中心反射波長為1550nm的光纖光柵F-P ；b、所用光源為中心波長是1550nm的寬帶光
源；c、將光纖光柵在丙酮中浸泡10分鐘取出，擦洗干凈再用酒精擦拭，并在其兩端粘合導(dǎo) 光光纖。所述選取合適長度的磁致伸縮材料，并將磁致伸縮材料的表面進(jìn)行平整光潔的步 驟2，實(shí)施過程為a、選取磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)和線性工作區(qū)間須滿足測(cè)量要求， 用超磁致伸縮材料TbO. 30Dy0. 70Fel. 95，工作的磁場(chǎng)線性區(qū)間為20-100毫特；b、選取的兩 塊磁致伸縮材料的大小為20mmX8mmX4mm ；c、其中一塊磁致伸縮材料2的磁致伸縮方向必 須與長方體的長邊平行，與另一方向的邊垂直，另一塊磁致伸縮材料3的磁致伸縮方向必 須與長方體的長邊垂直，與另一方向的邊垂直；d、在磁致伸縮材料的上下表面噴上脫脂液， 擦拭干凈；e、用加有水基酸表面清潔液的1000號(hào)砂紙仔細(xì)打磨；f、再用堿性表面水基酸清 潔液除去表面的酸性清潔液和細(xì)沙粒。所述將磁致伸縮材料按圖1置于平面上用膠粘貼的步驟3，實(shí)施過程為a、將磁致 伸縮材料按圖1放置于平面上；b、在其端面涂環(huán)氧膠將其粘結(jié)，保證其上表面處于同一水 平面內(nèi)。所述將光纖光柵F-P粘貼在結(jié)構(gòu)件表面上的步驟4，實(shí)施過程為a、用熱膨脹小、 凝固強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易老化變質(zhì)的環(huán)氧膠；b、環(huán)氧膠均勻的涂在平整光潔后的磁致伸 縮材料表面。待所涂膠凝固便完成了設(shè)計(jì)，得到了光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭。實(shí)施例二 圖2是本發(fā)明實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)示意圖。所述光纖光柵F-P電流傳感器傳感頭結(jié) 構(gòu)與實(shí)施方式一類似。圖2所示在磁致伸縮材料5和磁致伸縮材料6的表面上開有凹槽， 將磁致伸縮材料5和磁致伸縮材料6的凹槽對(duì)齊并依次粘接，再把光纖光柵F-P置于凹槽 內(nèi)用膠粘貼。以減少溫度對(duì)光纖光柵F-P本身的影響，增加光纖光柵F-P與磁致伸縮材料 的親和力，提高光纖光柵F-P的應(yīng)變響應(yīng)，可進(jìn)一步提高測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差。所述制作光纖光柵F-P電流傳感器傳感頭的工藝，依次包括下述步驟1、根據(jù)計(jì)算選取合適參數(shù)的光纖光柵F-P ；2、選取合適長度的磁致伸縮材料，將磁致伸縮材料的端面進(jìn)行平整光潔；3、將磁致伸縮材料按圖1置于平面上用膠粘結(jié)；4、將光纖光柵F-P埋入磁致伸縮材料表面的凹槽內(nèi)。所述根據(jù)計(jì)算選取合適參數(shù)的光纖光柵F-P步驟1，實(shí)施過程為a、選取柵長 40mm,中心反射波長為1550nm的光纖光柵F-P ；b、所用光源為中心波長是1550nm的寬帶光 源；c、將光纖光柵F-P在丙酮中浸泡10分鐘取出，擦洗干凈再用酒精擦拭，并在其兩端粘合 導(dǎo)光光纖。所述選取合適長度的磁致伸縮材料并將磁致伸縮材料的端面進(jìn)行平整光潔的步驟2，實(shí)施過程為a、選取磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)和線性工作區(qū)間須滿足測(cè)量要求， 用超磁致伸縮材料TbO. 30Dy0. 70Fel. 95，工作的磁場(chǎng)線性區(qū)間為20毫特-100毫特；b、選 取的兩塊磁致伸縮材料的大小為20mmX8mmX4mm ；c、磁致伸縮材料5的磁致伸縮方向必 須與長方體的長邊平行，與另一方向的邊垂直，磁致伸縮材料6的磁致伸縮方向必須與長 方體的長邊垂直，與另一方向的邊垂直；d、兩塊在磁致伸縮材料的端面噴上脫脂液，擦拭干 凈；e、用加有水基酸表面清潔液的1000號(hào)砂紙仔細(xì)打磨；f、再用堿性表面水基酸清潔液除去表面的酸性清潔液和細(xì)沙粒。所述將磁致伸縮材料按圖1置于平面上用膠粘接的步驟3，實(shí)施過程為a、將磁致 伸縮材料按圖1放置于平面上；b、在其端面涂環(huán)氧膠并將其粘接，保證兩個(gè)凹槽的凹面對(duì) 齊，上表面處于同一水平面內(nèi)。所述將光纖光柵F-P埋入磁致伸縮材料表面的凹槽內(nèi)的步驟4，實(shí)施過程為a、用 熱膨脹小、凝固強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易老化變質(zhì)的環(huán)氧膠；b、將光纖光柵F-P放入磁致伸 縮材料上的凹槽內(nèi)，再用環(huán)氧膠均勻的涂在周圍進(jìn)行封裝。待所涂膠凝固便完成了設(shè)計(jì)，得 到光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭。本發(fā)明把兩塊相同的磁致伸縮材料粘接在一起形成一個(gè)結(jié)構(gòu)件，再把光纖光柵 F-P粘貼在結(jié)構(gòu)件表面。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件所用材料的熱膨脹系數(shù)相同，如圖3所示，溫度變化僅 使得光纖光柵的反射譜整體漂移；但兩塊材料的磁致伸縮方向不同，如圖4所示，磁場(chǎng)變化 使反射譜分裂為一個(gè)光纖光柵F-P的反射峰和一個(gè)FBG的反射峰，光纖光柵F-P的反射峰 的小峰間距同時(shí)包含溫度與磁場(chǎng)的信息，F(xiàn)BG的反射峰與光纖光柵F-P的反射峰的間距只 包含溫度的信息，通過運(yùn)算，再利用電流、磁場(chǎng)及磁致伸縮材料的伸縮量之間的線性關(guān)系就 可達(dá)到測(cè)量電流的目的。此電流的測(cè)量值不受環(huán)境溫度變化的影響，因此本發(fā)明提供的光 纖光柵F-P電流傳感器傳感頭的測(cè)量精度高，可以在高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電母線的精確監(jiān) 控，在實(shí)際生產(chǎn)中具有極大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，包括兩塊材料相同的磁致伸縮材料和一根光纖光柵F-P，其特征在于所述兩塊磁致伸縮材料(2)和磁致伸縮材料(3)用環(huán)氧膠緊密粘接，且磁致伸縮方向互相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，其特征在于磁致 伸縮材料是能在外磁場(chǎng)中發(fā)生形變的合金材料，邊長為2 100mm，厚為0. 5 20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭，其特征在于所述 光纖光柵F-P粘貼在兩塊磁致伸縮材料的上表面中間部位且與長邊平行。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述的光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭及其制作方法，其 特征在于該工藝方法包括(a)選取合適的光纖光柵F-P；(b)選取合適長度的磁致伸縮材料，將磁致伸縮材料的表面進(jìn)行平整光潔；(c)將磁致伸縮材料按圖1置于玻璃板上并依次用膠粘接；(d)光纖光柵F-P粘貼在結(jié)構(gòu)件上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭及其制作方法，其特 征在于所述的光纖光柵是選取柵長40mm，中心反射波長為1550nm的光纖光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭及其制作方法，其特 征在于兩塊磁致伸縮材料的長度等于光纖光柵柵長的一半，其大小為20mmX8mmX4mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不受溫度影響的光纖光柵F-P電流傳感器的傳感頭及其制作方法，該傳感器的傳感頭在設(shè)計(jì)上利用了磁致伸縮材料的磁致各向異性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了磁致伸縮材料溫度應(yīng)變和磁場(chǎng)應(yīng)變的分離，解決了磁致伸縮材料溫度和應(yīng)力的交叉敏感問題，濾除了傳感頭所處環(huán)境的溫度變化對(duì)所測(cè)結(jié)果帶來的影響。本發(fā)明提供的光纖光柵F-P電流傳感器的精度高、可靠性好，而且該設(shè)計(jì)是全光纖結(jié)構(gòu)，解決了電磁絕緣問題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，體積小，使得裝置在掛網(wǎng)運(yùn)行上方便、易于操作，可以在高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電母線的精確監(jiān)控。
文檔編號(hào)G01R15/24GK101833024SQ20091002144
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者周王民, 李文博, 王虎, 田晶, 魏志武 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)