一種集磁反饋型光纖電流傳感器的製作方法

2023-06-09 13:29:41

專利名稱：一種集磁反饋型光纖電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光纖電流傳感器(OCT)，特別是集磁式磁光晶體光纖 電流傳感器(MOCT)的製作方法。屬於傳感技術領域。
背景技術：
伴隨著光導纖維和光纖通訊技術的發展，光纖電流傳感器(OCT)出現了， 它給高電壓、大電流的測量帶來了生機，人們稱它們為電力測量領域中的更新換
代的產品。它具有的優點有抗電磁幹擾、電絕緣性能好、體積小、測量頻帶寬
等。國外OCT的發展比較早，有一些OCT已經掛網運行，並取得了較好的測量 結果；國內該方面的研究起步較晚，但發展速度較快，有些種類的OCT已經處 於掛網運行階段，但大多數較複雜的OCT還處於研究開發階段，目前的研究工 作主要在高等院校和研究所。
對基於磁光晶體的光纖電流傳感器近年來研究較多。近幾年的有西北工業 大學的王美蓉等人(《用於光纖電流傳感器的BGO晶體磁光特性研究》發表於 《光子學報》，2006年1月第1期。)；電子科技大學的李立芳、劉永智等在2007 年第10期《儀表技術與傳感器》上報導了 "集磁型光纖電流傳感器"。然而，由 於常規的光纖電流傳感器的磁光晶體材料幾何結構、磁光晶體材料的費爾德 (Verdet)常數以及其內部線性雙折射等對外界環境(如溫度、振動等)的變化相 當敏感，因此在很多惡劣的環境下，它的長期穩定性很難得到保證，這也阻礙了 MOCT在電力系統中的普及與應用。從陳金玲,李紅斌等於2006.11(21)發表在《電 力系統自動化》雜誌上的".比較式光學電流互感器的信號解調"及李紅斌，劉延 冰.於2004.6(6)發表在《光子學報》上的"基於比較測量法的光學電流互感器" 的論文來看，華中科技大學李紅斌等在2004年和2006年曾提出過採用比較的方 法來提高MOCT的長期穩定性，這種比較式的MOCT必須引入一個參考磁場， 通常是永磁體產生的磁場，這就帶來了一個新的問題，永磁體的磁場不夠穩定， 所以勢必會影響傳感器的最終性能。
本發明提出釆用反饋型磁光晶體光纖電流檢測傳感器，目的在於提高解決傳 感器的穩定性問題，它是採用反饋線圈進行反饋補償控制，從而形成閉環結構的 光纖電流傳感器。

發明內容
本發明公開一種帶有集磁環且採用閉環控制的光纖電流傳感器。該集磁反饋 型光纖電流傳感器是一個系統，包括集磁反饋型光纖電流傳感器的傳感頭結構設 計、對集磁反饋型光纖電流傳感器的傳感頭輸出信號的解調和對集磁反饋型光纖 電流傳感器進行反饋控制的方法。
本發明所述的集磁反饋型光纖電流傳感器，基於Faraday原理，設計成常用 的單光路檢測方法，來實現對信號的調製，集磁型光纖電流傳感器中集磁環的作 用是匯聚磁場，這些是本發明和傳統設計的共有結構。我們的傳感器不同之處在 於，引入的集磁環除了與傳統設計所共有的匯聚磁場作用外，另一主要作用是利 用它來引入反饋。通過在集磁環上繞反饋線圈，使之在磁光晶體處產生一個與被 測電流產生的磁場方向相反的磁場，從而使傳感器始終在偏置磁場附近的一個小 區域內工作，避免了單一使用集磁環容易磁飽和等問題，同時提高了傳感器的線 性測量範圍、線性度、溫度穩定性及動態特性指標。
本發明所述的集磁反饋型光纖電流傳感器，包括光纖、自聚焦透鏡、起偏器、 磁光晶體、檢偏器和集磁環，其特徵在於，集磁環上設置有反饋線圈，反饋線圈 與信號處理電路相連。由於設置了反饋線圈，在磁光晶體處有兩個方向相反的磁 場， 一個是被測電流產生的磁場&，另一個是反饋線圈產生的磁場//2。測量時， 被測電流力穿過傳感器集磁環的中心。通電後，被測電流力會在磁光晶體處產 生一個磁場//7，而反饋線圈通過集磁環的作用，將會在磁光晶體處產生另一個
磁場/^2。
本發明所述的集磁反饋型光纖電流傳感器，反饋線圈中的電流由一個電壓/ 電流轉換電路得到，信號處理步驟是這樣的
(1) 接收與信號調理單元 從磁光晶體出來的被調製後的光束經檢偏器檢偏後，經一個光電轉換電路，
轉換成電壓信號。為了使被測電流為零時，電路輸出為零，設計了一個差動放大 電路，去除本底失調電壓。
(2) 反饋單元
信號調理單元的輸出信號，經電壓/電流轉換電路，把電壓信號轉換成電流 信號/2送入反饋線圈，使之產生一個反饋磁場if2，通過調節電流/2的流向來控制這個反饋磁場/^的方向，使之與///的方向相反，它會根據設計的反饋係數大 小產生與/^相互抵消的一部分磁場，從而使傳感器始終工作在零磁場附近，實 現了對傳感器的閉環控制。 (3)信號輸出單元
傳感器的輸出通過在反饋線圈部分接一個取樣電阻，從而得到反饋電流在該 取樣電阻上的電壓，作為傳感器的輸出電壓。 本發明具體製作方法的步驟
1. 把所有光學元件包括光纖、自聚焦透鏡、起偏器、磁光玻璃和檢偏器用 膠水粘接，其方法如下把光纖固定於自聚焦透鏡的一端，自聚焦透鏡的另一端 耦合至起偏器；將帶有光纖的起偏器的另一側粘貼於與磁光玻璃軸向垂直的其中 一側面；另一個與磁光玻璃軸向相垂直的側面粘接一個檢偏器；檢偏器的另一側 面和第二個自聚焦透鏡相連；將輸出光纖固定於第二個自聚焦透鏡的輸出端。按 附

圖1中的結構粘好。
2. 用漆包線在集磁環上繞反饋線圈
3. 將繞有反饋線圈的集磁環安放在磁光玻璃一側，並與磁光玻璃處於同一 個水平面，以便使磁光玻璃處的磁場延期軸線方向。
4. 把反饋線圈的兩端接入預先搭建的信號處理電路中去(需注意反饋線 圈產生的磁場要與被測電流產生的磁場方向相反)。
檢測時，將裝載被測電流的導線穿於集磁環中間。
本發明與現有技術相比具有如下優點與現有的集磁型磁光晶體式光纖電流 傳感器相比，不容易發生磁飽和；不易受外界環境的幹擾；線性度高，線性測量 範圍大；結構簡單；無需用除法器，信號解調方便；傳感器的長期穩定性好。 說明書附圖
圖1是集磁反饋型光纖電流傳感器的傳感頭結構。圖中1光源，2光纖，3 自聚焦透鏡，4起偏器，5磁光玻璃，6檢偏器，7自聚焦透鏡，8光纖，9 光電探測器，IO被測電流，ll反饋線圈，12集磁環。
附圖2集磁反饋型光纖電流傳感器的系統框圖
附圖3本發明具體實施例子得到的實驗結果。
具體實施方式
實施例h
按以下步驟製作集磁反饋型光纖電流傳感器
(1) 把光纖、自聚焦透鏡、起偏器、磁光玻璃和檢偏器用膠水粘接，具體 是把光纖2固定於自聚焦透鏡3的一端，自聚焦透鏡3的另一端耦合至起偏器 4;將帶有光纖的起偏器4的另一側粘貼於與磁光玻璃5軸向垂直的其中一側面； 另一個與磁光玻璃5軸向相垂直的側面粘接一個檢偏器6;檢偏器6的另一側面 和第二個自聚焦透鏡7相連;將輸出光纖8固定於第二個自聚焦透鏡7的輸出端；
(2) 用漆包線在集磁環12上繞反饋線圈11
(3) 將繞有反饋線圈11的集磁環12安放在磁光玻璃5 —側，並與磁光玻
璃5處於同一個水平面；
(4) 把反饋線圈11的兩端接入預先搭建的信號處理電路中去。
傳感器的傳感頭結構如圖1，光纖2、自聚焦透鏡3、起偏器4、磁光晶體5、 檢偏器6、自聚焦透鏡7、光纖8依次相連，繞有反饋線圈11的集磁環12安放 在磁光玻璃5—側，並與磁光玻璃5處於同一個水平面。工作時，被測電流IO 穿過集磁環12的中間，光源1從光纖2輸入，從光纖8輸出到接收與信號調理 單元的光電探測器9。
大電流的測量集磁反饋型光纖電流傳感器測量大電流的具體實施例子。傳 感頭中的詳細參數:選用磁光材料Bi4Ge3012，它的費爾德常數較大，尺寸為13mm X5mmX5mm;光源是工作波長655nrn的半導體雷射器；集磁環選用坡莫合金 材料，外徑40mm，內徑30mm。集磁反饋型光纖電流傳感器的系統框圖如圖2 所示。從磁光晶體出來的被調製後的光束經檢偏器檢偏後，經一個光電轉換電路， 轉換成電壓信號；信號調理單元的輸出信號，經電壓/電流轉換電路，把電壓信 號轉換成電流信號/2送入反饋線圈，使之產生一個反饋磁場」％，通過調節電流 /2的流向來控制這個反饋磁場/^的方向，使之與/Z/的方向相反，它會根據設計 的反饋係數大小產生與//;相互抵消的一部分磁場，從而使傳感器始終工作在零 磁場附近，實現了對傳感器的閉環控制；傳感器的輸出通過在反饋線圈部分接一 個取樣電阻，從而得到反饋電流在該取樣電阻上的電壓，作為傳感器的輸出電壓。 測量結果如圖3。
權利要求
1、一種集磁反饋型光纖電流傳感器，包括光纖、自聚焦透鏡、起偏器、磁光晶體、檢偏器和集磁環，其特徵在於，集磁環上設置有反饋線圈，反饋線圈與信號處理電路相連。
2、 根據權利要求1所說的集磁反饋型光纖電流傳感器，其特徵在於，所說 的信號處理電路由接收與信號調理單元、反饋單元和信號輸出單元構成；接收與信號調理單元通過光電探測器接收從磁光晶體出來的經檢偏器檢偏 後的光束，經一個光電轉換電路，轉換成電壓信號；反饋單元信號調理單元的輸出信號，經電壓/電流轉換電路，把電壓信號 轉換成電流信號/2送入反饋線圈，使之產生一個反饋磁場/6，通過調節電流A 的流向來控制這個反饋磁場Z/2的方向，使之與//;的方向相反，它會根據設計的 反饋係數大小產生與H7相互抵消的一部分磁場，從而使傳感器始終工作在零磁 場附近，實現了對傳感器的閉環控制；信號輸出單元傳感器的輸出通過在反饋線圈部分接一個取樣電阻，從而得 到反饋電流在該取樣電阻上的電壓，作為傳感器的輸出電壓。
3、 根據權利要求1所說的集磁反饋型光纖電流傳感器，其特徵在於，所說 的磁光晶體是Bi4Ge3012。
4、 一種製備權利要求1所述的集磁反饋型光纖電流傳感器方法，其特徵在於(1) 把光纖、自聚焦透鏡、起偏器、磁光玻璃和檢偏器進行粘接，具體是 把光纖固定於自聚焦透鏡的一端，自聚焦透鏡的另一端耦合至起偏器；將帶有光 纖的起偏器的另一側粘貼於與磁光玻璃軸向垂直的其中一側面；另一個與磁光玻 璃軸向相垂直的側面粘接一個檢偏器；檢偏器的另一側面和第二個自聚焦透鏡相 連；將輸出光纖固定於第二個自聚焦透鏡的輸出端；(2) 採用集磁環，並在集磁環上製作反饋線圈(3) 將繞有反饋線圈的集磁環安放在磁光玻璃一側，並與磁光玻璃處於同 一個水平面；(4) 把反饋線圈的兩端接入信號處理電路中。
全文摘要
本發明屬於傳感技術領域，涉及一種集磁反饋型光纖電流傳感器及其製作方法。所說的集磁反饋型光纖電流傳感器，包括光纖、自聚焦透鏡、起偏器、磁光晶體、檢偏器和集磁環。集磁環上設置有反饋線圈，反饋線圈與信號處理電路相連。本發明通過在集磁環上繞反饋線圈，使測量系統成為一個閉環系統，提高了傳感器的線性測量範圍、線性度、溫度穩定性及動態特性指標，大大提高了光纖電流傳感器的長期穩定性。
文檔編號G02F1/01GK101430347SQ200810155040
公開日2009年5月13日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者張金衛, 鮑丙豪 申請人:江蘇大學