基于电磁式FBG光纤光栅电流传感器的研究

姜志刚

摘 要 本文重点研究了FBG光纤光栅的反射中心波长变化量 与变化的关系。当电流强度从0mA 增至1100mA，每10mA记录下法布里滤波器解调后的布拉格波长变化的数据，经过重复三次实验获得数据，经过MATLAB图像分析，当电流趋于500mA以上时， 与呈现较好的线性关系。同时也分析电磁气隙对电流传感器的影响及电流回程测试缺陷。

关键词 FBG光纤光栅 电磁力 MATLAB图像 电流传感器

中图分类号：TN253 文献标识码：A

Electromagnetic FBG Current Sensor Research Based on FBG

JIANG Zhigang

（Department of Engineering， Wuhan Vocational College of Industry and Trade， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract This paper focuses on the FBG fiber grating reflection wavelength variation and change. When the current intensity increased from 0mA to 1100mA， every 10mA record the shift of the Prague wavelength demodulation method， filter the data， after repeated three times the experimental data obtained， through MATLAB image analysis， when the current tends to be more than 500mA， and showed good linear relationship. At the same time， analysis of electromagnetic air gap effect on current sensor and current return test defects.

Key words FBG fiber； grating electromagnetic force； MATLAB image； current sensor

0 引言

光纤光栅是近十几年来在光纤通信和光纤传感等领域最具有代表性的无源器件成果之一，也成为传感技术中技术革新速度较快方向之一，尤其体现在抗电磁干扰能力强、价格低廉、有较好的柔韧性，而且波分复用性能强，在军工、民用工业上有广泛的应用。近几年在高压输电方向也有较大的技术突破，在传统工业输电传输过程中，电压、电流传感器普遍存在工艺复杂、耗损较高、价格高昂等问题。

现代工业中使用的光纤电流传感器主要有（1）M—Z型光纤电流传感器，其稳态性和可靠性较差，易受到外界环境的影响。（2）磁致伸缩式光纤电流传感器，此类传感器本身形成的磁场易与工作磁场交叉相互产生影响，同时也易受外界温度等因素的影响，稳定度和精度存在不确定性。①本实验采用电流的电磁作用力为工作媒介，引起布拉格光纤光栅（FBG）的栅距产生变化，通过对布拉格中心波长偏移量的测定，即可获得电流数值。

1 布拉格光纤光栅电流传感基本原理

1.1 光纤光栅（FBG）检测理论

通常情况下，光纤光栅在受到紫外线的作用下，容易按折射率分布状态形成周期性的条纹，同时产生布拉格光栅效应，其布拉格波长为

= 2 （1）

式中为布拉格光纤光栅波长，为光纤的有效折射率，为光纤光栅周期。②

在（1）式中，可以看出布拉格中心波长易受折射率和光栅周期的双重影响，即其中的任意一个物理量发生变化，布拉格中心波长将随之发生偏移。在本次实验中，在保持外界工作温度不变的条件下，若对光纤光栅施加轴向均匀的应变，则导致布拉格中心波长的偏移 为③

= （2）

式中为轴向应变， 为中心波长的偏移量，为由弹光系数产生的一个参数，可由实际具体系数计算得到。

1.2 电流电磁力的作用原理

当施加工作电流时，电流会在线圈的周围形成激励磁场，同时也储存了相应的磁场能。其磁场能为

= （3）

而电磁力与磁场能的关系为

= （4）

式中为气隙磁导，为工作气隙，為电磁吸力

当气隙趋向于无限小时，实际气隙磁导可以简化为

= （5）

式中为磁体极化后形成的面积，而磁动势可以简化为④

= （6）

其中为工作线圈的匝数，根据（3）、（4）、（5）和（6）式，得到：

= （7）

根据式（1-7）得到电流形成的实际电磁力与成一次线性关系。⑤结合光纤光栅轴向上的应变，可进一步得到：

= （8）

公式（8）就是布拉格中心波长偏移量 与电流的关系。清晰得到中心波长偏移量越大，则说明工作电流越大，对于常系数，可以通过实验及理论参数推导出来。

1.3 传感器的设计

本次实验中特别设定螺线管线圈匝数为2000匝，阻抗为7.24 ，使用型号为LightwaveLDC-3744B的可调谐恒流电源为螺线管提供工作电流，电流强度调谐精度80，可提供最大电压50伏。

本次实验中，选用的布拉格光纤光栅是用普通单模光纤利用相位掩模法制作而成的，布拉格光纤光栅的总长度为8mm。应用法布里腔原理的光纤布拉格光栅解调器，此光谱仪基于法布里干涉原理对布拉格反射光谱的中心波长进行解调，该仪器具有较高的分辨率，此光谱仪的重要要的特征为：分辨率约为：lpm，中心波长的准确测量精度为？Pm，能量幅值损耗小于10dB，中心波长使用范围为1280～1316nm，扫描频率为50Hz，工作环境温度为-15 55℃。

图1 光纤布拉格光栅电流传感器实验实际结构图

2 实验结果与分析

本次实验的稳定室温为26℃，调整方式为手动直接调整直流电流大小，此温度状态下的中心波长为1302.232nm。在正常工作前，为了避免光纤光栅随温度升高而性能受损，常用的保护方法为在光纤光栅的两端用双面粘贴片，同时，也能对光纤光栅产生较小的前期应力。只需要将环氧树脂涂抹在光纤光栅上。带温度恢复到室温26℃后，重新测定中心波长，并予以记录，实测得中心波长为1303.943nm。当输入直流电流时，采用步进式调整，当电流值调整到位时，锁定电流源并保持10秒钟。借助于光谱仪测定每次输入电流所对应的中心波长值。

逐渐改变电流的大小，利用光谱仪解调不同电流下的中心波长，设计的电流大小从0mA到1100mA，电流大小以10mA步进，以表格的形式记录下每次电流对应的中心波长，分别做三次实验后，利用MATLAB软件，建立纵坐标为中心波长值，单位为pm，横坐标为电流的平方，单位为的图像⑥。

图2 布拉格波长与电流平方的关系

基于此图可以清晰地反映出中心波长和电流的平方之间的实际关系，明显看到电流在500mA以上才出现真正意义上的中心波长与电流平方之间的线性关系。

基于图2中的实验图像，从两个方面分析：（1）当电流大小在500mA以下时，中心波长强度的变化不是特别明显，尤其是电流小于100mA，线性度较差，主要原因受到线圈与导体之间的气隙影响，当电流较小时，外界因素的影响相对较大；（2）当电流大小超越500mA以后，中心波长与电流的平方成线性关系，说明此类电流传感器只适合于测量较强电流或电压，尤其是超大电流。

另外，此实验中只测试了电流从0mA增加到1100mA单向过程中的波长变化情况，而未能对回程情况进行测试和分析，以便更好地研究此类布拉格光纤光栅电流传感器的迟滞性效果，⑦并能进一步设计性能优异的传感器。

3 结束语

在介绍电磁式古拉格光纤光栅电流传感器的基本原理的同时，进一步设计了传感器的组装结构，以此传感器为平台，进行了响应的测试，测试的数据及分析图像都清晰地反映了此类电流传感器的用途和缺陷，以便于进行今后的工作。

注释

① 廖帮全，冯德军等.光纤布拉格光栅电流传感器的理论和实验研究.光學学报，2002.22（9）.

② 王锋，韦兆碧等.光纤电流传感器传感头的结构与原理.仪表技术与传感器，2002（11）.

③ 张君正，刘彬等.光纤高压电流传感器传感头的设计.自动化与仪表，2002（1）.

④ 孙凤池，黄亚楼等.调制—解调技术在光纤传感式电流测量中的应用.南开大学学报（自然科学版），2002（4）.

⑤ 王黎蒙，朱荣华等.光纤Bragg光栅电压传感特性.传感技术，2000.19（3）.

⑥ 赵立民，秦天鹤.利用电磁铁的光纤光栅电流传感实验.沈阳工业大学学报，2005（5）.

⑦ 鲁怀敏，方海峰.光纤电流传感系统影响因素分析.电子技术应用，2013（6）.