一種基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器及其電流檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖電流傳感器，特別是一種基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器及其電流檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力工業(yè)領(lǐng)域中，電流的測(cè)量是必不可少的一項(xiàng)重要參數(shù)，在電能的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和使用過程中，都需要監(jiān)控電流的變化。傳統(tǒng)的電流測(cè)量大多基于歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)或者磁場(chǎng)傳感等效應(yīng)。但傳統(tǒng)非光學(xué)的測(cè)量方法存在電氣絕緣、尺寸和電磁干擾等問題，而光纖電流傳感技術(shù)由于所用光纖介質(zhì)非導(dǎo)體，光信號(hào)的傳輸與檢測(cè)與電磁場(chǎng)完全無(wú)相關(guān)，具有良好電氣絕緣特性和高靈敏度，因而光纖電流傳感技術(shù)得到了逐步重視和快速發(fā)展。
[0003]光纖電流傳感器按照實(shí)現(xiàn)原理分為法拉第效應(yīng)型，磁致伸縮型，電流熱效應(yīng)型，光纖光柵型。法拉第效應(yīng)型是最早提出的，它是利用電流傳感通過檢測(cè)電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)引起通過傳感元件的光的偏置角變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)。這類傳感器因其光路多為空間分立器件，因而長(zhǎng)期工作易受水氣雜質(zhì)影響，長(zhǎng)期可靠性不能滿足實(shí)際需求。
[0004]而另一類光纖光柵型，是通過將電流的電磁作用力或者電場(chǎng)對(duì)材料的磁致伸縮作用通過機(jī)械裝置傳遞給光纖光柵，通過檢測(cè)光纖光柵的光譜變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流檢測(cè)。如:采用電流產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷使布拉格光纖光柵發(fā)生形變，從而檢測(cè)電流；或是通過PZT將材料磁致伸縮調(diào)制于Sagnac環(huán)中傳輸光的相位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)。
[0005]但是現(xiàn)有各種光纖電流傳感都普遍存在一些問題，如:傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受外界環(huán)境或者電磁場(chǎng)的干擾；傳感光纖過短則檢測(cè)精度難以達(dá)到與要求，光纖過長(zhǎng)又易受復(fù)雜的振動(dòng)與溫度環(huán)境影響；Sagnac光纖干涉型電流傳感器易受地球自轉(zhuǎn)和振動(dòng)的影響，且光路無(wú)法做到完全的互易性；常規(guī)光纖光柵傳感器，由于多采用二次效應(yīng)將材料膨脹、伸縮或電磁力傳遞給光纖敏感元件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和靈敏度都受到限制。此外，普通光纖光柵型光纖電流傳感器大多采用布拉格光纖光柵或長(zhǎng)周期光纖光柵作為傳感元件，而這種普通光纖光柵只能利用透射光譜或者反射光譜，一般不能同時(shí)使用兩個(gè)光譜，布拉格光纖光柵由于是纖芯模式之間的耦合，對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)比長(zhǎng)周期光纖光柵差，而普通長(zhǎng)周期光纖光柵只能利用透射譜來(lái)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，且一般其透射光譜的透射峰較寬，這將導(dǎo)致其信號(hào)檢測(cè)精度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器及其電流檢測(cè)方法，以提高傳統(tǒng)光纖電流傳感器的檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，簡(jiǎn)化傳感器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)體積小、成本低、光路應(yīng)用靈活的光纖電流傳感器。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器，其特點(diǎn)是:所述光纖電流傳感器是以光纖上剝離了光纖涂覆層的區(qū)域作為光柵寫入?yún)^(qū)域，在所述光柵寫入?yún)^(qū)域的纖芯上寫入有由長(zhǎng)周期光柵和布拉格光柵套嵌形成的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)；在所述光柵寫入?yún)^(qū)域的外表面蒸鍍有發(fā)熱電極，所述發(fā)熱電極的兩端分別由一根無(wú)氧銅絲引出，用于與外部待測(cè)電路相連。
[0009]本發(fā)明基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器，其特點(diǎn)也在于:所述發(fā)熱電極的厚度為150-500nm ;所述發(fā)熱電極采用電阻率高于10_6Ω.m的高電阻率材料。優(yōu)選的，所述發(fā)熱電極采用N1-Fe合金材料；Ni_Fe合金材料中鎳/鐵質(zhì)量含量的比值隨靶材制作工藝不同，可能采用不同的質(zhì)量比，優(yōu)選為鎳質(zhì)量含量為30 %，鐵質(zhì)量含量為70 %。
[0010]所述光纖為經(jīng)過敏化增強(qiáng)的光纖。優(yōu)選為石英敏化光纖。
[0011]所述復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)周期光柵和布拉格光柵滿足模式耦合共振條件。所述復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)是通過先向光柵寫入?yún)^(qū)域的纖芯上寫入長(zhǎng)周期光柵，然后再二次曝光寫入布拉格光柵的方法實(shí)現(xiàn)。
[0012]所述光柵寫入?yún)^(qū)域的長(zhǎng)度為2?3cm。
[0013]上述的光纖電流傳感器的電流檢測(cè)方法，其特點(diǎn)在于:
[0014]通過所述無(wú)氧銅絲將光纖電流傳感器和外部待測(cè)電路連接，當(dāng)外部待測(cè)電路的電流輸出經(jīng)過發(fā)熱電極時(shí)，所述發(fā)熱電極加熱光柵寫入?yún)^(qū)域，引起光纖電流傳感器的反射譜峰值波長(zhǎng)漂移或透射譜峰值波長(zhǎng)漂移；
[0015]通過光譜檢測(cè)方法檢測(cè)光纖電流傳感器的反射譜峰值波長(zhǎng)或透射譜峰值波長(zhǎng)，獲得外部待測(cè)電路的電流強(qiáng)度信息；或者通過透射光強(qiáng)度檢測(cè)方法檢測(cè)光纖電流傳感器的透射譜峰值波長(zhǎng)漂移引起的光強(qiáng)變化，獲得外部待測(cè)電路的電流強(qiáng)度信息；或者通過反射光強(qiáng)度檢測(cè)方法檢測(cè)光纖電流傳感器的反射譜峰值波長(zhǎng)漂移引起的光強(qiáng)變化，獲得外部待測(cè)電路的電流強(qiáng)度信息。
[0016]與已有光纖電流傳感器相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0017]1、本發(fā)明采用了套嵌光纖光柵結(jié)構(gòu)，該復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)是由長(zhǎng)周期光柵和布拉格光柵套嵌寫入形成，傳輸光場(chǎng)經(jīng)光柵結(jié)構(gòu)耦合將有部分光能量進(jìn)入包層模式，包層模式光場(chǎng)使得光柵對(duì)外界溫度的變化更加敏感，因而能進(jìn)一步提高傳感器對(duì)電流檢測(cè)的靈敏度；另一方面套嵌光纖光柵的反射譜和透射譜中的反射峰和透射峰的線寬都非常窄，只有0.5nm左右，且消光比都達(dá)到35dB以上，這意味著采用套嵌光纖光柵結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器，即可以采用透射譜，也可以用反射譜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)，提高傳感器應(yīng)用光路的靈活性和分辨率。
[0018]2、本發(fā)明采用了將N1-Fe合金薄膜直接鍍膜在光柵寫入?yún)^(qū)域外表面的方法，避免了常規(guī)光纖光柵電流傳感器一般需用復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置將電流產(chǎn)生的溫度變化或應(yīng)力變化傳遞給傳感光柵的不足，既避免了復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)，提高傳感器的可靠性，又能使得傳感光柵能直接感測(cè)到溫度變化，減小熱傳遞路徑，提高傳感器的靈敏度和溫度響應(yīng)速度。
[0019]3、本發(fā)明提出的基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器，由于采用了光纖直接寫入光柵作為傳感元件，因而其體積非常小，傳感器的制作過程無(wú)需經(jīng)過傳統(tǒng)微納器件需要的光刻、顯影、微納加工等工藝，因而傳感器器件的制作成本低。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器的示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明中所涉及的套嵌光纖光柵的制作過程第一步，寫入長(zhǎng)周期光纖光柵的不意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明中所涉及的套嵌光纖光柵的制作過程第二步，二次曝光寫入布拉格光柵的示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器的電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理圖；
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中光纖電流傳感器的電流測(cè)試所獲得的反射譜圖；
[0025]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中光纖電流傳感器的電流-反射譜峰值波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線；
[0026]圖中標(biāo)號(hào):1光纖涂覆層，2光纖包層，3纖芯，4光纖夾具，5氬離子紫外激光器，6長(zhǎng)周期光柵掩模板，7長(zhǎng)周期光柵預(yù)曝光區(qū)域，8布拉格光柵相位掩模板，9發(fā)熱電極，10無(wú)氧銅絲，11光纖，12寬帶光源，13直流電源，14光譜儀，15外部待測(cè)電路正極，16外部待測(cè)電路負(fù)極，17光纖電流傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例基于套嵌光纖光柵的光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)為:以光纖上剝離了光纖涂覆層I的2cm區(qū)域作為光柵寫入?yún)^(qū)域，在光柵寫入?yún)^(qū)域的纖芯3上寫入有由長(zhǎng)周期光柵和布拉格光柵套嵌形成的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)；在光柵寫入?yún)^(qū)域的外表面蒸鍍有厚度為150-500nm的發(fā)熱電極9，發(fā)熱電極9的兩端分別由一根無(wú)氧銅絲10引出，用于與外部待測(cè)電路相連。
[0028]本實(shí)施例基于套嵌