用于电力系统电流和温度测量的光学传感器头的研制

抽象的

呈现了用于在高压环境中使用的电流和温度监测光学装置，特别是传输线。该系统旨在提供测量可靠性，而是提供实用和轻微的重量。光纤布拉格光栅（FBG）用于测量两种物理参数：将使用混合传感器头设置 - 固定在磁致伸缩杆上的FBG - 同时由专用光栅提供单点温度信息。应使用廉价和室外合适的解调方法，例如固定滤波技术，以改善仪器稳健性，避免昂贵且复杂的辅助电子器件。还讨论了实验室测试的初步结果。

1.介绍

电力系统中的不懈测量在各种情况下是强制性的，例如在油业，石油工业中的变电站和电力传输中[1那2］．特别地，传输线，如温度和导体电流参数应该被监控，对于载流容量的评估提供了重要的数据[2］．虽然，电力设施中的通常仪器变压器均具有很大的尺寸，除了沉重。已经讨论了利用法拉第效应的许多光学电流检测装置，因为光学系统经常提供更宽的动态范围，更轻的重量，改善的安全性和电磁干扰免疫力[3.]，由于光纤的内在绝缘方面。

然而，也有一些缺点;法拉第效应除了需要复杂的补偿技术外，还需要昂贵的辅助电子设备、维护和特别设计的光纤来变得可靠。到目前为止，光纤传感器(OFSs)已经被高度应用于电气传感器使用不可靠或可能造成不安全的环境。这一切的实现都得益于光纤Bragg光栅的使用，这种固有光纤传感器通常需要波长解调，需要使用一种叫做光谱分析仪(OSA)的设备[4.］．尽管其可靠性，波长解调程序意味着使用高成本设备参加高频分辨率监测要求，是室外监测的相当限制方面。

已经提出了许多混合光电流传感器的设计方案;其中一些研究了在光纤布拉格光栅上的铁磁棒的磁致伸缩驱动，光纤布拉格光栅附在这种材料上[5.那6.］．仍然，常见的解调技术昂贵或不适合于恶劣环境的长时间操作。光电流换能器的第一开发阶段在本文的第一部分中讨论。示出了用于Terfenol-D的实验室测试装置，示出了呈现正磁致伸缩的合金，并且测试了设计的磁光传感器头。

随后，介绍了系统的温度测量部分。采用FBG作为固定的光谱滤波器;该滤波器作为传感光纤光栅的频谱响应询问器工作，它被提交到诱导和控制的温度变化。在此基础上，对单点测量系统进行了仿真研究。这种光学系统具有降低光纤传感装置成本的潜力，使在存在高电压水平的情况下能够测量动态参数。

2.理论和背景

2.1。光纤布拉格光栅理论

光纤布喇格光栅是简单和无源器件，其由光纤的芯的折射率（RI）的调制。这种技术是最流行的选择对于光纤传感器，用于应变或温度测量中的一个，由于其简单的制造，并且由于相对较强的反射信号。术语纤维布拉格光栅是由Bragg定律借入并适用于常规的电信光纤的纤芯内内切的周期性结构。

如果在晶体材料上入射，则在波长与原子间距的幅度相同的级相同阶数时，发生布拉格衍射。在这种情况下，通过材料的原子以镜面方式散射辐射，并根据布拉格的法律经历建设性干扰。对于用距离分开的晶格平面的结晶固体，如果每个波的路径长度等于波长的整数倍，则波被散射并构成干涉。数字1显示了这种想法，布拉格定律描述了从晶格的几个晶面干涉的条件相隔的距离： 在哪里为入射角，是一个整数，并是波长。通过测量散射辐射的强度作为衍射图来获得衍射图案。每当散射波满足布拉格条件时，观察到衍射图案中的强度强度，称为布拉格峰。

因此，在光栅到光纤芯的铭文之后，由于折射率的周期性调制，沿着纤维的芯引导的光线根据菲涅耳效应将由每个光栅平面弱反射。来自每个光栅平面的反射光将与向后方向上的其他反射一起加入。该添加可以是建设性的或破坏性的，这取决于输入光的波长是否符合由（1)．

现在，根据(1）， 自从和是干扰图案的峰之间的距离，为是近似反射峰值波长。也就是说，光纤现在充当二向色镜，反映了进入光谱的一部分。等式（1)，也必须适用于二氧化硅，因为光通过的距离受光纤折射率的影响: 因此，布拉格波长（）FBG是纤维有效折射率的函数和光栅的周期性()．

本质上是指任何能够改变的外部因素将取代在布拉格波长为中心的反射光谱。甲纵向变形时，由于外力，例如，既可以改变和后者是通过光弹性效应实现的，而前者是通过增大光栅的螺距实现的。同样，温度的变化也可以通过热膨胀和热光效应分别改变这两个参数。

因此，光纤光栅本质上是一个温度和应变传感器，但通过设计适当的界面，可以进行许多其他测量，对光栅施加扰动，导致布拉格波长的位移，然后可以用作参数传感器。因此，使用光纤光栅作为传感器，可以测量应变、温度、压力、振动、位移等。

为了计算布拉格波长对温度和应变的灵敏度，(2）必须使用。请注意，温度的灵敏度是相对于温度的部分导数： 使用 （2） 和 （3.）， 第一项是二氧化硅的热膨胀（）第二项是热光度系数（)表示折射率对温度的依赖关系()．因此, 对应变的敏感性是（2）关于流离失所： 替代两次（2） 在 （5.），

的第一项7.)为由于光纤伸长引起的光栅周期的应变。如果压力应用，然后是一个相对应变已获取FBG。同时，如果光纤光栅有一个长度它会遇到一个压力，但是由于FBG被嵌入到光纤中，那么。延伸的布拉格位移等于具有相同延伸的光栅周期的位移;因此，第一个术语（7.)为单位。

在(7.）是光弹性系数（)，折射率随应变的变化。在某些固体中，根据材料的泊松比，这种影响是负的;也就是说，当透明介质膨胀时，例如光纤，折射率会随着材料密度的减小而减小。然后，当扩展应用于纤维时，(7.）通过增加光栅之间的距离并因此通过降低有效Ri并因此减小布拉格波长来增加光栅之间的距离并因此通过增加距离并因此通过降低布拉格波长来产生相反的效果。两种现象的综合效果是具有菌株的布拉格波长位移​​的经典形式： 在哪里为光栅的纵向应变。结合(5.） 和 （8.）时，获得的布拉格波长随温度和应变的灵敏度[8.那9.]： 在哪里是布拉格波长偏移，是光弹性系数（），  is the strain,温度变化，硅胶的热膨胀系数是多少),是热光系数（用于GE掺杂的二氧化硅光纤）。

因此，在1550 nm波长范围内，将(9.) 这些理论值，载于(10.)，但不是绝对的，因为每个FBG将根据制造程序略有不同的灵敏度，即使是相同的制造批次。

2.2。磁致伸缩现象

磁性材料存在磁致伸缩，这是一种现象，其中由于施加磁场，材料遭受菌株的现象;也就是说，磁性样品在磁化方向上缩小（负磁致伸缩）或膨胀（正磁致索）[10.］．因此，磁致伸缩材料（mm）将磁能转化为机械能，并且逆也是如此;也就是说，当材料遭受外部诱导应变时，其磁状态改变。在提交到磁场时，由萜卷-D棒显示的典型长度变化曲线如图所示2（a），其中A区已达到饱和状态。

应变特性如图所示1用于萜卷-D棒，由铁，铽和镝（巨型磁致伸缩材料-MMM-）组成的合金，具有尺寸，它呈现在图中2 (b)。将材料提交到由实验室电磁铁产生的纵向磁场。

因为它可以在图中看到2（a），当磁场方向相反，即磁场为负时(例如，采用交变磁场时)，就会获得与正磁场相同的信号。因此，对称的磁场会引起同样的应变(整流响应)，所得到的曲线的形状就像一只蝴蝶，也因此得名。

２.３.固定滤波器解调技术

通常，两个光纤布拉格光栅用于采用固定滤波器技术的简单测量系统。除了传感器FBG旁边，称为滤波器FBG的第二光栅用于询问传感器FBG光谱响应。使用该方法时，除了一对光栅之外，还需要宽带光源和光电探测器来实现实际实现。

因此，通过探测反射光功率来获取测量信息，如图中的交点区域所示3.[7.］．该反射功率随传感器FBG频谱特性的变化而变化;因此，固定滤波器方法需要为每个传感器设置一个专用的光电装置[7.］．

3.电流测量分系统

3.1。FBG附件程序

所提出的电流传感器子系统基于磁致伸缩材料对磁场的灵敏度 - 这是由导体中的电流产生的磁场 - 并且布拉格光栅对应变的灵敏度产生。即，当通过磁场改变mm的尺寸时，该应变被发送到附加的FBG，从而实现测量。另一方面，布拉格光栅也对温度变化的敏感性影响，这影响了整体传感器操作。

在清洁表面之后，使用商业氰基丙烯酸酯粘合剂将纤维布拉格光栅固定到三苯酚-D杆上。FBG也在拉伸之前，一种过程，该程序将允许监测磁性弹性伸长和压缩，即在提交给AC磁场时材料遭受。在粘合过程中，将拉伸装置施加到纤维上，同时使用FBG询问器监测布拉格波长偏移（图中呈现了示意图4.)．在图5.，提出了附件的示意图。

3.2。实验室测试装置

为了研究Terfenol-D样品的磁致伸缩特性，并检查光栅在棒上的正确连接，我们构造了一个线圈，使磁光换能器可以用直流电流激励。该测试系统由驱动电路和励磁线圈组成，以直流电流为馈源，为磁致伸缩激活提供了一种方案。

驱动电路图5.（a）是一种直流电源，由三相可变变压器，三相全桥整流器和LC滤波器组成（- 概括），大大减小了负载处的纹波电压（负载由电感器与电阻器串联电感）。进行了许多PSCAD模拟，旨在获得DC电源的优化配置，给定以下几个方面：（a）负载下的纹波电压必须低，（b）必须构建LC滤波器使用商用电容器和具有可行值的电感器在铰接中。

一种高效率的励磁线圈模型提出[11.]，提供由磁场提供的 在哪里法布里因子（或几何因子），是匝数，是电流，线圈内半径是线圈，磁致伸缩棒的长度，是线圈的外和内半径之间的比率， 和为线圈的外半径。

然而，该线圈几何形状提供了大量磁场强度，以牺牲大匝数为代价。设置令人兴奋的线圈时，必须考虑几个方面，例如线圈数量的数量，可用的线仪类型，最大电流，功耗。这些方面必须有权衡，以获得可靠的系统操作。

对于使用AWG-21线设计的激励线圈， m, m, A, and，人们可以获得理论磁场强度约为118 kA/m (1500 Oe)。采用这些参数的励磁线圈给出了一个理论电感 mH and a resistance of 3.1 Ω. Thus, considering that there are two 10.000 μF电容器和1 MH电感可用于LC滤波器设置，测试电路如图所示6（a）已完成。使用PSCAD模型的模拟负载DC电流波形如图所示6（b）。

3.3。电流传感器热响应

在监测应用中，当应变信息是转导过程的一部分时，必须知道测量系统的热行为，因为大多数电流测量在室外进行。这些数据可以稍后应用于补偿温度漂移。为了将附着在Terfenol-D棒上的光栅提交到宽的温度范围，使用由热振动器和带有水的2000ml烧杯组成的测试设置，其中传感器浸没。

考虑到在杆的表面上的布拉格光栅的固定是理想的，在实验期间开发的光纤上的应变是由于磁致伸缩材料线性热膨胀，即，。因此, 在哪里是MM线性热膨胀系数。

用于应变测量，考虑到布拉格波长表达表明[12.，获得操纵(9.），一个人 在哪里是布拉格波长偏移，是测试开始时的布拉格波长，是应变系数（），温度变化，是二氧化硅热膨胀系数，和为折射率(RI)对温度的依赖关系。

因此，使用（12.）， 和 （13.）可以获得 其中，光机械传感器的理论热敏度为(14.)．在这种特殊情况下， nm (°C)和（Terfenol-D）=/°C;因此，布拉格波长作为温度函数的灵敏度是 因此，承认布拉格波长变化无穷小为无穷小的温度变化，从（15.)我们有 在哪里是无限积分的集成常量。

仅考虑拉伸工序作为初始条件之后的布拉格波长 nm (°C)和使用(16.)： 因此，基于terfenol - d的装置的理论热敏感性为

在图7.，给出了电流传感器头在温度变化范围约为60°C时的测量响应。为了便于比较，还显示了调整实验数据和计算理论热灵敏度的趋势线。

3.4。实验和结果

装置暴露在励磁线圈中电流产生的磁场中。传感器位于激励线圈的核心，激励线圈由PVC管机械支撑。考虑到这种安排，将0 - 27a的电流范围传递到负载，同时监测布拉格波长位移和传感器温度。这个最大电流值受到可变变压器容量的限制。

进行了四个测量循环，并将所得曲线列于图中8.。的趋势线，其调整所述数据及其方程，磁场的理论值和实验期间杆的温度，还提出了，以及误差棒占据整个测量温度的影响。知道传感器的热性能（节3.3.）和实验期间的温度，由于温度变化，可以获得布拉格波长移位（BWS），并采用该信息以获取有关热效应的测量误差信息。

基于terfenol - d的原型的布拉格波长显示出正的磁致伸缩，并且布拉格波长随着电流的增加而增加。在不考虑温度影响的实验中，terfenol - d型换能器的平均布拉格波长位移范围为0.449 nm，电流变化范围为27 a。但是，通过图中所示的温度补偿实验得到的趋势线考虑温度效应7.，这种影响必须考虑在内。因此，在本例中，电流传感器显示的平均布拉格波长位移范围为0.417 nm(表1)1)．这是因为当线圈中的电流增加时，由于散热，环境温度也增加了;因此，当温度影响被消除时，实际的布拉格波长移动范围仅由于磁致伸缩驱动。

即，由于应变单独引起的布拉格波长位移是观测到的总位移减去由于温度单独引起的位移。这种方法在实验室实验中是有效的，因为它是可能的电测量温度漂移。但是，情况并非总是如此，因为当地感兴趣的是高电压环境或高电磁干扰存在的地方。测量温度变化的一种更优雅的方法是在同一光纤上使用另一种FBG，它与相邻的光纤在相同的温度下防止应变[3.］．两个FBG将在相同的光纤中，并将提供两种不同的布拉格反射，一个不同的布拉格反射，仅取决于应变和温度，而不是仅受到补偿的温度。

从(3.)，我们有第一个FBG: 在哪里 同样，对于另一个FBG，我们有 在哪里 但由于这种FBG是无力的，因此第一个术语（23.)将不存在等于零。方程式（19.） 和 （23.）可以用矩阵形式编写： 等式（25.）被称为波长换档矩阵，因为其解决方案使得FBG的波长位移作为温度和应变的函数。然而，我们需要找到感测矩阵，其为我们提供应变和温度作为每个FBG的波长位移的函数。为此，我们乘以（25.）通过逆矩阵并得到 反转这一点矩阵，我们有感知矩阵: 在 （27.)，你可以注意到如果 然后不存在用于可能的解决方案（27.） 因为 （19.） 和 （22.）将是两个几乎平行的线条。例如，如果两个FBG具有相同的系数和布拉格波长反射，则会发生这种情况，因此，因此可以平等地移位。注意（20.） 和 （23.)，以及(21.） 和 （24.)，两者仅相差布拉格波长。因此，为了避免(27.)可以使用布喇格峰反射间隔很大的光纤光栅。

现在,解决(27.)应变和温度: 等式（29.)给出FBG 1的真实应变测量值，针对温度变化补偿的测得的。等式（30.)给出传感器的温度。它可以用于进一步的补偿，例如，装置的金属部分的热膨胀。

3．5．交流测量和可调谐滤波器解调

使用光纤光栅和磁致伸缩材料组成的装置测量直流电流的可行性已经被探索到目前为止。还应探索一种户外实用的解调方案，以提供交流电流测量。

进行初步方法中，法布里 - 珀罗可调谐滤波器的配置[13.那14.]来模拟如图所示的滤波器FBG3.。除了其适度的成本外，法布里 - 珀罗可调可调频谱滤波解调方案用作调查电流测量时滤波器FBG的可行性的有用工具。

从这个意义上讲，图中所示的光学设置9.采用法布里-珀罗干涉法和光电探测器-放大器电路对交流电流信号进行解调。来自放大的自发发射(ASE)光源的光通过光环行器(连接器1和连接器2)到达FBG，而来自连接器3的反射信号到达法布里-珀罗可调谐滤波器。在这种解调技术中，到达光电探测器的信号是传感器和滤波器光谱的交集，光电探测器的电信号被放大并使用示波器监控。在这个特殊的设置中，激活线圈直接由来自可变变压器的交流信号驱动。

因为它可以在图中看到10.和11.（其由从示波器保存的图像），两个AC电流信号，具有不同幅度的，被施加到所述线圈，使用可变的变压器。事实上，同样的电流互感器节所述3.2用过;但是，只有一个相位连接到线圈端子。在图中10.和11.，黄色信号是由电流探头获取的参考电流，蓝色信号是由开发的传感器头测量的电流。

注意，在每个示波器屏幕信号的振幅和信号频率从开发的传感器头被提出。在图10.，由于所使用的电流探头提供了10mv / a的输出，因此电流的大小为 A, which corresponds to a photodetector-amplifier voltage output of approximately 5.51 mV (RMS). In Figure11.，目前的幅度增加;因此，我们具有参考当前幅度 A, which corresponds to a photodetector-amplifier voltage output of approximately 19.6 mV (RMS). The developed sensor head signal presents some important features. First, as it can be inferred form Figures10.和11.，传感器头信号显示失真，基本上是已经失真的驱动信号，并且由于磁致伸缩材料中存在的固有滞后。

Second, note that the sensor head output signal presents a frequency of approximately 120 Hz, twice the driving signal frequency (the frequency of the power grid in Brazil is 60 Hz). Recalling the Terfenol-D strain characteristic from Figure2（a），人们可以看出，负磁场在MagneoStrictive材料中产生相同的伸长率，作为正磁场;因此，获得了整流的输出响应;如果期望非连接响应，则必须提供永磁偏置方案。

4.温度测量子系统

4.1。光学设置

使用两个FBG，铭刻在GE掺杂的单模光纤中。他们的选择以这样的方式定义，即应该存在反射光谱交叉路口;但是，布拉格波长不应该是相同的。传感器FBG的标称布拉格波长为1538nm，而过滤器FBG的那个是1540nm，两个值°C。

为了执行固定滤波器解调技术分析，必须知道来自两个光栅的反射光谱。在用于获得频谱的布置中（图12.），我们应用了ASE光源，a耦合器和光谱分析仪。二手ASE是宽带光源（来自Thorlabs的型号FL7002），其在1530nm和1610nm之间具有连续发射光谱，并且通过SMF-28二氧化硅单模光纤向外引导20 MW的光功率峰值。所采用的OSA（来自ANRITSU的型号MS9710C）可以在600nm和1750nm之间表征波长的信号。

用于单固定滤波解调技术实验的所需布置在图中示出13.，其中前面提到的ASE，一个光循环器，一个耦合器和光功率计(PM)也被使用。然而，所使用的光功率计是基于InGaAs光电探测器(型号FPM-8200, ILX光波)的设备，敏感带宽为800-1600 nm。

4.2。FBG光谱和建模

使用图中所示的布置12.，可以表征两个所选择的FBG的反射光谱，并且这些数据可以稍后在计算模拟中使用。获取的频谱数据可以被保存并拍摄于数值计算环境，例如MATLAB以进行进一步研究。因为它可以在图中看到14.那 nm for the sensor FBG and nm for the filter FBG (℃）。

在我们的研究中，传感器FBG被提交到一个模拟的温度变化，而滤波器FBG保持在恒定的温度。然而，为了精确计算描述传感器FBG的热灵敏度，进行了一个实验，该传感器被提交到一个温度变化。因此，将光纤光栅置于大约50°C的温度变化范围内，可以获得布拉格波长偏移，从而为我们的模拟提供所需的信息。为了做到这一点，如图所示的安排12.和一个热激振器(图15.)了。传感器FBG浸入一个装满水的烧杯中，然后加热，如本节所述的步骤3.3.。

结果，所获得的热灵敏度约为10μm/℃。使用此值，我们可以模拟环境温差的增加;随着温度的增加，布拉格波长也以一种方式变化，即两个光谱变得更加叠加。因此，随着叠加增加，也可以测量理论上的光功率，证明具有小于滤波器FBG的布拉格波长的传感器FBG的选择性的光功率°C。

仿真结果如图所示16.其中的120℃（℃从23℃到143）的热变化范围被进行;和用于不同给定温度下的传感器FBG光谱被呈现，并且与所述过滤器FBG光谱，其不受到任何环境影响。因此，随着两个光谱增加之间的相交区域（传感器FBG光谱右移）随着温度的升高，光功率响应也改变，因为它可以从图中推断出17.，其中显示了传感器和滤波器FBG频谱在每个模拟温度下的交集响应。

曲线下面积如图所示17.具有与温度偏移的直接关系。此时，对于每个响应曲线的计算积分可以进行，从而提供图中所示的光功率和温度之间的线性关系18.（也呈现了通过线性回归获得的趋势线和相关系数而获得）。

4．3．实验和结果

实验设置如图所示13.组装，并且传感器FBG是通过在图中所示的加热装置提交给一个实际的温度变化15.。甚至光谱更准确，功率计适用于光功率测量。从这个意义上讲，可以进行动态和立即测量，并且当光栅提交到65℃（15°C高达80°C）的温度变化范围，记录功率计提供的光功率值。这些结果如图所示19.，趋势线调整数据。

从图中可以推断出来19.，在光功率方面的系统响应呈现线性关系，根据温度变化，与模拟结果一致。然而，采用一组三个测量循环，以研究系统滞后及其可重复性。这些结果显示在图中20.在前两个温度变化阶段，测量装置只是加热，而在第三个实验阶段，温度先升高后降低。

5.结论和未来的作品

一旦该材料呈现正磁致伸缩系数，就随着电流的增加，基于萜卷-D基换能器的布拉格波长增加;在实验期间，磁光电流换能器显示出27个范围的平均布拉格波长偏移范围为0.449nm。因此，该稀土合金是在当前监测换能器中使用的合适材料;然而，它显示了对该特定电流范围的改进响应，因为它是巨大的磁致伸缩材料。考虑到对布拉格波长漂移的温度效应，电流换能器显示平均布拉格波长偏移范围为0.417nm。

在实验室实验中采用的温度补偿方法与参考FBG方法相似，确实能够满足室内测量的需要，因为它是一种快速、实用、廉价的方法。然而，由于最终感兴趣的局部是高压环境或存在高电磁干扰的地方，因此讨论了一种更优雅的测量温度变化的方法，即在同一光纤上使用第二个FBG，与相邻的光纤在相同的温度下防止应变。两个FBG将在相同的光纤中，并将提供两种不同的布拉格反射，一个不同的布拉格反射，仅取决于应变和温度，而不是仅受到补偿的温度。

对于室外和实用电流测量，当使用基于FBG伸长率的磁光传感器时，需要一种可行的AC测量的解调方案。从这个意义上讲，使用基于法布里 - 珀罗干涉测量法的解调设置来研究传感器响应，还证明使用两个FBG的固定滤波器技术适合于电流测量系统中使用。即便如此，观察到磁致伸缩换能器的整流输出特性。

一个完整的传感器系统的发展阶段包括使用更大的直流电流来研究材料的饱和区域，以及传感器在不同机械应力和磁偏情况下的响应建模，以确定用于直流和交流电流测量的优化传感器设置。此外，一个户外适当的解调方案将使用固定滤波器技术将被实现。

本文还介绍了一种便宜、简单的单点光学测温装置。基于实际FBG数据的计算仿真表明，系统光功率响应随温度线性变化，实验验证了这一结果。在稳定的环境下，所开发的系统在滞回和重复性方面也取得了良好的效果。未来的工作包括测量不确定度的研究和更可靠的光学系统的实现(用光电探测器和跨阻放大器代替功率计)。此外，测量到的温度数据可以用来补偿影响磁光传感器头采集的电流测量值的热效应。

最终目标是开发一种全光学测量系统，这可能是一种更紧凑和更便宜的替代一些已经讨论过的系统，例如，在[2］．在该具体情况下，可以更换位于恶劣环境中的大多数电子设备。

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