基于磁流体的光纤反射式电流传感器、系统及方法与流程

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器、系统及方法。

背景技术：

柔性直流输电技术是继交流输电、常规直流输电之后实现直流电网和新能源并网最具潜力的新一代输电技术，其由柔性直流换流站和直流输电线路组成。柔性直流换流站主要完成交直流电的互相转换，其核心设备是双极性晶体管(igbt)，而实时监测连接igbt的铜排直流电大小，对于整个换流站的安全稳定运行至关重要。

目前电力系统中对于电流的监测主要用到的是电磁式电流互感器，但电磁式电流互感器一方面存在瞬态响应差、信号不稳定的问题，从而会影响电流测量精度；另一方面它还存在绝缘困难的问题，容易出现故障，甚至会酿成电力事故。所以寻求一种能够替代电磁式电流互感器的新型电流传感方法对于维持整个电力系统的安全可靠运行势在必行。

文献“陆樟献，陈善飞，陈建萍.磁性流体薄片高电压电流光学测量的研究[j].光学学报,2007,27(6):1049-1051”中，应用磁流体光透射率的可控性设计了一种用磁流体薄膜对高压电流进行光学测量的电流传感器，磁流体薄膜受到垂直外磁场作用，引起磁流体薄膜的光透射率的变化，通过改变磁流体的浓度和基液，或者改变传感头的结构，来达到实际需要的传感灵敏度和相应时间。但是，磁流体薄膜结构的制作工艺复杂，要求严格，磁流体薄膜厚度需要在微米量级，制作工程中容易出现磁流体不均匀的情况，进而会影响到电流的测量结果，而且该结构在工程中不易安装。

技术实现要素：

为解决现有电流传感器存在的瞬态响应差、信号不稳定和绝缘困难的问题，本发明提供一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器、系统及方法。

本发明提供的一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器，包括：毛细管和光纤，所述毛细管内填充磁流体，所述毛细管的两端端口通过胶体进行密封；所述光纤的一端插入所述毛细管内，所述光纤的另一端裸露在毛细管外；其中，位于毛细管内的光纤端面为通过沿垂直光纤轴线方向切割光纤后所形成。

进一步地，插入毛细管内的光纤的一端位于毛细管内的1/3处。

进一步地，所述磁流体为fe3o4水基磁流体。

本发明提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统，包括光源、环形器、传感探头、光电探测器、信号处理单元和pc端，所述光源、环形器和传感探头依次通过光纤连接，信号处理单元为所述光源提供驱动信号，环形器还通过光纤与光电探测器连接，光电探测器、信号处理单元和pc端依次电连接；所述传感探头采用上述的基于磁流体的光纤反射式电流传感器。

进一步地，电流传感路径为：光源发出的光束经环形器进入传感探头，经传感探头反射回的光束再次经环形器到达光电探测器，光电探测器将探测信号传入至信号处理单元进行信号处理得到待测电路的电流信号，pc端对电流信号进行显示。

进一步地，所述信号处理单元包括单片机、驱动电路、i/u转换及运放电路、a/d转换器和电源；所述单片机连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接光源，驱动光源发出光束；所述光电探测器的输出端连接i/u转换及运放电路的输入端，i/u转换及运放电路的输出端连接a/d转换器的输入端，a/d转换器的输出端连接至单片机。

进一步地，所述光源为dfb激光器。

本发明提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感器的制作方法，包括：

步骤1：选取毛细管，所述毛细管的一端为开口端，在所述毛细管的管身上方的两端分别开设第一孔和第二孔；

步骤2：选取光纤，沿垂直光纤轴线方向切割光纤的一端，形成光纤端面；

步骤3：将光纤形成光纤端面的一端沿毛细管轴线方向从毛细管的开口端插入毛细管内；

步骤4：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤进行固定；

步骤5：将磁流体通过所述第一孔注入毛细管内，同时通过所述第二孔排出毛细管中的空气；

步骤6：密封所述第一孔和所述第二孔，至此形成基于磁流体的光纤反射式电流传感器。

本发明提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感方法，包括：

步骤1：采用已知样品标定法按照式(6)得到系统的本征反射光功率p0：

其中，s为光纤端面的有效截面积，pa和pw分别为将预封装的光纤置于第一样品中和第二样品中测得的反射光功率，nf、na和nw分别为光纤纤芯、第一样品和第二样品的折射率；

步骤2：根据所述本征反射光功率p0，按照式(7)计算得到光纤置于磁流体中的反射光功率pmf和磁流体折射率nmf的关系式：

其中，kmf为磁流体的衰减系数；

步骤3：按照式(8)计算得到磁流体折射率nmf：

步骤4：按照郎之万函数定义的磁流体折射率与磁场之间的关系，计算得到磁场信息，按照毕奥-萨伐尔定律定义的磁场信息与电流之间的关系，得到待测电路的电流大小。

本发明的有益效果：

1、安全绝缘：本发明提供的传感器中的传感结构主要由光纤构成，光纤具有绝缘、耐腐蚀、耐高温的特点，能适应换流站高电压强磁场的复杂环境。

2、瞬态响应快，信号稳定：由于磁流体材料具有无磁滞效应，响应迅速的特点，因此，本发明提供的基于磁流体的传感器瞬态响应快，信号稳定。

3、灵敏度高：磁流体折射率对电流磁场的变化非常敏感，本发明提供的传感器正是利用磁流体的折射率可控特性，因此传感器对电流变化的灵敏度很高。

4、结构轻巧，易于制作和安装：本发明的传感器由光纤、磁流体和毛细管构成，结构组成简单，制作方法简单，体积微小，易于在电力设备复杂的结构中布置安装，而且几乎不占据电力系统的空间。

5、应用前景广阔：本发明提供的电流传感器、系统及方法可适用于多应用场合的电力设备，除了换流站之外，还可应用于化工厂、石油管道、汽车装备等等应用场景下的电力设备。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的位于毛细管内的光纤端面示意图；

图4为本发明实施例提供的毛细管的管身上方的第一孔和第二孔的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于磁流体的光纤反射式电流传感系统的结构示意图之一；

图6为本发明实施例提供的一种基于磁流体的光纤反射式电流传感系统的结构示意图之二；

图7为本发明实施例提供的信号处理单元中的单片机的电路结构示意图；

图8为本发明实施例提供的信号处理单元中的i/u转换及运放电路结构示意图；

图9为本发明实施例提供的信号处理单元中的a/d转换器电路结构示意图；

图10为本发明实施例提供的信号处理单元中的光源电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

磁流体又被称为磁性液体，是既拥有固体磁性材料的磁学特性，又有液体的流动性的稳定的胶体体系。它的组成包括磁性颗粒、表面活性剂和载液三部分，纳米级强磁性的固体颗粒(直径一般为10nm左右)在表面活性剂的包覆下均匀分散于某种载液。作为一种特殊的新型智能纳米材料，磁流体具有一些特殊的光学特性，如磁流体的磁控折射率特性(即折射率能随磁场的变化而变化的特性)。本发明正是利用磁流体的磁控折射率特性设计了一种新型的电流传感器。

实施例1

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器，包括：毛细管1和光纤2，所述毛细管1内填充磁流体3，所述毛细管1的两端端口通过胶体4进行密封；所述光纤2的一端插入所述毛细管1内，所述光纤2的另一端裸露在毛细管1外；其中，位于毛细管1内的光纤端面5为通过沿垂直光纤2轴线方向切割光纤2后所形成。如图2所示，作为一种可实施方式，插入毛细管1内的光纤2的一端位于毛细管1内的1/3处，所述磁流体为fe3o4水基磁流体。

将光纤插入毛细管的1/3处，可以保证光纤端面完全浸入在磁流体的环境中，且使得光纤在毛细管内具有一定余量，可以增加胶体与光纤的接触面，保证光纤不易从毛细管中脱落；此外，在保证光纤在毛细管内具有一定余量的基础上，也一定程度上避免光纤插入过长造成光纤浪费，节约了光纤的用量。相比其他类型的磁流体，水基磁流体采用去离子水作为基液，性能稳定安全，成本低，易于制作。

实施例2

对应地，本发明实施例还提供一种基于磁流体的光纤反射式电流传感器的制作方法，包括以下步骤：

s101：选取毛细管1，所述毛细管1的一端为开口端，在所述毛细管1的管身上方的两端分别开设第一孔6和第二孔7，如图4所示；

具体地，可采用直径为3mm、长度为5cm的聚酰亚胺材质的毛细管。

s102：选取光纤，沿垂直光纤轴线方向切割光纤的一端，形成光纤端面；

具体地，可以采用fc-6s光纤切割刀切割光纤，使光纤端面被切平。光纤采用单模光纤，单模光纤模间色散很小，适用于长距离传输。

s103：将光纤形成光纤端面的一端沿毛细管轴线方向从毛细管的开口端插入毛细管内；

s104：通过胶体对毛细管的两端端口进行密封，同时对光纤进行固定；

具体地，胶体可使用uv胶。

s105：将磁流体通过所述第一孔6注入毛细管内，同时通过所述第二孔7排出毛细管中的空气；

需要注意的是，注射磁流体过程应避免产生气泡，因此设置了第二孔7用于排尽毛细管中的空气。磁流体采用fe3o4水基磁流体，如emg605。

s106：密封所述第一孔6和所述第二孔7，至此形成基于磁流体的光纤反射式电流传感器。

从上述内容可知，本发明实施例提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感器，相比于采用磁流体薄膜对高压电流进行光学测量的电流传感器而言，本发明用光纤端面置于磁流体环境的毛细管结构，磁流体环境稳定，能有效保证测量结果的稳定性；传感探头结构微小，有利于在工程中的安装，在狭小空间生存性强，材料绝缘安全，性能稳定，能有效满足工程的苛刻要求；制作工艺简单，利于批量生产。

实施例3

如图5所示，本发明实施例还提供一种基于磁流体的光纤反射式电流传感系统，包括光源、环形器、传感探头、光电探测器(也简称pd)、信号处理单元和pc端，所述光源、环形器和传感探头依次通过光纤连接，信号处理单元为所述光源提供驱动信号，环形器还通过光纤与光电探测器连接，光电探测器、信号处理单元和pc端依次电连接；所述传感探头采用实施例1所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感器。

具体地，在使用时，需要将传感探头放置在待测电路(例如通电铜排)所产生的磁场中。本发明实施例提供的电流传感系统的电流传感路径为：光源发出的光束经环形器进入传感探头，经传感探头反射回的光束再次经环形器到达光电探测器，光电探测器将探测信号传入至信号处理单元进行信号处理得到待测通电铜排的电流信号，pc端对电流信号进行显示。

如图6所示，本发明实施例中的信号处理单元包括单片机、驱动电路、i/u转换及运放电路、a/d转换器和电源；所述单片机连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接光源，驱动光源发出光束；所述光电探测器的输出端连接i/u转换及运放电路的输入端，i/u转换及运放电路的输出端连接a/d转换器的输入端，a/d转换器的输出端连接至单片机。作为一种可实施方式，如图7至图10所示，电源采用±5v电压源，为整个电路系统提供±5v电压；单片机型号为at89c51；驱动电路中的驱动芯片采用uln2003功耗驱动芯片；a/d转换器采用adc0809；光源采用波长为1550nm的dfb激光器；i/u转换及运放电路中采用ad626运算放大器，具体由两个ad626组成：第一个ad626接电阻作跨阻放大器，实现i/u转换同时放大电压，第二个ad626作电压跟随器。

本发明实施例提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统的工作过程如下：打开电源整个系统启动，at89c51通过p2.0口输出电流，再通过uln2003输出大电流，进而驱动dfb激光器发射1550nm光束，经环形器进入传感探头，传感探头对进入的光束进行反射，光电探测器对传感探头反射回来的光束的光强进行探测，得到对应光强的电流信号；光电探测器输出的电流信号经i/u转换及运放电路将电流信号转换为电压信号；然后该电压信号经adc0809将模拟信号转化为数字信号；接着该数字信号通过p1.0～p1.7口传输至at89c51，at89c51将收到的数字信号(即光信息数据)代入公式计算(即根据光强计算得到电流的相关算法公式，下面实施例4将具体介绍，此处不再赘述)，得到此时待测通电铜排的电流值，并将该电流值实时显示在pc端，同时pc端将该电流值与设定的电流阈值做对比，若该电流值超过阈值，则在pc端发出报警提醒，提示相关工作人员进行后续维护事宜。

实施例4

本发明实施例是利用磁流体的磁控折射率特性来测量电流。由毕奥-萨伐尔定律可知，通电导体周围会产生磁场，并且磁场会随电流的变化而变化。磁流体的磁控折射率特性可用郎之万函数表示，由郎之万函数可知，磁流体的折射率会随磁场的变化而变化，因此通过测量磁流体的折射率变化即可得到电流的变化情况。

磁流体的磁控折射率特性用郎之万函数表示，其折射率可表示为：

其中，nmf表示磁流体的折射率，h表示磁感应强度；hc,n是nmf开始发生变化的临界磁感应强度；n0是磁场小于hc,n下磁流体的折射率；ns是饱和折射率；α是调节系数；t是外界温度。

本发明实施例是基于fresnel反射理论实现磁流体折射率的测量：当光束入射到两种折射率不同的介质界面时，一部分光将会被反射回来。对于吸收介质和磁性材料，假设光束从介质1入射到与介质2形成的界面上，可得到电场振幅的反射率(rs,rp)的表达式如下：

其中，es和e′s分别为光束关于入射面垂直的分量s的入射光和反射光的电场振幅，ep和e'p分别为光束关于入射面平行的分量p的入射光和反射光的电场振幅；和分别为介质1和介质2的复振幅，n1和n2分别为介质1和介质2的折射率，k1和k2分别为介质1和介质2的衰减系数，k1＝α1λ/4πk2＝α2λ/4π，α1和α2分别为介质1和介质2的吸收系数，λ为光束波长；μ1和μ2分别为介质1和介质2的相对磁导率；i1和i2分别为入射角和反射角。

在实施例3提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统中，传感探头位于磁流体中的光纤端面是经过特殊切平的(即沿垂直光纤轴线方向切割光纤)，则入射光与反射界面满足正入射条件，即i1和i2都为0。选用的光源一般为单波长的近红外光，对于介质1和介质2的相对磁导率μ1和μ2均可取为1。所以，电场振幅反射率关系式(1)和(2)可简化如下：

其中，光纤纤芯作为介质1，其衰减系数非常小，可取kf＝0，其折射率磁流体作为介质2，其折射率则总反射光功率r可表示为：

在公式(5)中，nf已知，磁流体的衰减系数kmf＝αmfλ/4π，磁流体的吸收系数αmf为4600cm^-1，λ为光束波长；从式(5)可知，只要测得r就可以计算出磁流体的折射率nmf的大小。

基于上述的构思，对应于上述实施例3提供的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统，本发明实施例提供了一种基于磁流体的光纤反射式电流传感方法，包括以下步骤：

s201：采用已知样品标定法按照式(6)得到系统的本征反射光功率p0：

具体地，设置步骤s201的原因在于，存在下述情况：将光纤插入待测溶液中，在没有提供光源的情况下，实际也能探测到不为零的反射光功率，即系统中存在本征反射现象。为解决此问题，本步骤采用已知样品标定法，即通过两种已知折射率大小的样品，通过测得两种样品的反射光功率间接得到系统的本征反射光功率，从而可以消除本征反射带来的干扰。

作为一种可实施方式，本发明实施例选用空气和去离子水作为标定样品。为了消除入射到界面上的其它光强参量的影响，本步骤s201是利用比例算法计算本征反射和磁流体的折射率。在一个标准大气压下，室温t＝20℃，对于近红外光，空气和去离子水的折射率分别为：na＝1.00027和nw＝1.333，它们的衰减系数取ka＝kw＝0，故由式(5)可得关于本征反射光功率p0的关系式如下：

其中，s为光纤端面的有效截面积，pa和pw分别为将预封装的光纤置于空气和水中测得的反射光功率。

s202：根据所述本征反射光功率p0，按照式(7)计算得到光纤置于磁流体中的反射光功率pmf和磁流体折射率nmf的关系式：

s203：按照式(8)计算得到磁流体折射率nmf：

s204：按照郎之万函数定义的磁流体折射率与磁场之间的关系，计算得到磁场信息，按照毕奥-萨伐尔定律定义的磁场信息与电流之间的关系，得到待测通电铜排的电流大小。

实际上，由式(7)可知，对于每一个pmf都相应的有两个nmf值，而之所以在式(8)中多项式的第一项和第二项之间为负号，是因为：式(8)中多项式的第一项恒大于nf，第二项是非负的，而本发明实施例中使用的磁流体为fe3o4水基磁流体，其实际折射率略小于光纤纤芯折射率，因此式(8)第二项前取负号。

公式(7)中，pmf是用光电探测器探测到的光强，即光纤置于磁流体中从端面反射回来的光功率，公式(8)是由公式(6)和(7)联立得到的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。