专利名称：一种光纤光栅电流传感器的传感头及其制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感器领域，具体地说，涉及一种光纤光栅电流传感器的传感头， 还涉及其制作方法。
背景技术：
随着电力工业的发展，电力传输系统的电压等级和电流强度越来越高，传统的电 流互感器由于制造复杂、绝缘困难、维护费用高、磁饱和和铁磁谐振等不足，渐渐不能满足 电力系统新型测量指标的要求。光纤光栅电流传感器是最新发展起来的一类新型电流传感 器，由于其小型化、绝缘性好、精度高、抗电磁干扰等优点，使其在电力系统的高电压大电流 测量上具有非常重要的研究价值和应用前景。现有的公开文献“光纤布拉格光栅电流传感 的理论和实验研究(《光学学报》Vol. 22, No. 9，2002，pl092-1094) ”和“光纤光栅电流传感 器(《传感技术学报》，No.3，2000，pl74-176)”均给出了一种光纤光栅电流传感器。但由于 FBG的温度-应变交叉敏感问题以及超磁致伸缩材料本身也受温度影响等问题，导致温度 变化对测量结果影响较大，测量结果较差，因此不能直接应用于户外环境的电流测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效滤除温度影响的光纤光栅电流传感器的传感 头及其制作方法。从而避免FBG的温度-应变交叉敏感问题以及超磁致伸缩材料本身也受 温度影响等问题。本发明提出的光纤光栅电流传感器的传感头，包括两块L形石英玻璃、一块第一 磁致伸缩材料、两块第二磁致伸缩材料、一根光纤光栅传光元件、一块温度补偿材料和若干 导光光纤。所述的两块L形石英玻璃固定在第一磁致伸缩材料两端，两块第二磁致伸缩材 料各自固定在两块L形石英玻璃的内侧，两块第二磁致伸缩材料之间留有一间距，一块L形 石英玻璃弯折内侧与第二磁致伸缩材料之间置放一块温度补偿材料；光纤光栅的传光部分 粘合在第二磁致伸缩材料表面，光栅置于两块第二磁致伸缩材料之间，若干导光光纤分别 连接设置于光纤光栅传光光纤两端。所述的两块L形石英玻璃的弯折内侧两表面分别为第一面11、第二面12，平行于 第一面且与第二面相邻的一端面为第三面13，第三面与第一磁致伸缩材料两端分别连接固 定，第一面分别与第二磁致伸缩材料的一端连接固定。所述的两块L形石英玻璃的第一面11与第一面11相对设置，第三面13与第三面 13相对设置，两块L形石英玻璃大小相等，第一面与第三面间的长度等于光纤光栅长度的 一半。L形石英玻璃可为若干块石英玻璃的组合。所述的第二磁致伸缩材料的磁致伸缩方向与第一磁致伸缩材料相互垂直，且长度是其一半；两块第二磁致伸缩材料与L形石英玻璃的第二面平行，之间的间距等于光纤光 栅的栅长；所述的第一磁致伸缩材料厚为3 10mm，夹在第三面之间的长度为10 80mm ；
所述的第二磁致伸缩材料厚为3 7mm，长度为5 40mm ；两块第二磁致伸缩材料 之间的间距为6 40mm ；温度补偿材料的厚度为0. 2 10mm ；所述的两块L形石英玻璃的第二面的长度为3 20mm ；所述的光纤光栅两端包括若干接脚，并通过该若干接脚与导光光纤相连接。本发明提出的光纤光栅电流传感器的传感头及其制作方法的具体步骤为(1)选取合适参数的一光纤光栅、一块第一磁致伸缩材料、二块第二磁致伸缩材 料、两块L形石英玻璃和若干导光光纤；(2)将两块L形石英玻璃的第三面分别与第一磁致伸缩材料的端面粘合连接；(3)将两块第二磁致伸缩材料分别与各自相应的L形石英玻璃的第一面粘合连 接，并把温度补偿材料粘接在其中一块第二磁致伸缩材料及其相对应的L形石英玻璃之 间；(4)导光光纤与光纤光栅两端的接脚相连接；(5)将光纤光栅粘合在两块第二磁致伸缩材料之间。所述的光纤光栅使用前需在丙酮中浸泡10分钟，取出擦洗干净再用酒精擦拭，并 在其两端粘合导光光纤。所述的光纤光栅是由环氧胶粘接固定于第二磁致伸缩材料表面。所述合适的磁致伸缩材料为所选取的磁致伸缩材料的磁致伸缩系数和线性工作 区间及长度满足测量要求；所述的第一磁致伸缩材料的磁致伸缩方向平行于外磁场方向，第二磁致伸缩材料 的磁致伸缩方向垂直于第一磁致伸缩材料；第一磁致伸缩材料、第二磁致伸缩材料使用前均需的在其表面喷上脱脂液，擦拭 干净；然后用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨；再用碱性表面水基酸清洁液 除去表面的酸性清洁液和细沙粒。本发明的有益效果是由于本发明光纤光栅电流传感器的传感头结构是对称的， 当环境温度变化时，磁致伸缩材料均发生热胀冷缩，但第一磁致伸缩材料和第二磁致伸缩 材料的伸长(缩短)方向相反，且两块第二磁致伸缩材料的长度之和与第一磁致伸缩材料 的长度一致，因此两块第二磁致伸缩材料之间的间距不发生改变，光纤光栅受热膨胀和热 光效应的影响被温度补偿材料所补偿，从而可以消除环境温度的影响。同时本发明可对测 量结果进行放大，因此本发明提供的光纤光栅电流传感器的精度高、可靠性好，数据精确。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。图1是本发明光纤光栅电流传感器传感头实施方式一的结构示意图。图2是本发明光纤光栅电流传感器传感头实施方式二的结构示意图。图3是本发明实施方式2中石英玻璃的组合方式。1-石英玻璃 3-石英玻璃 11-第一面 12-第二面 13-第三面2-第一磁致伸缩材料 5-第二磁致伸缩材料 7-第二磁致伸缩材料6-光纤光栅 4-导光光纤 8-导光光纤 9-石英玻璃 10-石英玻璃14-温度补偿材料。
具体实施例方式实施例一图1是本发明光纤光栅传感器传感头实施方式一的结构示意图。所述的光纤光栅 传感器传感头，包括两块石英玻璃1，3、一块第一磁致伸缩材料2、两块第二磁致伸缩材料 5，7、一根光纤光栅传光元件6和若干导光光纤4，8、温度补偿材料14。所述的石英玻璃1、 石英玻璃3为L形，其弯折内侧的表面分别为第一面11、第二面12、第三面13。石英玻璃 1的第一面11、第三面13与石英玻璃3的第一面11、第三面13之间是相互相向设置。所 述的第一磁致伸缩材料2两端分别与两块石英玻璃1，3的第三面13相连接。所述的两块 第二磁致伸缩材料5，7各自一端分别与两块石英玻璃1，3的第三面13固定连接，另一端相 对设置，其中一块L形石英玻璃与第二磁致伸缩材料的中间放置温度补偿材料14。另外两 块第二磁致伸缩材料5，7与第二面12平行，第二磁致伸缩材料3的长度是第一磁致伸缩材 料2的一半。所述的第一磁致伸缩材料2和第二磁致伸缩材料5，7的磁致伸缩方向相互垂 直，即第一磁致伸缩材料2的磁致伸缩方向与外磁场平行，因此发生应变；第二磁致伸缩材 料5，7的磁致伸缩方向与外场垂直，因此不发生应变。所述的光纤光栅6设置于两块第二 磁致伸缩材料5，7的间距上，由环氧胶粘合于两块第二磁致伸缩材料5，7的表面。所述光 纤光栅6的若干接脚连接与其对应的导光光纤4和导光光纤8。当环境温度变化时，如温度升高，第一磁致伸缩材料2和两块第二磁致伸缩材料 5，7均发生热胀伸长，与第一磁致伸缩材料2连接的两块L形石英玻璃1，3的第三面13， 连同粘结在其第一面11上的第二磁致伸缩材料5，7将沿第一磁致伸缩材料的两端向外伸 展，一端与L形石英玻璃1相接的第二磁致伸缩材料5，7的自由端则反方向向内伸展。两 块第二磁致伸缩材料5，7伸缩的长度之和与第一磁致伸缩材料2伸缩的长度一样，加上石 英玻璃1，3热膨胀系数极小，对温度不敏感，故石英玻璃1，3的膨胀可以忽略不计，结果两 块第二磁致伸缩材料5，7之间的间距的宽度保持不变，从而抵消温度对第一磁致伸缩材料 2和两块第二磁致伸缩材料5，7的影响。温度升高导致光栅的热光系数变化使中心反射波 长向长波方向漂移，而温度补偿材料14受热膨胀减小了第二磁致伸缩材料5，7间的间距， 使光栅的中心反射波长向短波方向漂移，从而抵消光栅的热光系数引起的中心反射波长漂 移；反之，当温度降低温度补偿材料14收缩，增大了第二磁致伸缩材料5，7间的间距，使光 栅的中心反射波长向长波方向漂移，抵消温度降低导致热光系数变化引起的中心反射波长 向短波方向漂移，最终达到温度补偿的目的本发明提供的光纤光栅电流传感器传感头工作时，在外加磁场作用下，由于第一 磁致伸缩材料2伸缩方向与外磁场平行，从而磁致伸长，与第一磁致伸缩材料2连接的两块 L形石英玻璃1，3的第三面13连同粘结在其第一面11上的第二磁致伸缩材料5，7将沿第 一磁致伸缩材料的两端向外移动。固定在L形石英玻璃1，3第一面11上的第二磁致伸缩 材料5，7的长度则未发生变化，因此两块第二磁致伸缩材料5，7之间的间距加大，且伸长量 与第一磁致伸缩材料2的伸长量相等。由于本发明光纤光栅电流传感器传感头设计可以抵 消温度对磁致材料伸缩的影响，因此两块第二磁致伸缩材料5，7之间间距的变化较为精确 的反映了磁场对第一磁致伸缩材料2的磁致伸缩作用。从而设置在第二磁致伸缩材料5，7 之间的光纤光栅6由于受到第二磁致伸缩材料5，7的拉伸而发生形变，使得光纤光栅的反 射波的中心波长发生漂移，并通过导光光纤4，8观测其中心反射波长的漂移量，就可以得到光纤光栅6的形变，并据此精确得到两块第二磁致伸缩材料5，7之间的间距的长度变化 量，从而得到相应的磁场强度，根据磁场强度可以算出高压母线电流的大小，从而实现对输 电母线的精确监控。由于本发明所提供的光纤光栅电流传感器传感头结构对称的，当环境温度变化 时，三块磁致伸缩材料均发生热胀冷缩，且由于两块第二磁致伸缩材料5，7的长度之和与 第一磁致伸缩材料2的长度一致，因此温度导致的第一和第二磁致伸缩材料的膨胀程度一 样，即两块第二磁致伸缩材料5，7之间的间距未变，同时用温度补偿材料消除FBG的热光效 应，从而可以消除环境温度的影响，因此，本发明提供的光纤光栅电流传感器传感头的精度 尚o实施例二
参见图2，本实施方式中光纤光栅电流传感器传感头结构与实施方式一相似。如图 3所示，为了便于加工制作，L形石英玻璃1和L形石英玻璃3各是由两块石英玻璃9和石 英玻璃10构成。石英玻璃9分别设置于第一磁致伸缩材料2两端，石英玻璃10粘合于石 英玻璃9外侧，且较石英玻璃9长，两者组成L形。所述的石英玻璃10高出石英玻璃9的 部分上设置有第二磁致伸缩材料5，7，两块第二磁致伸缩材料5，7相对设置。温度补偿材料 置于第二磁致伸缩材料5和L形石英之间。光纤光栅传感元件6粘合连接在两块第二磁致 伸缩材料5，7之间，且其两端连接有若干导光光纤4，导光光纤8。该实施方式的光纤光栅电流传感器传感头也能通过两块第二磁致伸缩材料和第 一磁致伸缩材料的设计而消除环境温度对磁致伸缩材料的影响，具有很高的精度和实际应 用价值。本发明所提供的光纤光栅电流传感器传感头的第一磁致伸缩材料2夹在两个第 三面13之间的长度为40mm，可取范围为10 80mm，其厚度即沿第一面11方向的长度为 5mm，可取范围为3 10mm。所述的第二磁致伸缩材料5，7夹在两个第一面11之间的长度 为5 40mm，其厚度3 7mm，所述的石英玻璃1，3第二面12沿第一磁致伸缩材料2的方 向的长度为5mm，可取范围为3 20mm。所述的温度补偿材料夹在第二磁致伸缩材料5和L 形石英之间的厚为1. 5mm，可取范围0. 5 20mm。所述的两块第二磁致伸缩材料5，7之间 的空隙间距为10mm，可取范围为1 50mm。所述的材料的宽度均为15mm。本发明所述光纤光栅电流传感器传感头的制作工艺包括(1).选取合适参数的一光纤光栅6、一块第一磁致伸缩材料2、一块温度补偿材料 14、二块第二磁致伸缩材料5，7、两块L形石英玻璃1，3和若干导光光纤4，8，将光纤光栅6 清洗干净，将第一磁致伸缩材料2和第二磁致伸缩材料5，7表面进行平整光洁化处理；(2).将两块L形石英玻璃1，3的第三面13分别与第一磁致伸缩材料2的两端面 粘合连接，；(3).将两块第二磁致伸缩材料5，7分别与各自相对应的L形石英玻璃1，3的第一 面11粘合连接，温度补偿材料14置于第二磁致伸缩材料5和L形石英玻璃的中间；(4).导光光纤4，8分别连接与光纤光栅6的两端；(5).将光纤光栅6用环氧胶粘贴在两块第二磁致伸缩材料5，7表面，连接两块第 二磁致伸缩材料5，7。所述的选取合适的光纤光栅6并擦洗干净的实施过程为
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a.选取合适栅长10mm，中心反射波长为1550nm的光纤光栅；b.选取中心波长是1550nm的宽带光源；c.将光纤光栅4在丙酮中浸泡10分钟取出，擦洗干净再用酒精擦拭。所述的选取合适长度的磁致伸缩材料并将磁致伸缩材料的表面进行平整光洁的 实施过程为a.选取磁致伸缩材料的磁致伸缩系数和线性工作区间须满足测量要求，用超磁致 伸缩材料(TbO. 30Dy0. 70Fel. 95，)，b.选取的两块第二磁致伸缩材料5，7的长度之和等于第一磁致伸缩材料2的长 度，其大小为5mmX 15mmX4mm ；c.第一磁致伸缩材料2的磁致伸缩方向必须与其长边平行，即垂直于石英玻璃的 第三面13，第二磁致伸缩材料5，7的磁致伸缩方向必须与第一磁致伸缩材料2的伸缩方向
垂直；d.在磁致伸缩材料的上下表面喷上脱脂液，擦拭干净；e.用加有水基酸表面清洁液的1000号砂纸仔细打磨；f.再用碱性表面水基酸清洁液除去表面的酸性清洁液和细沙粒。其中将两块第二磁致伸缩材料5，7的各自一端面分别与各自石英玻璃1，3的第一 面用环氧胶粘合时，要确保两块第二磁致伸缩材料5，7的表面在同一水平面内，以利于光 纤光栅6的粘合。所述的光纤光栅6粘贴在结构件的表面时需要将环氧胶在平整光洁后的第二磁 致伸缩材料5，7表面涂均勻，确保光纤光栅6处于平整的水平面，以实现在拉伸的时候受力 均勻。所选取的环氧胶要求热膨胀小，凝固强度大，结构稳定，不易老化变质。所述光纤光栅电流传感器传感头的实施方式二与光纤光栅电流传感器传感头的 实施方式一的制备方法相似。
权利要求
一种光纤光栅电流传感器传感头，包括两块L形石英玻璃、一块第一磁致伸缩材料、两块第二磁致伸缩材料、一块温度补偿材料、一根光纤光栅传光元件和若干导光光纤，其特征在于L形石英玻璃(1)和L形石英玻璃(3)固定在第一磁致伸缩材料(2)两端；第二磁致伸缩材料(5)和第二磁致伸缩材料(7)的一端各自固定在两块L形石英玻璃的内侧，两块第二磁致伸缩材料间留有一间距；温度补偿材料(14)置于一块第二磁致伸缩材料及其相应的L形石英玻璃之间；光纤光栅的传光部分粘合在第二磁致伸缩材料表面，光栅置于两块第二磁致伸缩材料(5，7)之间，导光光纤(4)和导光光纤(8)分别连接设置于光纤光栅(6)两端，并通过该若干接脚相连接。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于两块L形石英玻 璃的弯折内侧平行于第一面(11)且与第二面(12)相邻的一端面为第三面(13)，第三面 (13)与第一磁致伸缩材料(2)两端分别固定连接，第一面(11)分别与第二磁致伸缩材料 (5,7)的一端固定连接，石英玻璃第一面(11)与第三面(13)间的距离之和等于光纤光栅 (6)的栅长。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述第二磁致伸 缩材料(5，7)长度之和必须等于第一磁致伸缩材料(2)的长度；
4.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述第一磁致伸 缩材料⑵夹在两个第三面(13)之间的长度为10 80mm，厚为3 10mm。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述第二磁致伸 缩材料夹在两个第一面之间的长度各为5 40mm，厚为3 7mm。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述石英玻璃第二 面(12)沿第一磁致伸缩材料的方向的长度为3 20mm。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述温度补偿材 料的厚度为0. 5 20mm。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅电流传感器传感头，其特征在于所述两块第二磁 致伸缩材料之间的间距为6 40mm。
9.一种制备权利要求1所述光纤光栅电流传感器传感头的方法，其特征在于包括下述 步骤(a)根据计算选取合适参数的一根光纤光栅、一块第一磁致伸缩材料、二块第二磁致伸 缩材料、两块L形石英玻璃和若干导光光纤；(b)两块L形石英玻璃的第三面分别与第一磁致伸缩材料的端面粘合连接；(c)两块第二磁致伸缩材料分别与各自相应的L形石英玻璃的第一面粘合连接，并把 温度补偿材料粘合在其中一块第二磁致伸缩材料及其相应的L形石英玻璃之间；(d)将导光光纤与光纤光栅两端的接脚相连接；(e)将光纤光栅粘贴在两块第二磁致伸缩材料之间。
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅电流传感器传感头及其制作方法。它通过两块L形石英玻璃、第一磁致伸缩材料和两块第二磁致伸缩材料的对称设计，当环境温度变化时，两块磁致伸缩材料均发生热胀冷缩，由于两块第二磁致伸缩材料的长度之和与第一磁致伸缩材料的长度相等，因此温度导致的第一和第二磁致伸缩材料的膨胀程度一样，但第一磁致伸缩材料和第二磁致伸缩材料的伸长或缩短方向相反，从而使两块第二磁致伸缩材料之间的间距不发生改变，即温度变化不会引起光栅的应变，同时温度补偿材料消除了FBG的热光效应，从而消除了环境温度对磁致伸缩材料和光栅的影响。本发明提供的光纤光栅电流传感器传感头的精度高、可靠性好，其制备方法简单。可以在高压环境下实现对输电母线的精确监控，在实际生产中具有极大的实用价值和经济效益。
文档编号G01R15/14GK101833022SQ20091002144
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者周王民, 李文博, 魏光虎, 魏志武 申请人:西北工业大学