光纤光栅大电流传感系统的设计.ppt

光纤光栅大电流传感系统的设计本实验采用通电螺线管产生的电磁吸力，作用在紧紧固定在杠杆一端的衔铁上，被固定在杠杆另一端的光纤光栅受到此轴向拉力的作用，发生轴向应变,使光纤光栅反射波长移动。电流越大，产生的电磁力也越大，光纤光栅波长移动也越大。实验基本原理其中,ρe为有效光弹系数,ΔλB为光纤光栅波长的变化量,λB为光纤光栅的波长值。
应变可表示为
ε=ΔL/L=F/EA(2)
其中,ΔL为光纤光栅的伸长量,L为光纤光栅的有效长度,E为弹性模量,A为光纤的横截面积,F为光纤在轴向上所受到的外力。
联立式(1)和式(2)得
ΔλB/λB=(1-ρe)F/EA(3)
可见光纤光栅波长的移动量与受力的大小成正比。为了提高实验的精度，将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管,产生吸引力带动光纤光栅产生应变,并通过对光纤光栅波长的测量,实现对待测高压大电流的测量。
当气隙δ很小时,通电螺线管的电磁吸力
(4)

其中,U为电压,Λδ为气隙磁导,负号表示Fδ向δ减小的方向,当气隙δ很小时,可以近似地认为气隙磁导(5)
其中,μδ为磁导率,忽略铁磁阻和非工作气隙的磁阻,Uδ就近似地等于通电线圈的总磁动势,所以(6)
其中,N为线圈的匝数,将式(5)、(6)代入式(4),得到电磁吸力Fδ与电流I的函数关系
(7)
由式(7)看出电磁吸力Fδ正比于。如果将此电磁力直接作用在光纤光栅轴向上,式(3)可推导为(8)根据式(7),在气隙和磁导率确定时,相同安匝数螺线管产生的电磁力相等,因此可以使用多匝螺线管在小电流情况下,模拟单匝或两匝螺线管在高电压大电流情况下产生的电磁力,并将此电磁力作用在光纤光栅上,获得电流的大小。
如采用1000匝螺线管中通入1A的电流时所产生的磁力,理想情况下可以认为等同于将1000A电流通入单匝螺线管时所产生的磁力。

图1光纤光栅电流传感器实验结构示意图本模拟实验装置如图1所示。通电螺线管产生的电磁吸力作用在紧紧固定在杠杆一端的衔铁上,被固定在杠杆另一端的光纤光栅受到此轴向拉力的作用,发生轴向应变,使光纤光栅反射波长移动。电流越大,产生的电磁力也越大,光纤光栅波长移动也越大。在本实验当中，光纤光栅波长读出机构将采取用F_P腔原理制成的波长解调器
为了使数据更准确,螺线管通电前,给光纤光栅施加预张力,布拉格波长移到1301.928nm。螺线管与电磁衔铁间气隙为2.3mm,取ρe=0.22。有效弹光系数是用以描述因机械应力或应变引起折射率改变的一重要物理量。
一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。

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