【摘 要】
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电流传感器在智能电网、风力发电、电动汽车等领域有着广泛应用。光纤电流传感器具有体积小、绝缘性能好、不受电磁干扰等优势,在电流和电磁检测方面受到了广泛关注。然而,基于法拉第效应的光纤电流传感器存在光纤Verdet常数偏低和光纤双折射问题,而基于超磁致伸缩材料的电流传感器存在磁滞非线性难以克服的问题,导致其灵敏度偏低、易受外界干扰、稳定性和可重复性差。磁流体是一种新型超顺磁液体功能材料,在磁场的作用下
【基金项目】
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国家自然基金Nos.51777046；
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电流传感器在智能电网、风力发电、电动汽车等领域有着广泛应用。光纤电流传感器具有体积小、绝缘性能好、不受电磁干扰等优势,在电流和电磁检测方面受到了广泛关注。然而,基于法拉第效应的光纤电流传感器存在光纤Verdet常数偏低和光纤双折射问题,而基于超磁致伸缩材料的电流传感器存在磁滞非线性难以克服的问题,导致其灵敏度偏低、易受外界干扰、稳定性和可重复性差。磁流体是一种新型超顺磁液体功能材料,在磁场的作用下其折射率呈线性变化,几乎无磁滞现象,克服了光纤法拉第效应存在双折射和超磁致伸缩材料存在磁滞现象的问题。为了进一步提高基于磁流体光纤微腔电流传感器的灵敏度,本文设计了聚磁回路系统,将输电导线产生的磁场汇聚到光纤微腔传感头上,提高电流-磁场的转化效率。此外设计了并联双腔结构使其产生游标效应进一步提高电流测量灵敏度,具体研究内容如下:设计了一种矩形结构的电磁调控磁路,该磁路将输电线电流产生的磁场汇聚到传感头处,大幅提高了电流-磁场的转化效率。仿真研究了输电线位置、磁路总长度、磁路横截面积、磁棒长度等参量对磁路聚磁性能的影响。结果表明:当输电线位置在磁路中心附近变化时,传感头处磁场无明显变化;当磁棒长度一定时,随着磁棒横截面积的减小,传感头处磁场逐渐增大;当磁棒截面积固定时,随着磁棒长度的增加,传感头处磁场先增大后减小;与无磁棒时相比,优化后的磁路可使传感头处的磁场提高71倍。研究了基于磁路调制磁流体单腔的光纤电流传感器。设计并制备了两种光纤微腔,分别为错位熔接开放腔和陶瓷插芯腔。实验发现由于磁流体对光的吸收率非常高,错位熔接开放腔的干涉对比度非常低,当长度超过50μm时,干涉谱几乎不可见。为了提高磁流体光纤微腔的干涉谱对比度,设计了基于陶瓷插芯结构的光纤微腔,且插芯内构成光纤微腔第二个反射面的光纤端面镀有金膜。金膜增大了反射光的强度,提高了光纤微腔的对比度。通过电流测试实验研究:随着被测电流的增加,光纤微腔反射谱逐渐红移,当电流大于1.32A时,电流继续增加时,光纤微腔反射谱几乎不再发生平移;电流在0.12A～1.06A范围内变化时,光纤微腔干涉谱平移量呈线性变化,灵敏度约为5.04nm/A。研究了磁路调制磁流体并联双腔的光纤电流传感器。设计并制备了基于空气腔和磁流体腔并联结构的电流传感器,该传感器采用水冷系统进行温控,磁流体腔和空气腔的长度分别为38.75μm和64.56μm。实验研究表明:双腔干涉谱呈明显的包络现象,干涉谱包络随电流的增加逐渐蓝移,该电流传感器在线性范围内的灵敏度为-21.76 nm/A,相比于比单腔电流测量灵敏度提高4.23倍,实现了0.57A～0.85A范围电流的测量。为了解决外界温度串扰问题,设计并制备了双磁流体腔并联电流传感器,双磁流体腔的长度分别为26.29μm和31.98μm。实验研究表明:该电流传感器在线性范围内的灵敏度为-25.54 nm/A,相比于单腔电流测量灵敏度提高了5.07倍,实现了0.38A～0.75A范围电流的测量。温度补偿的电流传感器比温控后的电流传感器的灵敏度提高了2.87nm/A。
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