基于磁流体的光纤反射式电流传感器、系统及方法技术方案

本发明专利技术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。该电流传感器包括：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。本发明专利技术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；利用磁流体的折射率可控特性，磁流体折射率对电流磁场的变化非常敏感，因此传感器对电流变化的灵敏度很高。

【技术实现步骤摘要】
基于磁流体的光纤反射式电流传感器、系统及方法
本专利技术涉及光学传感
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果：1、安全绝缘：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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：本专利技术的传感器由光纤、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：本专利技术提供的电流传感器、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为本专利技术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为本专利技术实施例提供的本专利技术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为本专利技术实施例提供的位于毛细管内的光纤端面示意图；图4为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于磁流体的光纤反射式电流传感器，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.基于磁流体的光纤反射式电流传感器，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感器，其特征在于，插入毛细管内的光纤的一端位于毛细管内的1/3处。


3.根据权利要求1所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感器，其特征在于，所述磁流体为Fe3O4水基磁流体。


4.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，其特征在于，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；所述传感探头采用如权利要求1至3任一所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感器。


5.根据权利要求4所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统，其特征在于，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。


6.根据权利要求4所述的基于磁流体的光纤反射式电流传感系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦龙，荆雅洁，尤贺，贺静，樊琳琳，张峰，时欢，侯猛，张书文，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41