基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，涉及光纤电流互感器领域。解决了现有的光纤光栅电流互感器灵敏度低、测量精度低的问题。本发明包括耦合磁环、敏感单元和解调系统；敏感单元包括换能机构、GMM环和DFB光纤激光器；被测电流母线从耦合磁环内穿过，根据法拉第电磁感性原理，被测电流在耦合磁环内形成闭合交变磁场，进而使缠绕在耦合磁环上的感应线圈内感应出感应电流，感应电流所产生的磁场使GMM环产生应变，也使得粘贴在GMM环外周的DFB光纤激光器产生应变，此时，DFB光纤激光器输出的激光的中心波长改变；解调系统用于对敏感单元输出激光的中心波长进行解调，实现对被测电流的测量。主要用于电缆系统在线电流采集。
1.基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，包括耦合磁环(1)、敏感单元(2)和解调系统(3)；其特征在于，敏感单元(2)包括换能机构、GMM环(25)和DFB光纤激光器；
敏感单元(2)中换能机构的感应线圈缠绕在耦合磁环上，用于产生感应电流，感应电流所产生的磁场使GMM环(25)产生应变，同时使得粘贴在GMM环(25)外周的DFB光纤激光器也产生应变，此时，DFB光纤激光器输出的激光的中心波长改变；其中，DFB光纤激光器的输出作为敏感单元(2)的输出；
解调系统(3)用于对敏感单元(2)输出激光的中心波长进行解调，实现对被测电流的测量；
换能机构包括导磁内框(21)、非导磁外框(22)、1号磁环(23)、两个2号磁环(24)、线滚(26)和两个永磁体片(27)；其中，导磁内框(21)、1号磁环(23)、两个2号磁环(24)和GMM环(25)构成闭合磁路；1号磁环(23)的内径等于2号磁环(24)的外径；
1号磁环(23)、两个2号磁环(24)和线滚(26)同轴设置在导磁内框(21)内，非导磁外框(22)套固在导磁内框(21)外；
导磁内框(21)的上框开设通孔，1号磁环(23)固定在导磁内框(21)的上框的通孔处，与通孔连通；
导磁内框(21)的左、右框上各设有一个永磁体片(27)，用于提供偏置磁场；
导磁内框(21)的下框上设置有线滚(26)，其中，线滚(26)的感应线圈(26‑1)作为换能机构的感应线圈，线滚(26)的线轴(26‑2)导磁；
GMM环(25)设置在两个2号磁环(24)之间，其中，位于下方的2号磁环(24)固定在线滚(26)的上端面，位于上方的2号磁环(24)的外壁与1号磁环(23)的内壁接触。
2.根据权利要求1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，敏感单元(2)还包括预紧压片(28)和螺钉(28)；预紧压片(28)采用非导磁材料实现；
非导磁外框(22)的上框开设有螺纹孔，螺钉(28)与螺纹孔螺纹连接；
螺钉(28)用于对设置在位于上方的2号磁环(24)上的预紧压片(28)进行挤压。
3.根据权利要求1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，预紧压片(28)采用不锈钢或铜实现。
4.根据权利要求1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，非导磁外框(22)采用不锈钢或铜实现、导磁内框(21)采用铁氧体实现。
5.根据权利要求1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，磁场通过GMM环(25)后，根据磁致伸缩效应，GMM环(25)产生轴向应变和周向应变，由于GMM环(25)为环形结构，使得DFB光纤激光器实际承受的应变为周向应变；且GMM环(25)的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同。
6.根据权利要求5所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，获得DFB光纤激光器的周向应变的实现方式包括：在直角坐标系下，GMM环(25)受到的周向应变为角度为 的拉伸合量 产生的；其中，根据 exx和eyy，获得GMM环(25)的周向应变，且GMM环(25)的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同，表达式为：其中，exx为直角坐标系的x轴方向拉应力产生的应变，eyy为直角坐标系的y轴方向拉应力产生的应变，exy为切应力产生的应变。
7.根据权利要求1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，解调系统(3)包括泵浦激光器、波分复用器、光隔离器、环形器、干涉仪、两个光电探测器、差分放大器和滤波器；
泵浦激光器输出的激光通过波分复用器入射到敏感单元(2)中的DFB光纤激光器上，经DFB光纤激光器反射后的光回传到波分复用器后，馈入到光隔离器后，再经环形器分别进入到第一个光电探测器和干涉仪中，经干涉仪解调后的光进入到第二个光电探测器中；
第一个光电探测器和第二个光电探测器将接收到的光转化为电信号后，送入差分放大器；差分放大器对接收到的两个电信号做减法，消除电信号中的直流电压信号，并放大电信号中的交流电压信号后，获得的电信号输送到滤波器中进行滤波，获得与被测电流母线中被测电流同频率的交流电压信号，根据该交流电压信号实现对被测电流的测量。
8.根据权利要求7所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，两个光电探测器输出的电信号为：式中，U1为第一个光电探测器输出的电信号，U2为第二个光电探测器输出的电信号，UDC为直流电压信号的幅值，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位。
9.根据权利要求7所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，差分放大器输出的电信号U为：式中，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位。
基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤电流互感器领域。
背景技术
[0002] 光纤电流传感器具有高精度、抗电磁干扰、适用于在线检测系统的优点，能切合电网向小型、便捷、数字化的方向发展的需求。超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)和光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)相结合的电流传感器已经被普遍研究。
[0003] 传统光纤光栅电流互感器多以条状GMM粘贴FBG作为传感单元，但是GMM的磁导率较低，与空气的磁导率相近，增加GMM棒的长度，相当于增大了磁路的气隙，GMM受到的磁场下降且更加不均匀，因此，导致其光纤光栅电流互感器的检测灵敏度低、测量精度低。
发明内容
[0004] 本发明目的是为了解决现有的光纤光栅电流互感器灵敏度低、测量精度低的问题，本发明提供了一种基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器。
[0005] 基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，包括耦合磁环、敏感单元和解调系统；敏感单元包括换能机构、GMM环和DFB光纤激光器；
[0006] 被测电流母线穿过耦合磁环；
[0007] 敏感单元中换能机构的感应线圈缠绕在耦合磁环上，用于产生感应电流，感应电流所产生的磁场使GMM环产生应变，同时使得粘贴在GMM环外周的DFB光纤激光器也产生应变，此时，DFB光纤激光器输出的激光的中心波长改变；其中，DFB光纤激光器的输出作为敏感单元的输出；
[0008] 解调系统用于对敏感单元输出激光的中心波长进行解调，实现对被测电流的测量。
[0009] 优选的是，换能机构包括导磁内框、非导磁外框、1号磁环、两个2号磁环、线滚和两个永磁体片；其中，导磁内框、1号磁环、两个2号磁环和GMM环构成闭合磁路；1号磁环的内径等于2号磁环的内径；
[0010] 1号磁环、两个2号磁环和线滚同轴设置在导磁内框内，非导磁外框套固在导磁内框外；
[0011] 导磁内框的上框开设通孔，1号磁环固定在导磁内框的上框的通孔处，与通孔连通；
[0012] 导磁内框的左、右框上各设有一个永磁体片，用于提供偏置磁场；
[0013] 导磁内框的下框上设置有线滚，其中，线滚的感应线圈作为换能机构的感应线圈，线滚的线轴导磁；
[0014] GMM环设置在两个2号磁环之间，其中，位于下方的2号磁环固定在线滚的上端面，位于上方的2号磁环的外壁与1号磁环的内壁接触。
[0015] 优选的是，敏感单元还包括预紧压片和螺钉；预紧压片采用非导磁材料实现；
[0016] 非导磁外框的上框开设有螺纹孔，螺钉与螺纹孔螺纹连接；
[0017] 螺钉用于对设置在位于上方的2号磁环上的预紧压片进行挤压。
[0018] 优选的是，预紧压片采用不锈钢或铜实现。
[0019] 优选的是，非导磁外框采用不锈钢或铜实现、导磁内框采用铁氧体实现。
[0020] 优选的是，磁场通过GMM环后，根据磁致伸缩效应，GMM环产生轴向应变和周向应变，由于GMM环为环形结构，使得DFB光纤激光器实际承受的应变为周向应变；且MM环的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同。优选的是，获得DFB光纤激光器的周向应变的实现方式包括：
[0021] 在直角坐标系下，GMM环受到的周向应变为角度为 的拉伸合量 产生的；其中，[0022]
[0023] 根据 exx和eyy，获得GMM环的周向应变，且GMM环的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同，表达式为：
[0024]
[0025] 其中，exx为直角坐标系的x轴方向拉应力产生的应变，eyy为直角坐标系的y轴方向拉应力产生的应变，exy为切应力产生的应变。
[0026] 优选的是，解调系统包括泵浦激光器、波分复用器、光隔离器、环形器、干涉仪、两个光电探测器、差分放大器和滤波器；
[0027] 泵浦激光器输出的激光通过波分复用器入射到敏感单元中的DFB光纤激光器上，经DFB光纤激光器反射后的光回传到波分复用器后，馈入到光隔离器后，再经环形器分别进入到第一个光电探测器和干涉仪中，经干涉仪解调后的光进入到第二个光电探测器中；
[0028] 第一个光电探测器和第二个光电探测器将接收到的光转化为电信号后，送入差分放大器；差分放大器对接收到的两个电信号做减法，消除电信号中的直流电压信号，并放大电信号中的交流电压信号后，获得的电信号输送到滤波器中进行滤波，获得与被测电流母线中被测电流同频率的交流电压信号，根据该交流电压信号实现对被测电流的测量。
[0029] 优选的是，两个光电探测器输出的电信号为：
[0030]
[0031]
[0032] 式中，U1为第一个光电探测器输出的电信号，U2为第二个光电探测器输出的电信号，UDC为直流电压信号的幅值，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位；
[0033] 10、根据权利要求8所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，其特征在于，差分放大器输出的电信号U为：
[0034]
[0035] 式中，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位。
[0036] 原理分析：
[0037] 被测电流母线从耦合磁环内穿过，根据法拉第电磁感性原理，被测交变电流在其周围的耦合磁环形成闭合交变磁场，进而使缠绕在耦合磁环上的感应线圈内感应出交变电流(即：感应电流)，敏感单元内通过换能机构使该交变电流转换为DFB光纤激光器输出激光的中心波长变化，敏感单元通过光纤引线将光信号传输至解调系统，解调系统将DFB光纤激光器波长变化值转换为电压变化值，进而获得被测电流的值。
[0038] 本发明带来的有益效果是：
[0039] 本发明提供了一种基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，将GMM与DFB光纤激光器进行结合，为解决二者结合过程中高效换能的问题，通过换能机构进行换能，并将将GMM设置成环形结构，形成GMM环能够减少气隙的长度，减弱了磁场不均匀带来的测量信号线性度和准确度影响，避免由于GMM的磁导率较低，且与空气的磁导率相近，条状GMM增加GMM棒的长度，相当于增大了磁路的气隙，使条状GMM受到的磁场下降、且更加不均匀的缺陷，从以上几个方面进行改进提高电流互感器的灵敏度、测量精度。
附图说明
[0040] 图1是本发明所述基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器的原理示意图；
[0041] 图2是敏感单元2的结构示意图；
[0042] 图3是解调系统3的结构示意图；
[0043] 图4是本发明所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器(也即：DFB‑GMM电流传感器)的工作曲线，其中，R为拟合相关系数。
具体实施方式
[0044] 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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
[0045] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0046] 实施例1：
[0047] 参见图1和图2说明本实施例，本实施例1所述的基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器，包括耦合磁环1、敏感单元2和解调系统3；敏感单元2包括换能机构、GMM环25和DFB光纤激光器；
[0048] 被测电流母线穿过耦合磁环1；
[0049] 敏感单元2中换能机构的感应线圈缠绕在耦合磁环上，用于产生感应电流，感应电流所产生的磁场使GMM环25产生应变，同时使得粘贴在GMM环25外周的DFB光纤激光器也产生应变，此时，DFB光纤激光器输出的激光的中心波长改变；其中，DFB光纤激光器的输出作为敏感单元2的输出；
[0050] 解调系统3用于对敏感单元2输出激光的中心波长进行解调，实现对被测电流的测量。
[0051] 分布反馈式光纤激光器(Distributed Feedback Fiber Laser，DFB‑FL)对低频应变具有极高的灵敏度，本实施例利用分布式反馈(DFB)光纤激光器应变高灵敏度特性，结合GMM的磁致伸缩特性提出一种环形GMM结构结合DFB光纤激光器，在DFB光纤激光器与GMM结合的过程中并通过换能机构进行换能，获得一种高灵敏度的新型光纤电流互感器。被测电流母线从耦合磁环1内穿过，根据法拉第电磁感性原理，被测交变电流在其周围的耦合磁环1形成闭合交变磁场，进而使缠绕在耦合磁环1上的感应线圈内感应出交变电流(即：感应电流)，敏感单元2内通过换能机构使该交变电流转换为DFB光纤激光器输出激光的中心波长变化，敏感单元2通过光纤引线将光信号传输至解调系统3，解调系统3将DFB光纤激光器波长变化值转换为电压变化值，进而获得被测电流的值。
[0052] DFB光纤激光器依靠本身微小谐振腔实现对应变的传感，灵敏度非常高，将其用于电流互感器进一步提高检测灵敏度。
[0053] 传统光纤光栅电流互感器多以条状GMM粘贴FBG作为传感单元，但是GMM的磁导率较低，与空气的磁导率相近，增加GMM棒的长度，相当于增大了磁路的气隙，GMM受到的磁场下降且更加不均匀。
[0054] 本实施例中，将GMM设置成环形结构，形成GMM环25能够减少气隙的长度，减弱了磁场不均匀带来的测量信号线性度和准确度影响。
[0055] 进一步的，具体参见图2，换能机构包括导磁内框21、非导磁外框22、1号磁环23、两个2号磁环24、线滚26和两个永磁体片27；其中，导磁内框21、1号磁环23、两个2号磁环24和GMM环25构成闭合磁路；1号磁环23的内径等于2号磁环24的内径；
[0056] 1号磁环23、两个2号磁环24和线滚26同轴设置在导磁内框21内，非导磁外框22套固在导磁内框21外；
[0057] 导磁内框21的上框开设通孔，1号磁环23固定在导磁内框21的上框的通孔处，与通孔连通；
[0058] 导磁内框21的左、右框上各设有一个永磁体片27，用于提供偏置磁场；
[0059] 导磁内框21的下框上设置有线滚26，其中，线滚26的感应线圈26‑1作为换能机构的感应线圈，线滚26的线轴26‑2导磁；
[0060] GMM环25设置在两个2号磁环24之间，其中，位于下方的2号磁环24固定在线滚26的上端面，位于上方的2号磁环24的外壁与1号磁环23的内壁接触。
[0061] 本优选实施方式提供了敏感单元2中换能机构的具体结构，如图2所示，为增大通过GMM环25的磁密，导磁内框21、1号磁环23、两个2号磁环24和GMM环25构成闭合磁路，DFB光纤激光器的粘贴在GMM环25的外周。磁路的两侧含有两个永磁体片27提供偏置磁场。在导磁内框21的外周加入了非导磁外框22起固定作用。
[0062] 更进一步的，具体参见图2，敏感单元2还包括预紧压片28和螺钉28；预紧压片28采用非导磁材料实现；
[0063] 非导磁外框22的上框开设有螺纹孔，螺钉28与螺纹孔螺纹连接；
[0064] 螺钉28用于对设置在位于上方的2号磁环24上的预紧压片28进行挤压。
[0065] 本优选实施方式，为了进一步提高电流互感器的检测灵敏度，在非导磁外框22的上框预留了螺纹孔结构，可加入螺钉28通过预紧压片28对GMM环25施加预应力，通过预应力施加的方式提高GMM环25的磁致伸缩曲线斜率，进而增加电流互感器对单位电流的响应输出值。
[0066] 更进一步的，具体参见图2，预紧压片28采用不锈钢或铜实现。
[0067] 更进一步的，具体参见图2，非导磁外框22采用不锈钢或铜实现、导磁内框21采用铁氧体实现。
[0068] 更进一步的，具体参见图2，磁场通过GMM环25后，根据磁致伸缩效应，GMM环25产生轴向应变和周向应变，由于GMM环25为环形结构，使得DFB光纤激光器实际承受的应变为周向应变；且MM环25的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同。
[0069] 更进一步的，具体参见图2，获得DFB光纤激光器的周向应变的实现方式包括：
[0070] 在直角坐标系下，GMM环25受到的周向应变为角度为 的拉伸合量 产生的；其中，
[0071]
[0072] 根据 exx和eyy，获得GMM环25的周向应变，且GMM环25的周向应变与DFB光纤激光器的周向应变相同，表达式为：
[0073]
[0074] 其中，exx为直角坐标系的x轴方向拉应力产生的应变，eyy为直角坐标系的y轴方向拉应力产生的应变，exy为切应力产生的应变。
[0075] 本优选实施方式中，通过GMM环25的轴向应变与周向应变的换算关系，获得DFB光纤激光器的周向应变，在柱坐标系下，GMM环25受到的轴向应变为柱坐标系的z轴方向拉伸量ezz产生的，当将柱坐标系转化为直角坐标系时，ezz＝0，故直接可获得在直角坐标系下GMM环25受到的周向应变为角度为 的拉伸合量
[0076] 更进一步的，具体参见图3，解调系统3包括泵浦激光器、波分复用器、光隔离器、环形器、干涉仪、两个光电探测器、差分放大器和滤波器；
[0077] 泵浦激光器输出的激光通过波分复用器入射到敏感单元2中的DFB光纤激光器上，经DFB光纤激光器反射后的光回传到波分复用器后，馈入到光隔离器后，再经环形器分别进入到第一个光电探测器和干涉仪中，经干涉仪解调后的光进入到第二个光电探测器中；
[0078] 第一个光电探测器和第二个光电探测器将接收到的光转化为电信号后，送入差分放大器；差分放大器对接收到的两个电信号做减法，消除电信号中的直流电压信号，并放大电信号中的交流电压信号后，获得的电信号输送到滤波器中进行滤波，获得与被测电流母线中被测电流同频率的交流电压信号，根据该交流电压信号实现对被测电流的测量。
[0079] 具体应用时，泵浦激光器采用980nm泵浦激光器实现，波分复用器采用980/1550波分复用器实现。滤波器对滤波后的交流电压信号进行标定，从而获得被测电流的大小，原因在于电压信号的幅值与被测电流是成对应关系。
[0080] 更进一步的，具体参见图3，两个光电探测器输出的电信号为：
[0081]
[0082]
[0083] 式中，U1为第一个光电探测器输出的电信号，U2为第二个光电探测器输出的电信号，UDC为直流电压信号的幅值，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位；
[0084] 更进一步的，具体参见图3，差分放大器输出的电信号U为：
[0085]
[0086] 式中，UAC为交流电压信号的幅值， 为交变相位变化量， 为初始相位。
[0087] 下面通过验证试验，来证明本发明的技术效果，具体为：
[0088] 1、电流互感器量程及线性度测试
[0089] (1)量程测试过程：
[0090] 对电流量程进行区域划分：1～10A以1A为步长等步长划分，10A～100A以5A为步长等步长划分，100A～150A以10A为步长等步长划分。按照划分好的区域从1A到150A逐步加电流，再从150A到1A逐步降电流，记录下各电流对应的两路电压波形。对记录的两路电压波形进行差分放大，记录下差分放大后信号的峰峰值，结果如图4所示。
[0091] 对图4中的数据进行二次拟合，得到基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器(也即：DFB‑GMM电流传感器)的工作曲线的拟合方程为：
[0092] u＝‑0.019i2+9.185i+25.327 公式6；
[0093] 式6中，u为电流互感器输出的电压值，i为输入到被测电流母线中的被测电流；由公式6可知本发明所提出电流互感器可实现0‑150A的测量，工作曲线为二次曲线。
[0094] 2、电流互感器准确度
[0095] 测试过程：
[0096] 将电流互感器的量程分为0～50A，50～100A，100～150A三段，用每段的中间值25A、75A，125A处的基本误差来代替整段误差。
[0097] 选用25A基本误差代替后，0～50A范围内的基本误差为：
[0098]
[0099] 式中：Rm为分段的基本误差，Lmax为分段的量程，Δmax为最大绝对误差值；
[0100] 选用75A基本误差代替后，50～100A范围内的基本误差为：
[0101]
[0102] 选用125A基本误差代替后，100～150A范围内的基本误差为：
[0103]
[0104] 由上述计算结果可知，基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器(也即：DFB‑GMM电流传感器)的基本误差随被测电流的增大而增大。在0～50A范围内基本误差小于0.48％，准确度等级为0.5级；在50～100A范围内基本误差小于0.63％，准确度等级为1级；在100～150A范围内基本误差小于0.91％，准确度等级为1级。因此，DFB‑GMM电流传感器在测量小电流时具有较好的测量精度。
[0105] 3、电流互感器灵敏度
[0106] 选用25A基本误差代替后，0～50A范围内的灵敏度为：
[0107]
[0108] 选用75A基本误差代替后，50～100A范围内的灵敏度为：
[0109]
[0110] 选用125A基本误差代替后，100～150A范围内的灵敏度为：
[0111]
[0112] 由上述计算结果可知，基于光纤激光器和GMM的光纤电流互感器(也即：DFB‑GMM电流传感器)的灵敏度随被测电流的增大而减小。0～50A范围内灵敏度优于8.235mV/A，50～100A范围内的灵敏度优于6.335mV/A，100～150A灵敏度优于4.435mV/A。因此，DFB‑GMM电流传感器在测量小电流时具有较好的灵敏度。
[0113] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
