1．電熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量
Cavaleiro等人利用光纖光柵溫度敏感特性提出了一種電流傳感器。用真空蒸鍍等方法在光纖光柵的表面鍍上一層金屬薄膜，當(dāng)薄膜中有電流通過時(shí)，電流的熱效應(yīng)使光纖光柵的溫度發(fā)生變化，從而引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量。
光纖光柵電流傳感系統(tǒng)如圖4.114所示。光源為超發(fā)光二極管(SLD361)，在830nm附近具有約2mW的功率和20nm的帶寬；系統(tǒng)所使用的光纖光柵的中心波長(zhǎng)為836nm(反射率約85%，帶寬0.3nm)。光纖光柵柵區(qū)外鍍有1.4mm厚的銀膜，并在涂覆區(qū)兩側(cè)接有電觸點(diǎn)(涂覆區(qū)約20mm長(zhǎng)，具有約1.2Ω電阻值)。
被測(cè)電流Ip由CT(Rogowski線圈，電流轉(zhuǎn)換率為4000:1)轉(zhuǎn)化為直接經(jīng)過銀膜封裝的光纖光柵的二次電流Is；電流所產(chǎn)生的熱能I2sR使得光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化；通過監(jiān)測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化可以得到被測(cè)電流Ip的值。
光纖光柵的解調(diào)采用了全光系統(tǒng)。其中雙錐光纖濾波器(BFF)的振蕩周期為3.5nm，消光比為8.1dB。在光纖光柵的工作范圍內(nèi)(835.9nm~836.8nm)，雙錐光纖濾波器(BFF)具有近似7dB/nm的線性響應(yīng)，如圖4.115所示。采用兩探測(cè)器測(cè)量值相除的方法消除光源波動(dòng)或線路彎折對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的影響。圖4.116為傳感器信號(hào)與二次電流的強(qiáng)度平方的關(guān)系圖?？梢钥闯?，光纖光柵電流傳感器的信號(hào)與二次電流平方成線性關(guān)系，電流測(cè)量精度可達(dá)2mA。
這種光纖光柵電流傳感器保持了體積小的優(yōu)點(diǎn)，與電流的平方或電功率呈線性響應(yīng)，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。不足之處是光纖光柵的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍相對(duì)較小。另外，外界環(huán)境溫度變化也會(huì)改變光纖光柵的中心波長(zhǎng)，給系統(tǒng)帶來了誤差，需要采取某種手段來消除掉外界溫度影響。
1．電磁力實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量
余有龍等人提出了利用電磁力實(shí)現(xiàn)了一種光纖光柵電流傳感器。這種傳感器基于懸臂梁，通過被測(cè)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)固定于自由端一定長(zhǎng)度通電導(dǎo)線的作用，使梁產(chǎn)生沿軸向的應(yīng)變，影響光纖光柵反射譜，從而對(duì)電流進(jìn)行傳感探測(cè)。
對(duì)于確定的裝置，K為常數(shù)，可見波長(zhǎng)漂移量與待測(cè)電流成線性關(guān)系。當(dāng)I>0時(shí)，F使得光柵受拉應(yīng)力作用，反射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移；反之，光纖光柵受壓應(yīng)力作用，反射波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向漂移；電流強(qiáng)度越大，漂移量越多，因此該裝置可用來感知電流的大小。式(4.104)還反映了該裝置布拉格波長(zhǎng)的漂移量與光纖光柵在梁軸向的位置以及考察點(diǎn)在光纖光柵上的位置無關(guān)，即無論I的強(qiáng)弱，光柵均被均勻展寬，不會(huì)出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象。
采用圖4.117(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置，帶寬為85.6nm的發(fā)光二極管LED的工作電流為100mA，峰值波長(zhǎng)為1536nm。所用光纖光柵的長(zhǎng)度為15mm，反射率為75%，自由狀態(tài)下工作波長(zhǎng)為1561.48nm，帶寬為0.48nm，其中央部位被固定在距懸臂梁固定端4.4cm的N0處。自由端一側(cè)粘貼的導(dǎo)線長(zhǎng)度為8.5cm，其中電流為I0=0.97A。有機(jī)玻璃制成的等腰三角形梁，L=12.5cm，h=2.5mm，b0=1.30cm。電源P能提供最高達(dá)30V的可調(diào)直流電壓，螺線圈電阻R=650Ω，左右側(cè)長(zhǎng)度均為20cm，各1500匝，兩螺線圈間距為3cm。電路中串接一個(gè)30Ω的電阻R，以保護(hù)電路。
調(diào)節(jié)電源的電壓可以線性地改變閉合回路中的電流，規(guī)定圖4.117(a)所示電流方向?yàn)檎?，將電源反向連接后就可以提供反向電流了。用光譜儀(OSA)觀測(cè)不同電流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)漂移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.118所示，兩者間呈線性關(guān)系，其斜率對(duì)應(yīng)傳感靈敏度為4.00×10- 2nm/A。取pe= 0.22、E=2.8×104kg/cm2、μ=600μ0、μ0=4π×10-7N/A2，式(4.105)確定的理論值為4.15×10-2nm/A?？梢妼?shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期值基本一致，少許出入是由于光纖、粘結(jié)劑以及梁材料間楊氏模量的差別所致。影響實(shí)驗(yàn)曲線線性度的主要原因是未考慮導(dǎo)線和梁等的重量，實(shí)際使用時(shí)它可通過將傳感頭沿水平線旋轉(zhuǎn)90°解決；另外粘貼層間的蠕變以及環(huán)境溫度的變化對(duì)線性度也有影響。
應(yīng)用三角狀梁，在傳感探測(cè)的過程中，使得光纖光柵反射譜的帶寬(FWHM)保持0.48nm不變，如圖4.119所示。一方面它可避免展寬造成的讀數(shù)誤差，另一方面減少了梁的自重，以利于減小系統(tǒng)的零誤差，提高實(shí)驗(yàn)曲線的線性度。
光譜儀的讀數(shù)精度達(dá)10-5μm，可鑒別的電流強(qiáng)度為10-1A。優(yōu)化梁的結(jié)構(gòu)，選用楊氏模量盡量接近光纖E值的粘結(jié)劑和梁材料，增加自由端通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度、電流的大小以及兩側(cè)螺線圈的密度，減小螺線圈間距，均有利于提高該裝置的傳感靈敏度。
1．磁滯收縮實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量
廖幫全等人提出了一種以磁致伸縮棒調(diào)諧光纖光柵為基礎(chǔ)的新型電流傳感器。該傳感器具有測(cè)量準(zhǔn)確、線性度好、簡(jiǎn)單易行、可遠(yuǎn)距離操作等特點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)中所使用的磁致伸縮材料是一種名叫TbDy(FeM)2的特殊合金，所用磁致伸縮圓棒的尺寸為5mm×50mm。當(dāng)磁場(chǎng)加在磁致伸縮棒上后，磁致伸縮棒中的磁疇傾向于沿磁場(chǎng)方向排列而產(chǎn)生縱向應(yīng)變[91]。光纖光柵粘貼在位于多層螺線管中心部位的磁致伸縮棒上，外加磁場(chǎng)由通電多層密繞螺線管產(chǎn)生，磁致伸縮棒上產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)傳遞到光纖光柵上。
螺線管匝數(shù)N=1300，長(zhǎng)度L=70mm，螺線管內(nèi)徑R1=13mm，外徑R2=26mm。將傳感頭置于螺線管的中心部分，在這中心部分磁場(chǎng)是均勻的，均勻磁場(chǎng)的強(qiáng)弱由螺線管中的電流決定，可表示為
圖4.120中第1象限曲線a表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向?yàn)檎蛴尚∽兇髸r(shí)應(yīng)變的變化情況(磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流之間遵守右手定則，規(guī)定一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向?yàn)檎蚝?，與之相反的即為反向)。第1象限中曲線b表示磁場(chǎng)強(qiáng)度正向由大變小時(shí)應(yīng)變的變化情況。第2象限中曲線b′表示磁場(chǎng)強(qiáng)度反向由小變大時(shí)應(yīng)變的變化情況；第2象限中曲線a′表示磁場(chǎng)強(qiáng)度反向由大變小時(shí)應(yīng)變的變化情況。第1象限和第2象限中的曲線是對(duì)稱的。在我們的實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電流強(qiáng)度由小變大在900mA范圍內(nèi)時(shí)，由螺線管參數(shù)及(4.106)式可知，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為1.41×104A/m。由圖4.120可知，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在1.41×104A/m以內(nèi)時(shí)，曲線近似為線性的，k≈4.387×10-8m/A
外加電流和波長(zhǎng)移動(dòng)之間的關(guān)系示于圖4.122?？梢钥闯鲈跍y(cè)量范圍內(nèi)電流和光纖光柵的中心波長(zhǎng)移動(dòng)之間有很好的線性關(guān)系(線性擬合度R2=0.9944)，中心波長(zhǎng)的線性調(diào)諧范圍是0.9nm，電流強(qiáng)度范圍為900mA。靈敏度約為1mA/pm。實(shí)驗(yàn)中如果繼續(xù)增加電流(超過1000mA)，磁滯效應(yīng)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，所以此電流傳感器的測(cè)量范圍不大于900mA。當(dāng)電流超過磁致伸縮材料的線性范圍時(shí)，非線性現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)出來。
測(cè)量時(shí)，通過螺線管漆包線的電流不應(yīng)超過其額定電流，否則螺線管的發(fā)熱變得嚴(yán)重起來。螺線管發(fā)熱會(huì)使光柵周圍環(huán)境溫度升高，溫度也將影響光柵的布拉格波長(zhǎng)，引起測(cè)量誤差。如果測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，溫度效應(yīng)也要加以考慮。
