应用光纤Bragg光栅的新型直流电流测量方法

第３３卷第７期

２００７年

高电压技术

Ｖ０１．３３

Ｊｕｌｙ７月ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｎｏ．７

２００７

·６７·

应用光纤Ｂｒａｇｇ光栅的新型直流电流测量方法

王建元－，蔡国伟１，高龙集１，徐元哲１，赵

阳２

（１．东北电力大学电气工程学院，吉林１３２０１２；２．两锦供电公司，锦州１２１０００）

摘要：光学电流互感器因具有许多传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点，具有广阔的应用前景，但目前

国内应用于直流测量的研究报道较少．为此基于光纤Ｂｒａｇｇ光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应，提出

了一种新型直流电流测量方法。在详细分析超磁致伸缩材料（ＧＭＭ）调制光纤光栅时存在的磁滞非线性以及测量

精度的温漂问题后，通过施加合适的偏置磁场、预压应力，改善了磁滞非线性特性，利用光纤Ｂｒａｇｇ光栅的可串联

特性设计温度补偿系统，解决了温漂问题，实现了光纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＦＢＧ）波长漂移量与轴向应变量的线性调谐关

系，并以此设计了实验样机．实验表明，该装置具有结构简单、线性度好、灵敏度高等特点。该方法为高压直流输

电电流检测提供了一种新的有效手段。

关键词：光纤Ｂｒａｇｇ光栅；光学电流互感器；磁致伸缩；温度补偿ｆ波长漂移；高压直流输电

中图分类号：ＴＭ７６１文献标志码：Ａ

文章编号：１００３－６５２０（２００７）０７－００６７－０５

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ｄｉｒｅｃｔ－ｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

０引

言

流测量方法。

传统的光学电流互感器是利用法拉第效应，其

存在着光纤诱导线性双折射的问题，同时温度和振随着电力系统传输容量的不断增加，运行电压

动因素也限制了它的应用嘲。近１０年来，光纤

Ｂｒａｇｇ光栅传感技术已经成为光纤传感技术中最具

活力的一种技术［６Ｊ。和其他光学互感器相比，光纤

光栅型互感器除了具有光学互感器的基本特点之

外，还具有分辨率高、重复性好、稳定性高、测量动态

范围大、免受电磁干扰、波长编码等优异特性，能满

Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ

等级也越来越高，常规的电流互感器ＴＡ由于自身

原理的局限，暴露出许多问题［１咕］。目前国内对新型

互感器的研究主要集中于实现交流电压和电流的测

量，而用于直流测量的光学互感器研究报道较少ｃ‘】，

本文提出一种基于光纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＦＢＧ）的新型电

基金资助项目：吉林省教育厅发展基金项目．

Ｐｒｏｊｅｃｔ

ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆ

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

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足多参量、复用式、阵列式、分布式传感的要求ｍ］，

所以在电力工业测量中潜力巨大。

Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．

万方数据

ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖ０１．３３Ｎｏ．７

本文基于光纤光栅对外应力的敏感性，采用光包届

纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＦＢＧ）和超磁致伸缩材料（ＧＭＭ）相

结合的方法，实现电流探测的目的。光纤光栅技术

应用于电流传感，为直流高压输电电流检测提供了

一种新的有效手段。

１

ＦＢＧ光学电流互感器测量原理

１．１反射光谱

ＦＢＧ传感原理

由耦合模理论可知，当宽带光在ＦＢＧ中传输

时，将产生模式耦合，满足式（１）所示的Ｂｒａｇｇ条件

一个窄带光谱将被反射回来［６’１０］：

ＡＢ＝２咒硝Ａ，

（１）

式中厶为光纤布拉格栅格周期；锄为光栅区的纤芯

有效折射率。Ａ和％均与温度和应变有关，所以

Ｂｒａｇｇ波长ｈ也与温度、应变有关。传感原理如图１。

当ＦＢＧ同时受轴向应变ｅｆ和变化的温度出作

用时，光纤Ｂｒａｇｇ光栅的波长变化量为［１¨：

△ＡＢ以Ｂ＝（１一Ｐ。）￡ｆ＋（口。＋羹）△丁，

（２）

式中，口。为光纤的热膨胀系数；量为热光系数；Ｐ。＝

旅ｆｆ（（１一Ｄ）Ｐ。２一ｖＰ。，）／２为有效光弹性系数，￡，是

纤芯材料的泊松比；Ｐ。。和Ｐ。：为光弹性张量的普克

耳系数，典型石英光纤的Ｐ，－≈０．２２，ａｓ≈－０．５Ｍ。Ｃ～，

￡≈７Ｍ。Ｃ～。

式（２）为温度补偿的理论依据，其中￡ｒ和出间

的相关性忽略而视其为两个独立变量。

１．２磁致伸缩效应

磁致伸缩效应是指物质在磁场中磁化时，由于

铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形

成大量磁畴，在每个磁畴内晶格都发生形变，从而导

致其整体表现出的宏观伸缩效应ｃ１２１。

ＧＭＭ在外加磁场强度较低、激励频率较低条

件下发生的形变可表示为［１３１：

￡＝叮／Ｅ０．Ｈ＋ｋ。Ｈ，

（３）

式中，ｓ为材料磁致应变量；Ｅ。Ｈ为给定磁场强度下

ＧＭＭ的杨氏模量；口为材料在应变方向的压应力；ｑ

为磁致伸缩系数。可见Ｅ．Ｈ、ｄ和ｋ。一定时，￡和外

加磁场强度Ｈ存在线性关系。ＧＭＭ承受适当的偏

置磁场和预应力时，工作在线性区：ｅ＝出／ｌ＝ｋ。Ｈ。

ＧＭＭ主要用于ｐｍ、ｎｍ技术领域，必须考虑发

热引起的热应变，设口为ＧＭＭ热膨胀常数，有：

２００７年７月高电压技术第３３卷第７期

·６９·

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磁场强度／（ｋＡ·ｍ４）

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圈４有无预压应力的对比曲线

№２

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围５温度补偿光栅反射中心波长随疆度变化曲线

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２）对ＧＭＭ施加一定大小的轴向预压应力，能

昌

、

获得更大的位移输出。其作用机理是：轴向应力使

需

静

ＧＭＭ内部磁畴在零磁场时尽可能沿着与轴向垂直

必

鲻

的方向排列；当外加电磁激励时，大部分磁畴突然转

ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖ０１．３３

Ｎｏ．７

膨胀系数为１２．０６×１０一，这与磁致伸缩材料的热

膨胀系数８～１２×１０＿６吻合。

温度补偿的具体方法为：利用温度传感光栅测

量出ＧＭＭ棒温度的变化，将其变化值换算为电流

传感光栅由温度造成的波长漂移，从而达到温度补

偿的目的。该补偿方法结构简单，准确度高，可用于

不同ＧＭＭ制成的传感器。

２．２实验及结果分析

实验中两段ＦＢＧ的中心反射波长在室温下分

别为１５３７．６、１５４２．５ｎｍ，用ＦＢＧ２１０光纤传感分析

仪检测，可测波长范围１５２５～１５６５ｎｍ，测量误差＜

０．００３ｎｍ，被测电流用恒流源产生，范围Ｏ～３Ａ。

将传感头置于误差为士０．２５℃的恒温箱中，改

变箱内温度，待温度稳定后记录温度及波长变化值。

图７是温度变化引起的传感头波长漂移曲线，上方

曲线是加１５９．１５５ｋＶ／ｍ磁场时电流传感光栅反射

中心波长随温度变化的曲线，下方曲线是不加磁场

时电流传感光栅反射中心波长受温度影响变化曲

线。显然两条曲线有平行的趋势，可见恒定磁场引

起的波长漂移是定值。

在不采用任何恒温措施时，由于线圈发热，

ＧＭＭ棒温度会随之升高。图８中上方４曲线为未

温度补偿的实验结果，温度补偿后４条曲线几乎重

合为一条。此结果验证了本装置测量电流的可重复

性，同时说明了光纤光栅的Ｂｒａｇｇ波长随线圈电流

的变化有很好的线性响应关系。由测量结果计算得

到光栅Ｂｒａｇｇ波长的线圈电流灵敏度为０．１１７ｎｍ／

Ａ，电流强度可精确到１０ｍＡ。由式（５）、（６）可计算

出ＧＭＭ磁致伸缩系数ｋ。＝ｏ．４４１×１０一。

实验中当线圈电流＞２Ａ，磁场超过ＧＭＭ的线

性区时，出现非线性特性；电流＞５Ａ时ＧＭＭ的磁

致伸缩系数接近饱和。实验中，电流传感器的测量

范围为０＂－－２Ａ，此范围内磁滞很小。

２．３误差分析

实验中用误差为士１％的直流电流表对样机校

核，误差＜±６％问，其误差源主要有：

１）粘贴剂的热敏性引起的误差粘贴剂本身随

温度变化发生的应变会对测量结果造成影响。所采

用的环氧树脂适用于高精度应变测量，其本身应变

造成的误差可以忽略。

２）波长的测量引起的误差光栅波长测量仪的

精度直接影响检测结果。实验中采用ＦＢＧ２１０光纤

传感分析仪，测量误差＜Ｏ．００１ｎｍ。

３）温度传感引起的误差由于所用铝和ＧＭＭ

的热传导系数不同，体积也不同，所以温度传感

ＦＢＧ在测量磁致伸缩材料棒体温度时会有一定误

万 方数据

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圈７电流传盛光栅反射中心波长随温度变化曲线

Ｆｉｇ．７

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２００７年７月第３３卷第７期

１９９３，２９（５）：２８－３１．

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高电压技术

·３９５．

·７１·

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［１２３

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ＣＨＥＮＳｈｏｕ－ｚｈ仉Ｔｈｅｏｐｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃＢｏ－ｗｅｎ，ＹＡＮ

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ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａｌ

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Ｄ，ＤａｖｉｓＡ，ＰａｔｉｃｋＪ，ｅｔｇｒａｔｉｎｇｂｙｇｒａｔｉｎｇｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

ＭＤＣ－ｃｕｒｒｅｎｔａｎｄ

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ｇｉａｎｔ

ａｃｔｕａｔｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌＺｈ司ｉａｎｇ

王ｔ元１９７１一。男，博士，耐教授，长期ｓａｌｉｎｉｔｙ［Ｊ－［．Ｓｅｎｓｏｒｓ

从事电力电子技术和电力系统

状态检测诊断的研究．电话，［９３

（０４３２）４８０７２５７

［８３

ＪｕｎＳｃｉｅｎｃｅ），２００４。３８（６）ｌ

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７４７－７５０．

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ａｎｄ

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ＲａｏＹｉｎｏｆｉｎ－ｆｉｂｅｒ

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ｐｒｏｇｒｅｓｓｇｒａｔｉｎｇ

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ＬＩＡＯＵｎｉｖｅ－

Ｙａｎ－ｂｉａｏ．ＦｉｂｅｒＴｓｉｎｇｈｕａ

ｒａｉｔｙＰｒｅｓｓ，２０００．

蔡国伟

事电力系统稳定研究及故障诊

断分析的研究．

ｏｐｔｉｃｓ［Ｍ］。Ｂｅｉｊｉｎｇｌ

Ｅ１１］谢芳，张书练，李岩，等．温度补偿的光纤光橱应力传感系矗龙集１９８１一，男，硕士生，从事电力系

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ＸＩＥＳｈｕ－ｌｉａｎ，ＬＩＹａｈ，ｃｔａＬｔｈｅｍｅ．Ａｓ－

Ｆａｎｇ。ＺＨＡＮＧＳｔｕｄｙ

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ｓｙｓｔｅｍＢｒａｇｇ

ｏｆ

ｇｒａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００１，２７（５）１３９３

王建元

Ｐｈ．Ｄ．ＷＡＮＧ

Ｊｉａｎ－”ａｎ

究．

收穰日期２００６－０７－１５编辑曹昭君

ｉｎ－ｆｉｂｅｒ

ｓｔｒａｉｎ辩ｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ

（上接第４８页）

［１３］鄢来君．曲线拟合法测动热稳定试验回路的功率因数［Ｊ］．高电

压技术，１９９９。２５（３）１７０－７１．

ＹＡＮｍｅｔｈｏｄ－ａｆｏｒ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＭｏｎｇｉｍｐｕｌｓｅ

ｓｕｒｆａｃｅｕｎｄｅｒ

ｌｉｇｈｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ］．

Ｐｏｗｅｒ１３—１６．

ＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００３，２７（２）ｌ

冯远程

１９８ｚ一，男，工程师，从事数字测

量与虚拟仪器技术应用研究．

Ｌａ坷ｕｍｍｅａｓｕｒｉｎｇ

Ｃｕｒｖｅ－ｆｉｔｔｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄ

ｐｏｗｅｒ－ｆａｃｔｏｒｐｅａｋ

ｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｗｉｔｈｓｔａｎｄａｎｄｓｈｏｒｔ－

ｔｉｍｅｃｕｒｒｅｎｔ

Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｙｅｈ＠ｇｍａｉＬ

朱旭东１９６３一，男，博士，副教授，长期

ｃｕｍ

ｗｉｔｈｓｔａｎｄ

ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ

ＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

从事高电压、大电流试验与测试

技术研究．

１９９９，２５（３）１７０－７１．

［１４］郭喜庆。耿光飞．模糊多项式拟合法在负荷预测中的应用［Ｊ］．

电网技术，２００２，２６（９）：２２－２４．

ＧＵＯｏｆ

Ｘｉ－ｑｉｎｇ．ＧＥＮＧ

Ｇｕａｎｇ－ｆｅＬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｆｕｚｚｙｐｏｌｙｎｏ－

ｍｉａｌｉｎｌｏａｄ

元

冯远程

勇１９８１一，男．硕士生，从事虚拟仪

ｆｉｔｔｉｎｇｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ

ＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

季严松器技１９７８术－－磐虢生。从事换能

器、真空开关等领域的研究．

万之全１９８１一。男，硕士生，从事冲击电

压发生器、虚拟仪器技术应用研

究．

林可１９８３一，女，硬士生，从事散字测

量技术应用研究．

２００２，２６（９）：２２－２４．

［１５］郝艳捧。王国利。李彦明，等．基于双指敷函数拟合的冲击波形

参效提取算法［Ｊ１．高电压技术。２０００，２６（６）：３１－３４．

ＨＡＯａＬＡ

Ｙａｎ－ｐｅｎｇ。ＷＡＮＧ

Ｇｕｏ－ｌｉ。ＬＩＹａｎ－ｍｉｎｇ，ｅｔｄｏｕｂ－

ｆｉｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｆｏｒｌｅ

ｉｍｐｕｌｓｅｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ

ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ

Ｖｏｌｔａｇｅ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，２６（６）：３１—３４．

应用光纤Bragg光栅的新型直流电流测量方法

作者：王建元， 蔡国伟， 高龙集， 徐元哲， 赵阳， WANG Jian-yuan， CAI Guo-wei， GAO

作者单位：王建元,蔡国伟,高龙集,徐元哲,WANG Jian-yuan,CAI Guo-wei,GAO Long-ji,XU Yuan-

Long-ji， XU Yuan-zhe， ZHAO Yang

zhe(东北电力大学电气工程学院,吉林132012)， 赵阳,ZHAO Yang(两锦供电公司,锦州

121000)

高电压技术

HIGH VOLTAGE ENGINEERING英文刊名：

2007，33(7)年，卷(期)：

2次被引用次数：

刊名：

1.尚秋峰.王仁洲.杨以涵光学电流互感器及其在电力系统中的应用[期刊论文]华北电力大学学报 2001(02)

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2.郭志忠.高桦光电式电流互感器研究的述评[期刊论文]高压电器 1993(05)

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3.陈海清.郭守珠高压领域中的光电式电流互感器 1998(02)

4.毕然.徐雁.朱明钧用于高压直流的光电电流互感器研究[期刊论文]高压电器 2004(05)

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5.郭志忠电子式电流互感器研究评述[期刊论文]继电器 2005(14)

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6.Kery A D.Davis M A.Patick H JFiber grating nsors 1997(08)

7.谢芳.王慧琴用光纤F-P滤波器解调的光纤光栅传感器的研究[期刊论文]光电子·激光 2003(04)

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8.Jun Cong.Xianmin ZhangFiber optic Bragg grating nsor bad on hydrogels for measuring salinity

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10.廖延彪光纤光学 2000

11.谢芳.张书练.李岩温度补偿的光纤光栅应力传感系统的研究[期刊论文]光学技术 2001(05)

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12.Cruz J L.Diez A.Andres M VFiber Bragg grating tuned and chirped using magnetic fields 1997(03)

13.曹淑瑛.王博文.闫荣格超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型[期刊论文]中国电机工程学报 2003(11)

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14.易本顺.胡瑞敏.朱子碧磁致伸缩调制型光纤Bragg光栅的温度补偿方法[期刊论文]中国激光 2002(12)

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15.Mora J.Díez A.Cruz J LA magnetostrictive nsor interro-gated by fiber gratings for DC-current

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16.邬义杰.刘楚辉超磁致伸缩驱动器设计方法的研究[期刊论文]浙江大学学报（工学版） 2004(06)

-

1.学位论文高龙集基于光纤Bragg光栅的光学电流互感器的研究2007

电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的设备，其精度及可靠性与电力系统的安全和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，传统的

电流互感器难以满足需求，而光学电流互感器因其独特的优点具有潜在的应用价值，是未来电力工业电流测量发展的趋势。

首先，本文通过广泛阅读资料，回顾了光学电流互感器近年来的进展，分析了该技术领域存在的一些问题。然后，对光纤布拉格光栅传感原理及磁

致伸缩效应的工作机理作了详尽地分析，并分别建立了应变及温度传感模型。基于光纤布拉格光栅应变敏感性和超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，本文

将光纤布拉格光栅传感技术与磁致伸缩材料相结合，提出了一种新的光学电流互感器设计方法。

其次，通过优化设计传感器探头结构，施加合适的偏置磁场及预压应力，有效抑制了磁致伸缩材料的非线性，同时改善了磁致伸缩材料的磁滞特性

，实现了光纤布拉格光栅波长漂移量与轴向应变量的线性调谐关系；利用光纤布拉格光栅的可串联特性设计了温度补偿系统，有效解决了磁致伸缩材料

调制光纤布拉格光栅时温度漂移问题，从而实现对电流的可重复测量。

本文对基于光纤布拉格光栅与超磁致伸缩材料的光学电流互感器进行了有意义的、基础性的研究，为光学电流互感器的研究提供了新的途径。

2.会议论文王建元.高龙集.蒋戈凌.徐元哲一种新型高压直流光学电流互感器的研究2006

基于光纤Bragg光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应，本文提出一种新型直流电流互感器的设计方法。首先，详尽地介绍了超磁致伸缩材料

(GMM)与光纤Bragg光栅(FBG)相结合的传感原理。其次，针对GMM 调制FBG 时存在的磁滞非线性以及测量精度的温漂问题，给出了相应的解决方法。再次

，利用高速DSP和F-P腔实现了对FBG的高精度解调。最后，样机实验证明，该装置具有结构简单、线性度好、灵敏度高等特点。

3.学位论文洪应娇基于超磁致伸缩材料的光纤Bragg光栅电流传感器设计2008

电流是电力系统的一个重要参数，电流传感器的精度和可靠性密切关系到电力系统运行的安全。由于传统的电流互感器固有缺点，难以满足当今电

力工业的发展需求。光学电流互感器众多优点使得它成为传统电流互感器最具有优势的替代品。

本文在分析主要类型光学电流互感器发展及其优点和缺点。在详细论述光纤Bragg光栅传感原理和超磁致伸缩材料的工作原理的基础上，将光纤

Bragg光栅和超磁致伸缩材料相结合，提出一种新的光学电流互感器设计方案。

设计光纤Bragg光栅的调谐装置，利用该装置可以方便施加合适的预压力，有效提高测量测量精度。设计偏置线圈产生的磁场来使得超磁致伸缩材料

工作区的转移到线性区域。

详细论述各种温度补偿原理，利用热膨胀抵消补偿方法和软件补偿方法对光纤Bragg光栅电流互感器进行温度补偿，基本上有效解决了电流传感头的

温漂影响。磁场线性测量范围为164.82Oe，测量的灵敏度可达到0.00477nm/Oe。

1.张艳.陈金玲.张明明.李红斌一种新型传感结构的光学直流电流传感器[期刊论文]中国电机工程学报 2009(3)

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2.姚远.易本顺.肖进胜基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的交流电流测量[期刊论文]武汉理工大学学报 2008(9)

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本文链接：/Periodical_

授权使用：西北大学(xaxbdx)，授权号：163ed9ef-1e25-4fd2-bf5d-9e2b00b6bbb1

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