1 引 言
随着电力工业的不断发展，对在电力系统计量环节和继电保护中起重要作用的电流传感器技术要求越来越高。传统的电磁式电流互感器存在着磁饱和、铁磁谐振、频带窄、动态范围小、有油易燃易爆等问题，而光学电流传感器具有绝缘性好、抗电磁干扰[1]、频带宽、动态范围大，无二次开路产生高压的危险及漏油爆炸等危险，近些年其研究进展十分迅速[2-5]，应用领域不断扩大。但至目前，法拉第磁光效应传感方案仍然受线性双折射问题和环境温度因素的影响[6-7]，光电混合式解决方案仍然的高电位电子电路供电问题及电子电路可靠性问题一直没有很好的解决。
经过十几年的研究和开发，光纤布拉格光栅(FBG)传感技术已成为光纤传感中可靠性最高、实用性最强的传感技术。超磁致伸缩材料(GMM)具有伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快等优点，广泛地应用于换能和驱动。将GMM与FBG组合(简称为GMM-FBG)作为传感器进行电流传感的方案成本低，而且不需要复杂的电隔离，成为近年来研究的一个热点[8-11]。本文采用GMM-FBG作为工频交流电流传感器，提出了利用光纤迈克耳孙干涉仪(MI)的干涉光谱在某一区域与波长的近似线性关系对FBG波长信息进行解调，实现了对交流电流信号的检测。该电流传感装置具有结构简单，体积小，成本低，为今后电力系统中电流检测装置的研制提供了新思路。
2 介 绍
GMM与FBG组合测量工频电流的系统原理图如图1所示。FBG电流传感器是在保持环境温度不变的情况下，通过激励电流(由汇流排产生)产生磁场作用到GMM上，从而引起FBG的应变实现电流传感。已知磁场强度和电流成线性关系[8]：
H= ki （1）
式中k为常数。
永磁材料产生的偏置磁场，使驱动器工作在线性区。因此，FBG受到的应变和磁场也是线性关系：
ε=BH （2)
式中B为常数。将(1)式代入(2)式中，就可以得到FBG受到的应变和待测电流的关系：
ε =B′i (3)
式中B′为常数。当应力作用于FBG时，纤芯有效折射率和栅格周期的变化导致FBG中心波长漂移为[8]
式中 λB 为FBG的反射谱中心波长，neff 为栅区的纤芯有效折射率，Λ为FBG的栅格周期，Pe 为有效光弹系数，在硅纤介质中，Pe 约为0.22。将(3)式代入(4)式就可以得到FBG中心波长漂移和待测电流之间的关系为
式中C为常数。因此，只要解调出FBG中心波长的漂移量，就可以实现电流的测量。利用MI干涉光谱在某一区域与波长的近似线性关系建立数学模型，实现了对FBG中心波长信息的解调。
如图1所示，从FBG反射回来中心波长为 λB 的光经环行器和耦合器进入MI，得到干涉信号为
式中 I1 和 I2 为MI两个干涉臂的光强，R1 和 R2 分别为对应的两个干涉臂端面反射率，n 为光纤的折射率，d为两干涉臂的长度差，φ0 为干涉谱初始相位。当待测交流电流加载到汇流排上时，FBG中心波长 λB 就会改变，进而MI干涉谱的相位变为
将(5)和(8)式代入(6)式，
调整MI干涉谱的初始相位，使得 φ0 =π/2 ，如图2灰色区域所示。待测交流电流可以表示为 i = I0 sin(2πft) ，则干涉光强可以表示为 
这样就可以根据光电探测器输出的电压大小，实现对交流电流的测量。
3 光纤电流传感器实验结果
3.1 实验装置介绍
光纤电流传感实验装置原理图如图1所示。该实验装置由宽带放大自发辐射(ASE)光源传感部分、解调部分、光电转换部分、数据处理和直流偏置电压电路组成。传感器部分以汇流排作为激励源，由硅钢片、永磁铁和GMM-FBG组成磁路系统。其中，永磁材料产生偏置磁场，使驱动器工作在线性区或避免驱动器发生倍频问题。解调部分的MI由微位移器和光纤耦合器构成。光电探测器(PD)采用中国电子科技集团第四十四研究所生产的GT322D型系列InGaAs探测器。
ASE平坦区的波长范围为 1530～1570 nm。传感部分的实物图如图3所示。其中硅钢片、永磁铁和GMM- FBG 由红色环氧树脂密封，起到和外界高压绝缘的作用。FBG 反射光谱由光纤输出，中心波长λB ≈ 1550 nm 。
解调部分的MI实物图如图4(a)所示。将一个2×2单模光纤耦合器的端口3和4分别镀上金属高反膜就构成了光纤MI。将MI的光纤干涉臂用胶水(UV60LOT300, THORLABS)固定在微位移器的表面，最后采用环氧树脂密封，以减少外界环境对MI干涉光谱的影响。MI传感臂和参考臂的臂长差为243 mm，对应的干涉谱自由光谱区为3.3 nm，如图4(b)所示。其中，微位移器是根据实验参数计算，从成都汇通西电电子有限公司定制的，位移精度可以达到0.01 mm。微位移器的两端引出两根电线，直流偏置电压加载在电线两端，来调整MI的初始相位。
3.2 传感系统预校准
如图1所示，ASE发出的光从环行器端口1入射，从端口2透射进入FBG，经FBG反射，从端口3输出中心波长为 λB 的反射谱耦合进入MI。该反射光谱从耦合器端口1入射，经传感臂和参考臂端面反射，在端口2输出干涉信号，然后由PD转化为电压信号，经A/D采集后进行数据处理。在加载交流电流信号之前，需要调整微位移器的直流偏置电压，使MI干涉谱的初始相位 φ0 =π/2 。直流偏置电压从0逐步增大，使得FBG中心波长遍历MI半个自由光谱区，与此同时，A/D采集每一个直流偏置电压对应的PD输出的电压信号。最后采用线性插值的方法得出MI初始相位 φ0 =π/2 对应的直流偏置电压 Vπ/2 ，并将微位移器的偏置电压保持在 Vπ/2 不变。
3.3 实验结果分析
将交流电流的幅值从小到大逐渐加载在汇流排上，可以得到PD输出的电压信号和待测电流幅值的线性关系趋势线，如图5所示。从图中可以看出，实验数据的线性相关性为99.06%。在传感器线性输出范围内，可探测到的最大线性电流幅值为1700 A，最小电流幅值为100 A，传感系统电平/电流灵敏度为0.68 mV/A。
继续增大待测电流的幅值，FBG中心波长进入MI干涉光谱非线性区，输出电压信号就会发生畸变。减小MI两个干涉臂的臂长差可以增大传感器线性输出范围，并且臂长差越短，外界对MI的影响越小，但是这样就会牺牲传感器的灵敏度。传感器的灵敏度和动态范围始终是系统中相互制约的两个参数。
线性边带解调方案对光强稳定性的要求比较高，如果将光源光强进行实时监测，实现对传感器输出信号的实时补偿，也可以提高系统稳定性。
3.4 温度特性分析
以上实验均建立在GMM-FBG不受周围环境温度影响的基础上。 实际上，GMM应变特性和FBG传感特性都与温度有关。因此，对GMM-FBG组合的传感系统进行了温度特性实验，并介绍了目前普遍采用的温度补偿方案。
将汇流排连同红色环氧树脂密封的硅钢片、永磁铁和GMM-FBG 放入高低温交变箱中。在汇流排加载工频电流，电流幅值保持不变(303 A)。开启高低温交变箱，在-10 ℃～60 ℃温度范围内，每2.5 ℃记录一组数据，得到实测温度与PD输出电压的关系，如图6所示。通过实验数据分析可得，在70℃范围内，PD输出电压变化了120 mV，因而，在实际应用中必须采取温度补偿技术，来确保传感系统的稳定性。可以借鉴比较简单可行的补偿方案。其中，易本顺等[12]提出了两种简单的磁致伸缩调制型FBG的温度补偿方法，利用磁场和磁致伸缩材料对FBG的布拉格波长进行调制，将一对FBG按特定的结构固定，使得磁致伸缩效应对两只FBG的布拉格波长的调制效果相互叠加而温度的影响相互抵消，补偿后的磁场调制型FBG温度在22 ℃~80 ℃的范围内，波长变化仅为 0.11 nm。将在今后的研究工作中建立 GMM- FBG组合的传感系统温度输入-输出关系，对不同温度下检测的电流信号实现温度补偿。
4 结 论
研制了应用于电力工程的工频电流传感装置，采用GMM-FBG作为工频交流电流传感器，通过激励电流产生磁场作用到GMM上，从而引起FBG交变应变，实现了对交流电流的传感。然后采用线性边带解调方案，利用MI干涉光谱在某一区域与波长的近似线性关系，研制了可用于FBG应变信号解调的解调器，解决了交变电流传感波长信息解调问题。实验结果表明，在传感器线性输出范围内，可探测到的最大线性电流幅值为1700 A，最小电流幅值为100 A，传感系统电平/电流灵敏度为 0.68 mV/A。由于GMM 应变特性和FBG传感特性都与温度有关，对传感系统进行了温度特性实验。该电流传感装置具有结构简单，体积小，成本低，为今后电力系统中电流检测装置的研制提供了一种选择。
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