面向新型电力系统的微磁场光学感知技术.docx

第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备-1。曾周新型电力系统的微磁场光学感知技术张嘉伟，魏晓飞，蒙轩，付庚，叶子帆(西安理工大学电气工程学院，陕西西安710048)摘要：随着新型电力系统的加速建设以及电力设备智能化程度的不断提升，电力设备的低碳化和数字化成为重要发展方向。其中，准确测量电力系统电工装备磁场分布是评估其健康状况、计算能量损耗、优化结构设计的关键。针对目前电工装备磁场的测量需求和环保型电力设备的监测瓶颈，本文设计了一种无源全光纤磁场传感器。该传感器将磁-机换能电介质与法布里-珀罗(fabry-perot,F-P)光学干涉腔相耦合，实现了外磁场的高精度无源测量。首先，根据F-P干涉原理设计了非本征型F-P干涉结构。其次，测试并分析了不同封装材料对传感器磁传感特性的影响。随后，测试传感器在直流磁场下的传感性能，研究了传感器直流磁场测量范围的影响因素，实现了更宽范围的磁场测量。最后，根据电力系统下交流磁场的测试需求，对传感器在交流磁场下的动态跟随性能进行测试。结果表明：该传感器可实现交直流磁场的实时测量，测量范围为012OmT,灵敏度为447pmmT,分辨率为17T0对50Hz以下的交流磁场具有良好的动态跟踪性能。证明了将其应用于新型电力系统无源磁场测量的可行性。本文所提出的光纤磁场传感器具有测量范围广的优点，具有无源测量特性，无需更换传感器电池，且无需感应取电，满足低碳电力系统的发展要求。关键词：磁场传感器；F-P干涉；光纤；磁-机换能电介质中图分类号：TM93Z1文献标志码：A文章编号：2096-3246(2023)04-0003-08Optica1SensingTechno1ogyofMicro-magneticFie1dfortheNewPowerSystemZHANGJUiwei,WEIXiaofei,MENGXuan,FUGeng,YEZifan(Schoo1ofE1ectrica1Eng.,Xi,anUniv.ofTechno1.,Xi,an710048,China)Abstract:Withtheacce1eratedconstructionofthenewpowersystemandthecontinua1improvementOfinte11igentpowerequipment,1ow-carbonanddigita1Consiructionofe1ectricpowerequipmenthavebecomeanimportanttrend.Amongthem,theaccuratemeasurementofthemagneticfie1ddistributionofe1ecirica1equipmentinpowersystemsisthekeyofitshea1thstatuseva1uation,energy1ossesca1cu1ationandstructura1designoptimization.Apassiveoptica1fibermagneticfie1dsensorwasdesignedinhispapertomeetthemeasurementrequirementsofthemagneticfie1dgeneratedfromthee1ectrica1equipmentandtoso1vethebott1eneckprob1emsoftheenvironmenta11yfriend1ypowerequipment.Thissensorrea1izedthehigh-precisionpassivemeasurementoftheexterna1magneticfie1d,whichwasbasedonthecoup1ingstructurebetweentheInagneticmcchanica1conversionfunctiona1die1ectricandfabrj,-perot(F-P)optica1interferencecavity.Firstofa11,theextrinsicF-PinterferencestructurewasdesignedaccordingtotheFPinterferenceprincip1e.Besides,theinf1uenceofdifferentpackagingmateria1sonthesensitivityofthesensorwasdiscussedbymeasuringthemagneticsensingpropertiesofsensorswithvariousmateria1s.T1iesensingperformanceofthesensorunderDCmagneticfie1dwastested,andinf1uencefactorsofthemeasurementrangewasstudiedtoobtainawidemeasuren½ntrange.Fina11y,thedynamicperformanceofthesensorwastestedundertheACmagneticfie1daccordingtothemeasurementrequirementsinthepowersystem.Theresu1tsshowedthatthissensorcanrea1izerea1-timedetectionsoftheAC/DCmagneticfie1d.Themeasurementrange,sensitivityandreso1utionofthe收稿日期:2023-08-31基金项目:国家自然科学基金国际合作研究项目(62061136009)：国家自然科学基金面上项目(51877031)：陕西省商层次人才引进计划；陕西省引进国外智力示范基地：陕西高校青年创新团队作者简介:张泉伟(1982),男，教授，博士生导师.研究方向：新能源系统绝缘：电力系统智能感知.E-mai1：jwzhang网络出版时间:2023-06-2813:33:27网络出版地址:http:/sensorwere0-120mT,447pm/mTand17Trespective1y.Meanwhi1e,ithadexce11enttrackingpropertiesfortheACmagneticfie1dbe1ow50Hz,whichprovedthefeasibi1ityforitsapp1icationinthepassivemagneticfie1dmeasurementofthenewpowersystem.Hence,hcoptica1fibermagneticfie1dsensorproposedinthispaperhastheadvantagesofawidemeasuremcn1rangeandpassivemeasurementCharacierisiics.withoutIheneedofthebattcrj,rep1acementorthepowersupp1yfromtheinduction,whichmeetsIhedeve1opmentrequirementsof1owcarbonpowersystems.Keywords:magneticfie1dsensors;F-Pinterference;optica1fiber;magneto-mcchanica1conversionfunctiona1die1ectric空间磁场不仅能反映电工装备的稳态运行特性，还能体现电工装备的健康状况。电工装备空间磁场的准确测量是电工装备大数据模型建立、可靠性分析以及安全维护的关键I2T。近年来，光纤传感器作为磁场检测器件引起了学者的浓厚兴趣。相较于传统非光纤传感器，光纤传感器不仅具有抗电磁干扰、小型化等优点，而且可实现绝对测量和多路复用。目前，研究者们对光纤磁场传感器己经进行了大量研究并取得了显著成果。其中，F-P干涉结构是一种较为普遍的光学磁场传感结构，由光纤端面和敏感端面之间的平行间隙组成，结构简单同时，白光干涉与F-P腔结合还可以实现干涉光波相位解调，具有动态范围大、分辨率高的优点。现有的F-P光纤磁场传感器中，通常以磁流体或磁-机换能电介质作为磁敏感材料。磁流体是一种由铁磁性纳米颗粒组成的胶体，通过可调谐折射率效应与磁致伸缩效应实现磁场检测。磁-机换能电介质通常为稀土A仝口Jfco在磁流体方面，HU等利用磁流体的可调折射率效应制备了一种光纤电流传感器，以磁流体作为F-P腔内介质。在电流作用下，磁流体折射率改变，进而实现电流的测量。Shang等提出了一种基于磁流体可调折射率的弱磁传感器，该传感器实现了07mT磁场的测量，灵敏度可达1.082nm/mT。Samian等提出了一种基于磁流体和光纤的磁场检测方法，分辨率为3.3mT,量程为25.383.5mT°Zhao等【提出了一种基于磁流体体积效应的F-P光纤磁场传感器，在磁场作用下使磁流体体积改变，进而引起F-P腔长变化，实现了2688.1pm/mT的高灵敏度检测。在磁-机换能电介质方面，通常采用TerfenO1D作为传感器的敏感材料，具有伸缩系数大、响应快、耦合系数大等诸多优点。Chen等网设计了一种基于TbDyFe合金的非本征F-P磁场传感器，分辨率达到25nT,极大地提高了传感器的分辨率。SUn等网设计了一种基于TbDyFe合金的半固定非本征F-P磁场传感器，将单模光纤仅固定在磁-机换能电介质的两端，取消了单模光纤与套管的连接，从磁-机换能电介质的变化到腔长变化的转换效率显著提高，实现了INT的高分辨率磁场测量。但是，现有研究在追求灵敏度提高的同时，在测量范围扩展方面的研究略显不足”式基于磁流体的F-P光纤传感器在灵敏度与分辨率等方面均取得了较好的成果，但磁流体的磁致伸缩系数以及折射率变化范围有限，大多数传感器的量程较小，应用范围受到限制“61而基于磁-机换能电介质的光纤磁场传感器因其磁致伸缩应变大、响应速度快、居里温度高等特点可广泛应用于各种领域。F-P腔工艺简单，便于封装。因此，将F-P腔与磁-机换能电介质耦合是实现高精度、宽范围磁场测量的有效技术。本文提出了基于磁-机换能电介质的非本征F-P光纤磁场传感器。通过实时检测磁致伸缩微应变引起的干涉光谱的移动，实现NT级高分辨率微磁场的测量。分析了非本征F-P光纤传感器干涉相位差与入射和反射光强的关系，并通过实验确定了最优F-P耦合腔长；通过数控磁场发生系统进行外加磁场调控，开展了封装材料对传感器灵敏度影响的研究，同时，通过标定获得传感器的灵敏度和分辨率。对传感器的重复性与动态跟随性能进行测试，通过傅里叶变换得到交流磁场下的频率特性。传感器设计与传感机理本文提出的光纤磁场传感器结构如图1(a)所示，该传感器包括光学干涉和磁-机转换两部分，其中光纤与自聚焦透镜组成的光学部件固定于封装外壳固定端1,磁-机换能电介质一端固定于封装外壳固定端2,磁-机换能电介质的另一端镀有大于90%的高反射膜。自聚焦透镜的端面与磁-机换能电介质的高反射端面构成F-P腔。传感器实物如图1(b)所示。参考文献17,磁-机转换电介质选用TerfenoI-D方棒材，规格为3.5mmx3.5mmx35mm,其磁致伸缩系数大于等于IoOoPPm,热膨胀系数为8ppm°C°器件直径为7