一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头

1.本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头。


背景技术：

2.光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。
3.光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件，具有体积小和插入损耗小等优点，广泛应用在光纤传感领域，光纤光栅还具有抗电磁干扰能力强和抗腐蚀能力强，可以在复杂的环境中工作的优点。光纤光栅按照周期大小分类，可以分为光纤布拉格光栅(fbg:fiber bragggrating)和长周期光纤光栅(lpfg:long period fiber grating)。长周期光纤光栅的周期通常有几十到几百微米，它能够将纤芯导模的能量耦合到同向传输的包层模中，其超大的周期决定了它与传统的布拉格光栅相比具有完全不同的耦合机制，长周期光纤光栅(lpfg)作为一种新型的光纤光栅,由于其插入损耗小、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉等优点,所以在通信、传感等领域都有着十分广阔的发展前景。
4.本发明提出了一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头的设计方案，在陶瓷管表面利用车削加工出等螺距的u型螺旋槽，然后将铜丝缠绕在u型螺旋槽中，再把单模光纤穿入陶瓷管内，当电流通过u型螺旋槽内的铜丝时，电流做功而消耗电能，产生了热量，根据电流的热效应以及陶瓷管螺旋槽的结构，形成了周期性的温度分布，利用光纤的热光效应，温度对单模光纤纤芯折射率进行周期性调制构成lpg结构，从而使lpg的透射谱特性发生变化。测出lpg透射谱线的变化，实现对交流电流的测量。


技术实现要素：

5.本发明设计了一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头，可以实现对电流的测量。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头，它的结构包括宽带光源(1)、敏感探头
(2)、光谱分析仪(3)、计算机(4)，其特征在于：所述的敏感探头(2)总长度为2cm～4cm，包括单模光纤(2-1)、u型螺旋槽(2-2)、铜丝(2-3)、陶瓷管(2-4)，所述的单模光纤(2-1) 的纤芯直径为0.009mm，包层直径为0.125mm，所述的u型螺旋槽(2-2)是在陶瓷管(2-4) 表面用车削加工出来的，u型螺旋槽(2-2)的槽宽为0.4mm，槽深为0.3mm，螺距为1mm，陶瓷管(2-4)内径为0.125mm，外径为1.25mm，材料为二氧化锆，将铜丝(2-3)缠绕在陶瓷管(2-4)表面的u型螺旋槽(2-2)中，铜丝(2-3)的直径为0.3mm，再将单模光纤(2-1) 穿入陶瓷管(2-4)内，当电流通过u型螺旋槽内的铜丝时，电流做功而消耗电能，产生了热量，根据电流的热效应以及螺旋槽的结构，形成了周期性的温度分布，利用光纤的热光效应，温度对单模光纤纤芯折射率进行周期性调制构成lpg结构，从而使lpg的透射谱特性发生变化。测出lpg透射谱线的变化，实现对交流电流的测量。
8.采用上述的技术方案，本发明取得的技术进步是：在陶瓷管表面利用车削加工出等螺距的u型螺旋槽，再在加工出的u型螺旋槽中缠绕铜丝，然后把光纤穿入陶瓷管中，当电流通过u型螺旋槽内的铜丝时，电流做功而消耗电能，产生了热量，根据电流的热效应以及陶瓷管螺旋槽的结构，形成了周期性的温度分布，利用光纤的热光效应，温度对单模光纤纤芯折射率进行周期性调制构成lpg结构，从而使lpg的透射谱特性发生变化。测出lpg透射谱线的变化，实现对交流电流的测量。
附图说明
9.图1为本发明所述的一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头的工作流程示意图；
10.图2为本发明所述的一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头中敏感探头的具体结构示意图；
11.图3为本发明所述的一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头中敏感探头的截面图。
12.图4为本发明所述的一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头中敏感探头的螺旋槽结构图。
具体实施方式
13.下面将结合图2，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
14.本发明是一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头，实现对交流电流的测量，拓展了传感器的功能，具体实施步骤如下：
15.步骤一：加工u型螺旋槽
16.(1)根据螺旋槽宽度和形状的要求，选择直径为0.4mm的球头铣刀；
17.(2)在主轴筒内夹好陶瓷管，分别启动主轴和铣刀旋转运动，动力头带动铣刀旋转，转速为100r/min，铣削深度控制为0.3mm；
18.(3)铣削u型螺旋槽，槽距为1mm；
19.(4)做成图2所示的u型螺旋槽结构的制作尺度为：槽深为0.3mm，宽度为0.4mm，螺距为1mm的u型螺旋槽。
20.步骤二：缠绕铜丝
21.(1)将铜丝缠绕在陶瓷管表面被加工出的u型螺旋槽中；
22.(2)使用环氧铜粉导电胶将铜丝全部固定在u型螺旋槽中。
23.步骤三：将单模光纤穿入陶瓷管中，并在陶瓷管两端使用uv胶对光纤进行固定。
24.上述制作工艺步骤顺利完成后，敏感探头制备完毕。
25.本发明的基本原理为：在陶瓷管表面利用车削加工出等螺距的u型螺旋槽，再在加工出的u型螺旋槽中缠绕铜丝，然后把光纤穿入陶瓷管中，当电流通过u型螺旋槽内的铜丝时，电流做功而消耗电能，产生了热量，根据电流的热效应以及陶瓷管螺旋槽的结构，形成了周期性的温度分布，利用光纤的热光效应，温度对单模光纤纤芯折射率进行周期性调制构成lpg 结构，从而使lpg的透射谱特性发生变化。测出lpg透射谱线的变化，实现对交流电流的测量。


技术特征：
1.一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头，它的结构包括宽带光源(1)、敏感探头(2)、光谱分析仪(3)，其特征在于：所述的敏感探头(2)总长度为2cm～4cm，包括单模光纤(2-1)、u型螺旋槽(2-2)、铜丝(2-3)、陶瓷管(2-4)，所述的单模光纤(2-1)的纤芯直径为0.009mm，包层直径为0.125mm，所述的u型螺旋槽(2-2)是在陶瓷管(2-4)表面用车削加工出来的，u型螺旋槽(2-2)的槽宽为0.4mm，槽深为0.3mm，螺距为1mm，陶瓷管(2-4)内径为0.125mm，外径为1.25mm，材料为二氧化锆，将铜丝(2-3)缠绕在陶瓷管(2-4)表面的u型螺旋槽(2-2)中，铜丝(2-3)的直径为0.3mm。使用车削加工陶瓷管表面的u型螺旋槽，将铜丝缠绕在u型螺旋槽中后使用环氧铜粉导电胶对铜丝进行固定，最后将单模光纤穿入陶瓷管内，并在陶瓷管两端使用uv胶对光纤进行固定。2.根据权利要求1所述的一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头，其特征在于：使用车削加工u型螺旋槽时应使用球头铣刀，转速为100r/min，铣削深度控制为0.3mm。

技术总结
本发明属于光纤光栅传感技术领域，公开了一种螺旋长周期光纤光栅交流电传感探头的结构。结构包括宽带光源、敏感探头、光谱分析仪、计算机，所述的敏感探头包括单模光纤、U型螺旋槽、铜丝、陶瓷管。本发明传感探头采用车削加工，在陶瓷管上加工出等螺距的U型螺旋槽，再将铜丝缠绕在陶瓷管表面的U型螺旋槽中，然后把光纤穿入陶瓷管内，当电流通过U型螺旋槽内的铜丝时，电流做功而消耗电能，产生了热量，根据电流的热效应以及陶瓷管螺旋槽的结构，形成了周期性的温度分布，利用光纤的热光效应，温度对单模光纤纤芯折射率进行周期性调制构成LPG结构，从而使LPG的透射谱特性发生变化。测出LPG透射谱线的变化，实现对交流电流的测量。实现对交流电流的测量。实现对交流电流的测量。


技术研发人员：刘月明 李宗雪
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/6/1