主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
基于金属纳米线栅的智能电网全光纤电流传感器
小类:
信息技术
简介:
本作品是基于金属纳米线栅的智能电网全光纤电流传感器,它的主要原理是法拉第磁光效应以及光纤端面光栅的光检偏技术。相对于其它光纤电流传感器,本器件在灵敏度、稳定性、及器件本身简化方面都有很大提高。 本电流传感器的现有检测灵敏度达到0.06degree/A,最小检测精度0.5mA,且实验室模型仍在不断优化改进之中,理论上传感指标能达到更高。
详细介绍:
采用基于光纤端面纳米金属线栅的全光纤光路,器件在灵敏度、稳定性、及器件本身简化方面都有很大提高。首先,本作品中采用基于光纤端面纳米金属线栅的光路偏振检偏技术,得以实现全光纤外差数据采集,大幅度提高器件稳定性,可以在光源大幅波动、温度波动、外界机械扰动等不利条件下正常工作。其次,本作品是第一次实现了无任何分立元件的全光纤电流传感,系统可靠性得以提高,器件小型化,更利于实际智能电网中灵活布局。第三,该电流传感器所使用的关键部件——光纤纳米金属线栅可使用纳米压印技术批量生产,产品成本可以控制到很低。 本电流传感器的现有检测灵敏度达到0.06degree/A,最小检测精度0.5mA,由于光纤传感与电流并不直接接触所以传感器本身没有最大测量上限(只受传导电流的导线限制),且实验室模型仍在不断优化改进之中,理论上传感指标能达到更高。

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  • 基于金属纳米线栅的智能电网全光纤电流传感器

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

本作品发明的目的是为了解决智能电网中电流传感测量的问题。现有常规技术所采用的电流互感器是电磁式电流互感器,暴露出一系列严重的缺点:充油互感器在超高压环境有被击穿发生爆炸的危险、存在磁饱和与磁滞效应不利效应、体积重量大、价格昂贵、易受电磁干扰影响等,已难以满足新一代智能电网电力系统发展的需要。 而光纤传感技术运用在电流传感中,相比较传统技术具有以下显著优势:绝缘性能好、不含铁芯不存在磁饱和铁磁谐振的问题、抗干扰能力强、可以在极端恶劣环境下工作、体积小重量轻、成本极低、测量范围大线性度好、且容易与光纤通信系统衔接组合。所以,将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为解决传统难题的绝佳方法。 本作品的创新点及技术关键在于:采用基于光纤端面纳米金属线栅的全光纤光路,相对于其它光纤电流传感器,本器件在灵敏度、稳定性、及器件本身简化方面都有很大提高。首先,本作品中采用基于光纤端面纳米金属线栅的光路偏振检测技术,得以实现全光纤外差数据采集的功能,由此可大幅度提高器件稳定性,在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下可以正常工作。其次,本作品第一次实现了无任何分立元件的全光纤电流传感,系统可靠性得以提高,器件小型化,更利于实际智能电网中灵活布局。 本电流传感器的现有检测灵敏度达到0.06degree/A,最小检测精度0.5mA,由于光纤传感与电流并不直接接触所以传感器本身没有最大测量上限(只受传导电流的导线限制),且实验室模型仍在不断优化改进之中,理论上传感指标能达到更高。

科学性、先进性

本作品的先进性在于:采用基于光纤端面纳米金属线栅的光路偏振检测技术,第一次实现了无任何分立元件的、全光纤外差测量电流传感。 光纤传感技术具有以下显著优势:绝缘介质材料抗干扰能力强、可以在极端恶劣环境下工作、体积小重量轻且可以自由布局、测量范围大线性度好、容易与光纤通信系统衔接组合。所以,将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为解决传统难题的很好方法。 本作品的先进性及技术关键在于:采用基于光纤端面纳米金属线栅的全光纤光路,器件在灵敏度、稳定性、及器件本身简化方面都有很大提高。首先,本发明中采用基于光纤端面纳米金属线栅的光路偏振检偏技术,得以实现全光纤外差数据采集,大幅度提高器件稳定性,可以在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下正常工作。其次,本发明是第一次实现了无任何分立元件的全光纤电流传感,系统可靠性得以提高,器件小型化,更利于实际智能电网中灵活布局。第三,该电流传感器所使用的关键部件——光纤纳米金属线栅可使用纳米压印技术批量生产,产品成本可以控制到十分低。

获奖情况及鉴定结果

作品所处阶段

中试阶段

技术转让方式

暂无决定。

作品可展示的形式

■模型 ■图纸 ■磁盘 ■现场演示 ■图片 ■录像 ■样品

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明波长1550nm的激光光源输入本作品光路,经过偏振起偏器、环路器、相位调制器等一系列器件进入环状光纤感应单元,在感应单元中由电流产生的磁场会改变光偏振态,反射光在检测端的光纤端面金属线栅透射和反射,同时得到两组光强数据,运用外差法进行处理得到精确的测量结果,生成电流与检测光强对应的曲线,得到相应的测量电流大小、频率变化等信息。 技术特点和优势:本光纤电流传感器是基于法拉第磁光效应原理,它具有良好的电气绝缘性能;无磁饱和现象;光纤电流传感器可以在较宽的频带内,产生高线性度响应;除此之外,相对于其它光纤电流传感器,本作品采用全光纤光路,在稳定性、及光路简化方面都有很大提高,且更加便于封装。 随着电力工业的迅速发展,电力传输系统容量不断增加,测量电流的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流传感器,暴露出一系列严重的缺点。传统电流互感已难以满足新一代智能电网电力系统的需要。将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为解决上述难题的最好方法。

同类课题研究水平概述

基于光纤技术的电流传感器的研究国际上最早开始于上世纪八十年代,至今约有三十多年的历程,而国内也有十多年的研究但仍然没有理想的工业化产品出现。 综合国内外所有研究来看,光纤技术电流传感器主要分为以下两大类: 第一大类则是基于电流发热效应的温度等效传感,这类技术的优点在于其基础温度传感技术众多,而与此相对的很大缺点在于温度传感反应时间缓慢、易受环境条件影响等,这很大程度限制了其工业应用。 第二大类是基于光纤介质法拉第磁光效应的电流传感,优点在于传感精确、反应时间快,缺点在于光纤环中存在不利的线性双折射,且光纤介质的范德尔系数小,以至传感灵敏度偏低。为了解决这些问题,国内外基于这项技术的研究又可分为以下几个方面:1,用体块磁光晶体来代替光纤本身作为传感头使用,而信号传输仍使用光纤作为载体,这种办法解决了光纤磁光系数过小的问题,但是另外引入分离元件对器件的小型化、性能可靠性造成了很大的问题。2,采用光纤掺杂技术提高传感头线圈部分的磁光系数,但是技术条件要求极高、且价格昂贵。3,采用特殊螺旋形光纤作为传感线圈,尽可能减少光纤中不利的线性双折射以相应提高测量灵敏度,缺点在于工序复杂且效果不是非常理想。4,采用反射式结构光路,利用法拉第效应的非对易性来提高灵敏度的电流传感,此技术相对于上述几种方案最大的优势在于结构简单成本低廉,而且反射式结构系统有便于传感布局。欧洲的ABB公司正在研制的光纤电流传感正式基于这种技术。 本作品所阐述的光纤电流传感器正是基于反射式光纤光路的磁光效应电流传感。国际上基于这种技术的光纤电流传感研究也有不少,但是所有的研究几乎都是在传感头(如引入微光纤环、谐振腔技术)、或者传感光路(如利用Sagnac干涉光路)做改进,还没有研究做到在偏振检测端引入全光纤外差技术。外差技术在传感中为提高测量精度起到关键作用,现有的做法是在光检测端使用独立的晶体状分光棱镜,而分立元件的引入造成与上述使用磁光晶体同样的缺点,即对于器件的小型化、性能可靠性造成了很大的影响。而本作品除了具有光纤电流传感的一般优点外,其独特优势还在于引用了光纤金属纳米线栅的检偏技术,得以第一次实现无任何分立元件的全光纤外差电流传感系统,有利于器件的小型化、低成本化,而外差法的引入还可以很大程度上提高器件稳定性,在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下也可正常工作。
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