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光纤电流传感器概述 光纤电流传感器是一种新型的电流传感器,与电磁式电流互感器相比,基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT),具有无铁心、绝缘结构简单可靠,体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象,输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展,而且应用前景十分广阔。 当线偏振光(见光的偏振)在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比,即ψ=VBl,比例系数V称为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。 由于光在光纤中,一边反射,一边行进,偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。针对此现象,在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返,借助光的来回往返,成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。将铅玻璃光纤用于传感器元件,并结合利用镜面的方法,只需把光纤卷绕在载流导体上,用于电流计测的反射型传感器就基本完成。其次,开发了调制程度的平均处理与信号处理方式,这有利于特性的稳定及噪音的抑制。此外,对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究,而且,慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术。目前,光纤传感器技术正朝实用化的方向进展,以适应电力系统的广泛需求。 光纤电流传感器的结构 光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成,如图1所示。传感头包含载流导体,绕于载流导体上的传感光纤,以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度,可分为无源式和有源式两类。光纤电流传感器工作原理 光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础,以光纤为介质的新兴电力计量装置,它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感头的结构和工作原理,对改进光纤电流传感器的设计,提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。 光纤回转仪是MOCT(光纤电流互感器)的核心部件,它由光源,探测器,调节器,以及缠绕电流导线的光电探头组成。其中调节器是光纤电流传感器的核心部件,通过这套系统可以对电流进行精确测量,此项技术受20多项国际专利保护。光纤回转仪最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制。 光纤电流传感器的优点 与传统的电磁式CT 比较,光纤电流传感器除具有前述的优点以外还具备: (1)容易安装,不用断开导线,仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流,能实现整个传感装置的小利轻量化; (2)无电磁噪音的干扰。近年的计测控制系统中,一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路,传感装置本身全部由光学器件构成,故具有抗电磁干扰(EMI)特性; (3)计测范围广,没有铁心磁饱和的制约,同时,法拉第效应的响应速度快,具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱; (4)因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小,故可实现长距离的信号传输。 光纤电流传感器在电力系统中的应用 国外在六十年代就已开始对光纤电流传感器进行研究。美国、日本及西欧的一些国家的研究机构和一些电气仪器公司都在此领域作了大量的工作,如美国国家标准与技术研究所、贝尔实验室、日本的中央研究所、NEC公司及东芝、松下等公司、瑞典皇家技术学院等,到八十年代初期,光纤电流传感器开始进入工业试用阶段。 1986 年美国的田纳西州流域电力管理局(TVA)在其所属的Chkamauga水坝电力编组站安装了第一台单相高电压光学计量用的电流互感器,可靠地运行两年多后拆除。电站的常规电压互感器为OCT 提供电压。在一年的千瓦小时的计量中,与参照系统比仅变化0.08%。按照各种预定的条件如负载、温度、湿度以及电磁干拢等条件下完成了其应负的任务。在变电站的环境中,展现出稳定、准确的性能。 国内应用法拉第效应的光学电流传感器处于探索阶段,在“六五”期间,以1982 年9月在上海召开的“激光工业应用座谈会”为起步,先后有多家单位进行这方面的研究,中电八所、上海硅酸盐所、上海冶金所、华北电力局、北京化工学院、清华大学、华中理工大学等都取得一定成果。 据第15 届国际光纤传感器会议统计在FOS市场份额中,“应力”占23%,“温度”占17.2%,“气压声学”占15.2%,“电流电压”占12.2%,“化学汽体”占11.3%。就传感器类型来说,“光纤光栅”占44.2%,“分光计”占11.1%,“散钟反射”占10%,“Fraday旋光效应”占6.9%,“荧为黑体”占6.6%。 光纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量,而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合,还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置。
日新月异的传感器技术正在广泛应用到汽车中,有调查表明,在2010年,平均每一辆汽车中装载的传感器数量将达到150个。4月12日在深圳举行的中国电子展2008汽车电子与车在技术研讨会中,Infineon的专家全面介绍了汽车传感器技术,从中可以窥探汽车传感器发展的最新进展及未来方向。 动力系统:有源传感器引领趋势,巨磁阻效应引发关注 车用传感器可以大致分为3类:动力系统、安全管理系统和车身舒适系统传感器。其中动力系统传感器市场所占比例最大,也体现了汽车传感器的最先进技术。例如,油门踏板位置传感器的角度误差必须在0.4%以内;节气门位置传感器需要极高的可靠性,并要能够在-50度到150度工作。霍尔传感器也需要有较高的灵敏度,需要精确补偿温度变化带来的偏差,并支持模拟或数字的输出。 凸轮和曲轴传感器与汽车的“心脏”发动机密切相关,因此成为动力系统的关键。Infineon汽车电子系统应用工程师陈毅豪介绍到:“有源的凸轮传感器和曲轴传感器能够为系统提供更多的保护,因此是未来的趋势,将得到更广泛的应用”。预计在2009年,将有5820万个有源曲轴传感器投入使用,而无源传感器则将减少到2150万个。 Infineon的工程师陈毅豪还特别介绍了利用巨磁阻效应实现曲轴传感的最新巨磁阻传感器,“巨磁阻效应传感器感应磁场方向的变化而非强度,具有很高的灵敏度,并能感应更大的空气距离”。他还表示,Infineon今年开始生产巨磁阻效应传感器TLE5025C和TLE5027C,这将为系统供应商提供更大范围的选择。 安全管理系统:压力传感器实现侧气囊控制,ABS、方向盘传感、TPMS一个都不能少 汽车安全管理系统也是广泛使用传感器的领域。汽车侧边气囊的控制有加速度传感器和压力传感器两种方案。权威数据表明,与加速度传感器相比,压力传感器在检测侧边撞击的速度方面,比加速度传感器快了将近3倍,而误动作的概率则更小。因此,未来将得到更广泛的应用。英飞凌提供的方案KP106采用压力传感器方案,精确实现侧气囊控制。 汽车ABS系统使用轮速传感器、方向盘的转角传感器和轮胎压力传感器都是安全管理的重要环节。值得一提的是TLE5011360度方向盘转角传感器——这款传感器利用了巨磁阻效应,通过两个GMR全桥产生正弦和余弦函数,从而提供360度的转角范围检测,并达到极高的精度。 车身舒适系统:车门、变速箱、被动安全让汽车更智能 车门模块中,车门把手、车窗控制上使用了直流马达位置传感器,采用分布式门模块架构,并通过LIN总线相连接。变速箱通过使用2轴或3轴角度/线性传感器,能够满足不同的变速箱位置要求并节省成本,具体的传感器选择则要根据汽车变速箱的功能和设计需求来决定。被动安全装置包括座椅承重的检测、安全带打开/扣住的监测、座椅位置调节的检测(保证气囊系统的有效保护)等等,这些控制的细节对汽车传感器的需求也十分可观。 本次汽车电子与车载技术研讨会上,除了探讨汽车传感器技术外,就车载娱乐设备中的电路保护方案也进行了详细的分析。来自的德方纳米科技有限公司的李光伟博士还展望了碳纳米管技术在汽车工业中即将发挥的重大作用。可以发现,汽车电子技术正经历飞速发展阶段,并将更多的新技术融入其中,为提升整车性能服务。
日本恩梯恩(NTN)开发出了配备磁旋转传感器的树脂滑动轴承“带旋转传感器的滑动轴承”。通过将传感器和轴承设计为一体,能够减小各种设备的尺寸。据该公司介绍,这种轴承适用于打印机等办公设备及计测仪器等。目前已开始接受订货和样品供货。 由于新开发的轴承与旋转传感器设计为一体,因此接头安装结构的自由度高,能够支持多种布线方法。尺寸和形状也可根据用户要求进行设计。 耐用试验结果。轴径为6mm,转数为250rpm,负荷为50N,轴材质为S45C。耐用试验后,脉冲信号的输出和波动没有变化。 据恩梯恩介绍,办公设备和测量仪器越来越需要准确且方便地监视转轴的运行情况。比如,打印机随着部件个数增加和功能提高等,由卡纸及构成部件磨损而造成的转轴故障越来越难发现。传感器有助于迅速发现这些故障并提前预防。