基本信息
- 項目名稱：
- 基于金屬納米線柵的智能電網全光纖電流傳感器
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品是基于金屬納米線柵的智能電網全光纖電流傳感器，它的主要原理是法拉第磁光效應以及光纖端面光柵的光檢偏技術。相對于其它光纖電流傳感器，本器件在靈敏度、穩(wěn)定性、及器件本身簡化方面都有很大提高。 本電流傳感器的現(xiàn)有檢測靈敏度達到0.06degree/A，最小檢測精度0.5mA，且實驗室模型仍在不斷優(yōu)化改進之中，理論上傳感指標能達到更高。
- 詳細介紹：
- 采用基于光纖端面納米金屬線柵的全光纖光路，器件在靈敏度、穩(wěn)定性、及器件本身簡化方面都有很大提高。首先，本作品中采用基于光纖端面納米金屬線柵的光路偏振檢偏技術，得以實現(xiàn)全光纖外差數(shù)據(jù)采集，大幅度提高器件穩(wěn)定性，可以在光源大幅波動、溫度波動、外界機械擾動等不利條件下正常工作。其次，本作品是第一次實現(xiàn)了無任何分立元件的全光纖電流傳感，系統(tǒng)可靠性得以提高，器件小型化，更利于實際智能電網中靈活布局。第三，該電流傳感器所使用的關鍵部件——光纖納米金屬線柵可使用納米壓印技術批量生產，產品成本可以控制到很低。 本電流傳感器的現(xiàn)有檢測靈敏度達到0.06degree/A，最小檢測精度0.5mA，由于光纖傳感與電流并不直接接觸所以傳感器本身沒有最大測量上限（只受傳導電流的導線限制），且實驗室模型仍在不斷優(yōu)化改進之中，理論上傳感指標能達到更高。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本作品發(fā)明的目的是為了解決智能電網中電流傳感測量的問題。現(xiàn)有常規(guī)技術所采用的電流互感器是電磁式電流互感器,暴露出一系列嚴重的缺點：充油互感器在超高壓環(huán)境有被擊穿發(fā)生爆炸的危險、存在磁飽和與磁滯效應不利效應、體積重量大、價格昂貴、易受電磁干擾影響等，已難以滿足新一代智能電網電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 而光纖傳感技術運用在電流傳感中，相比較傳統(tǒng)技術具有以下顯著優(yōu)勢：絕緣性能好、不含鐵芯不存在磁飽和鐵磁諧振的問題、抗干擾能力強、可以在極端惡劣環(huán)境下工作、體積小重量輕、成本極低、測量范圍大線性度好、且容易與光纖通信系統(tǒng)銜接組合。所以，將光纖傳感技術引入到電流檢測中的光纖電流傳感器成為解決傳統(tǒng)難題的絕佳方法。 本作品的創(chuàng)新點及技術關鍵在于：采用基于光纖端面納米金屬線柵的全光纖光路，相對于其它光纖電流傳感器，本器件在靈敏度、穩(wěn)定性、及器件本身簡化方面都有很大提高。首先，本作品中采用基于光纖端面納米金屬線柵的光路偏振檢測技術，得以實現(xiàn)全光纖外差數(shù)據(jù)采集的功能，由此可大幅度提高器件穩(wěn)定性，在光源大幅波動、溫度大幅波動等極端條件下可以正常工作。其次，本作品第一次實現(xiàn)了無任何分立元件的全光纖電流傳感，系統(tǒng)可靠性得以提高，器件小型化，更利于實際智能電網中靈活布局。 本電流傳感器的現(xiàn)有檢測靈敏度達到0.06degree/A，最小檢測精度0.5mA，由于光纖傳感與電流并不直接接觸所以傳感器本身沒有最大測量上限（只受傳導電流的導線限制），且實驗室模型仍在不斷優(yōu)化改進之中，理論上傳感指標能達到更高。
科學性、先進性
- 本作品的先進性在于：采用基于光纖端面納米金屬線柵的光路偏振檢測技術，第一次實現(xiàn)了無任何分立元件的、全光纖外差測量電流傳感。 光纖傳感技術具有以下顯著優(yōu)勢：絕緣介質材料抗干擾能力強、可以在極端惡劣環(huán)境下工作、體積小重量輕且可以自由布局、測量范圍大線性度好、容易與光纖通信系統(tǒng)銜接組合。所以，將光纖傳感技術引入到電流檢測中的光纖電流傳感器成為解決傳統(tǒng)難題的很好方法。 本作品的先進性及技術關鍵在于：采用基于光纖端面納米金屬線柵的全光纖光路，器件在靈敏度、穩(wěn)定性、及器件本身簡化方面都有很大提高。首先，本發(fā)明中采用基于光纖端面納米金屬線柵的光路偏振檢偏技術，得以實現(xiàn)全光纖外差數(shù)據(jù)采集，大幅度提高器件穩(wěn)定性，可以在光源大幅波動、溫度大幅波動等極端條件下正常工作。其次，本發(fā)明是第一次實現(xiàn)了無任何分立元件的全光纖電流傳感，系統(tǒng)可靠性得以提高，器件小型化，更利于實際智能電網中靈活布局。第三，該電流傳感器所使用的關鍵部件——光纖納米金屬線柵可使用納米壓印技術批量生產，產品成本可以控制到十分低。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 暫無決定。
作品可展示的形式
- ■模型 ■圖紙 ■磁盤 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像 ■樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明波長1550nm的激光光源輸入本作品光路，經過偏振起偏器、環(huán)路器、相位調制器等一系列器件進入環(huán)狀光纖感應單元，在感應單元中由電流產生的磁場會改變光偏振態(tài)，反射光在檢測端的光纖端面金屬線柵透射和反射，同時得到兩組光強數(shù)據(jù)，運用外差法進行處理得到精確的測量結果，生成電流與檢測光強對應的曲線，得到相應的測量電流大小、頻率變化等信息。 技術特點和優(yōu)勢：本光纖電流傳感器是基于法拉第磁光效應原理，它具有良好的電氣絕緣性能；無磁飽和現(xiàn)象；光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內，產生高線性度響應；除此之外，相對于其它光纖電流傳感器，本作品采用全光纖光路，在穩(wěn)定性、及光路簡化方面都有很大提高，且更加便于封裝。 隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，測量電流的常規(guī)技術所采用的以電磁感應原理為基礎的電流傳感器,暴露出一系列嚴重的缺點。傳統(tǒng)電流互感已難以滿足新一代智能電網電力系統(tǒng)的需要。將光纖傳感技術引入到電流檢測中的光纖電流傳感器成為解決上述難題的最好方法。
同類課題研究水平概述
- 基于光纖技術的電流傳感器的研究國際上最早開始于上世紀八十年代，至今約有三十多年的歷程，而國內也有十多年的研究但仍然沒有理想的工業(yè)化產品出現(xiàn)。 綜合國內外所有研究來看，光纖技術電流傳感器主要分為以下兩大類： 第一大類則是基于電流發(fā)熱效應的溫度等效傳感，這類技術的優(yōu)點在于其基礎溫度傳感技術眾多，而與此相對的很大缺點在于溫度傳感反應時間緩慢、易受環(huán)境條件影響等，這很大程度限制了其工業(yè)應用。 第二大類是基于光纖介質法拉第磁光效應的電流傳感，優(yōu)點在于傳感精確、反應時間快，缺點在于光纖環(huán)中存在不利的線性雙折射，且光纖介質的范德爾系數(shù)小，以至傳感靈敏度偏低。為了解決這些問題，國內外基于這項技術的研究又可分為以下幾個方面：1，用體塊磁光晶體來代替光纖本身作為傳感頭使用，而信號傳輸仍使用光纖作為載體，這種辦法解決了光纖磁光系數(shù)過小的問題，但是另外引入分離元件對器件的小型化、性能可靠性造成了很大的問題。2，采用光纖摻雜技術提高傳感頭線圈部分的磁光系數(shù)，但是技術條件要求極高、且價格昂貴。3，采用特殊螺旋形光纖作為傳感線圈，盡可能減少光纖中不利的線性雙折射以相應提高測量靈敏度，缺點在于工序復雜且效果不是非常理想。4，采用反射式結構光路，利用法拉第效應的非對易性來提高靈敏度的電流傳感，此技術相對于上述幾種方案最大的優(yōu)勢在于結構簡單成本低廉，而且反射式結構系統(tǒng)有便于傳感布局。歐洲的ABB公司正在研制的光纖電流傳感正式基于這種技術。 本作品所闡述的光纖電流傳感器正是基于反射式光纖光路的磁光效應電流傳感。國際上基于這種技術的光纖電流傳感研究也有不少，但是所有的研究幾乎都是在傳感頭（如引入微光纖環(huán)、諧振腔技術）、或者傳感光路（如利用Sagnac干涉光路）做改進，還沒有研究做到在偏振檢測端引入全光纖外差技術。外差技術在傳感中為提高測量精度起到關鍵作用，現(xiàn)有的做法是在光檢測端使用獨立的晶體狀分光棱鏡，而分立元件的引入造成與上述使用磁光晶體同樣的缺點，即對于器件的小型化、性能可靠性造成了很大的影響。而本作品除了具有光纖電流傳感的一般優(yōu)點外，其獨特優(yōu)勢還在于引用了光纖金屬納米線柵的檢偏技術，得以第一次實現(xiàn)無任何分立元件的全光纖外差電流傳感系統(tǒng)，有利于器件的小型化、低成本化，而外差法的引入還可以很大程度上提高器件穩(wěn)定性，在光源大幅波動、溫度大幅波動等極端條件下也可正常工作。
