(1.石家庄铁道大学 电子与电气工程学院 河北石家庄 050043)
摘要：为了解决目前轨道电路轨旁设备缺少监测系统的问题，本文根据石家庄机务段现场调研情况，设计了一种基于光纤光栅传感技术的电流实时监测系统。文本利用光纤光栅传感特性制成电流传感器，将ARM微处理器和Labview相结合对外部信号进行采集，运用LM算法进行数据拟合，通过以太网实现上位机与下位机的联调，最终达到寻找中心波长和计算电流等功能。结果表明，该系统能够准确监测到轨旁设备的电流值，及时的预防和发现轨道电路轨旁设备故障，减少故障排查时间，提高铁路运行效率。
关键词：光纤光栅；电流传感器；数据拟合
Fiber Bragg Grating Current Sensor Real-Time Monitoring Demodulation System
Di Zong1，Chen Baoping1，Zhao Shuai1，Zhang Shouliang1
（Shijiazhuang Tiedao University School of Electronics and Electrical Engineering，Shijiazhuang，Hebei 050043，China）
Abstract：In order to solve the problem of lack of monitoring system for track-side equipment in track circuit, this paper designs a current real-time monitoring system based on fiber grating sensing technology based on the field investigation of Shijiazhuang Locomotive Depot.The text uses the fiber grating sensing characteristics to make the current sensor, combines the ARM microprocessor and Labview to collect the external signal, uses the LM algorithm to fit the data, realizes the joint adjustment between the upper computer and the lower computer through Ethernet, and finally reaches Look for functions such as center wavelength and calculation current.The results show that the system can accurately monitor the current values of the trackside equipment, and can prevent and detect the track-side equipment faults in the track circuit in time, reduce the troubleshooting time and improve the railway operation efficiency.
Key words: Fiber grating; current sensor; Data fitting
近几年来，光纤技术发展十分迅速，光纤光栅传感器与传统传感器相比具有无可比拟的优点，光纤光栅传感器可以适用在超高压、强电磁干扰等工作坏境中进行测量，其抗电磁干扰能力强、线性度响应高，测量准确度高，可以传输大容量信息，实现长距离连续监测。许多学者将光纤光栅技术应用到设备监测当中，文献[1]将磁致伸缩材料与光纤光栅相结合制成光纤光栅电流传感器，介绍了磁致伸缩材料的特性，为后续工作提供了理论基础；文献[2]黄艳红等人运用光纤光栅技术对温度和应变进行同时监测，准确性高，为光纤光栅检测温度和应变提供了参考。文献[3]介绍了华中科大与湖南某公司合作研制的220kv光学组合互感器，并挂网成功，实用价值高。本文将超磁致伸缩材料和光纤光栅相结合制作光纤光栅电流传感器，采用LM算法进行数据拟合，从而得到中心波长，然后上传到上位机对数据进行分析，最终以电流值的形式显示，成功地将光纤光栅传感技术运用到的轨道电路轨旁设备监测系统当中。
1 传感原理
1.1光纤光栅传感的原理
光纤光栅属于一种窄带滤波器[4]，它是利用光纤的光敏特性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯形成的相位光栅。当光源的光入射后，会有一束窄宽波长的光波信号被光栅反射回来，而其他波段的光波信号通过光栅继续传播。这束窄宽波长的光波信号称为光栅的中心波长，计算公式如式（1）[5]：
（1）
式中，
是光纤光栅的有效折射率；Λ是光栅的周期。
当温度、应变等各种外界因素发生变化时会引起光纤光栅周期和有效折射率发生改变，进而引起中心波长位置的偏移。通过研究不同的外界因素与光纤光栅周期和有效折射率的关系，可以得出它们与中心波长变化的关系。光纤光栅传感器就是通过对比前后中心波长的变化来检测外界条件是否发生了变化。
1.2光纤光栅电流传感器的实现
电流传感器的传感头材料选用一种Tb-Dy-Fe稀土合金，它是一种超磁致伸缩材料（GMM），它的磁致伸缩系数 比一般的磁致伸缩材料高约102-103倍，并且能量密度高，响应速度快，达到10-6秒，稳定性好，可靠性高。本设计采用的是苏州埃文特种合金有限公加工的超磁致伸缩棒，尺寸大小为18mm×4mm×4mm。传感器封装采用一种保护性的封装，将GMM一表面上沿其中心轴切割一条浅槽，用环氧树脂将光纤光栅固定在槽内，当被测电流改变时会造成周围磁场的变化，磁场的变化会引起超磁致伸缩材料发生形变，进而引起其中的光纤光栅中心波长变化，传感器封装如图1所示。
图1 传感器封装
2 数据采集处理
2.1光纤光栅电流传感器解调系统
本系统需要监测的轨旁设备包括传输电缆、设备引接线、匹配变压器、调谐区设备和补偿电容。本系统利用光纤光栅电流传感器采集各设备的电流，再与正常值进行比较，进而判断设备是否处于正常工作状态。
图2为光纤光栅电流传感器解调系统。系统中由宽带光源发出的宽带光，经过环形器到达光纤光栅电流传感器，传感器将特定波长的反射回来经环形器进入光纤解调仪，再利用微处理器对解调仪输出的数据进行采集并计算中心波长，随后通过以太网将数据上传到计算机，计算机通过光纤光栅中心波长来计算设备的电流值。
图2 光纤光栅电流传感器解调系统
2.2 中心波长拟合算法
光纤光栅传感器的反射谱满足高斯函数式（2）：
各系数求解如式（9）：
(5)重复步骤(2)-(4)，直到| |小于允许误差。
本文利用keil平台对程序进行编译，并下载到主控制芯片中，点击调试按钮进行在线调试。本文将8个静态实际光栅光纤中心波长变量放到Watch1观察窗口中观察拟合结果，如图3所示。
图3 Watch1观察窗口
3 电流传感器动态显示实验结果
超磁致伸缩材料具有双极性特性，无论外加正向反向磁场，磁致材料都会发生形变，系统设计传感系统如图4所示。
图4 传感系统
由安培环路定律得到电流传感器感应的磁场强度为
（11）
式中，
I——电流大小；
L——传感器与导线距离；
系统采用直流电源为导线提供0-5A的电流，每隔0.5A测试一下中心波长，经过多次重复试验，试验数据如图表1所示，中心波长与电流关系如图5所示。
表一 不同电流下光纤中心波长变化数据
图5 中心波长与电流关系图
将试验数据进行拟合，得到拟合方程：
(14)
确定系数为0.9983，确定系数接近1，说明拟合效果好。该电流传感器灵敏度：
4 结语
本文通过理论研究和系统试验结果分析，本文认为：光纤光栅电流传感器解调系统，将光纤光栅技术并入到轨道电路当中，利用光纤光栅传感原理制成光纤光栅传感器，实现对电流的监测，并且设计了一套完整的监测系统，包括系统的硬件和软件设计，最终以直观形象的界面呈现给用户，有很好的应用前景。
（1）通过广泛查阅相关文献与资料，了解到光纤光栅的自身抗干扰强，可以避免电磁影响等优点，光纤光栅传感器与传统传感器相比具有无可比拟的优点，适用于超高压、强电磁干扰等工作坏境中，在各类监测系统当中有很好的应用价值。
（2）本文采用LM算法将光纤光栅解调仪输出的数据进行拟合，拟合精度高，速度快，成功地得到光纤光栅的中心波长。
（3）由于光纤光栅易受温度影响,所以今后的工作中还应考虑对传感器进行温度补偿。
参考文献:
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[2] 黄艳红，高晓蓉．青藏铁路桥梁损伤检测技术的探讨[J]，新西部，2007（12）：250-251.
[3] 罗苏南．光学巧合互感器的研究化电[J]，技术学报．2000.15（6）：45-49.
[4] 李川.光纤光栅、原理、技术与传感应用[M].北京：科学出版社，2005.:1-5.
[5] 成巍坤.基于光纤传感计轴技术的轨道电路监测系统设计[D].石家庄铁道大学，2016.
[6] 李成宾. 相干BOTDR温度和应变传感系统信号处理技术研究[D]. 保定：华北电力大学(河北)， 2010.
[7]王明生，吕希奎.改进的LM神经网络工程地质综合评价模型[J].计算机工程与应用，2011，47(36):234-237.
基金项目：研究生教学改革与创新(z672201301)
第一作者简介：邸宗（1993—），男，河北保定。硕士研究生，研究方向为铁道信号、智能控制。
通信作者简介：陈保平（1957—），男，河北石家庄。教授，硕士，硕士生导师，研究方向为铁道信号、智能控制，
论文作者:邸宗1,陈保平2,赵帅3,张守梁4
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：光栅论文; 光纤论文; 波长论文; 电流论文; 传感器论文; 伸缩论文; 电流传感器论文; 《电力设备》2018年第32期论文;