Optical Sensing Technology of Micro-magnetic Field for the New Power System
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摘要: 随着新型电力系统的加速建设以及电力设备智能化程度的不断提升，电力设备的低碳化和数字化成为重要发展方向。其中，准确测量电力系统电工装备磁场分布是评估其健康状况、计算能量损耗、优化结构设计的关键。针对目前电工装备磁场的测量需求和环保型电力设备的监测瓶颈，本文设计了一种无源全光纤磁场传感器。该传感器将磁–机换能电介质与法布里–珀罗（fabry–pérot, F–P）光学干涉腔相耦合，实现了外磁场的高精度无源测量。首先，根据F–P干涉原理设计了非本征型F–P干涉结构。其次，测试并分析了不同封装材料对传感器磁传感特性的影响。随后，测试传感器在直流磁场下的传感性能，研究了传感器直流磁场测量范围的影响因素，实现了更宽范围的磁场测量。最后，根据电力系统下交流磁场的测试需求，对传感器在交流磁场下的动态跟随性能进行测试。结果表明：该传感器可实现交直流磁场的实时测量，测量范围为0～120 mT，灵敏度为447 pm/mT，分辨率为17 μT。对50 Hz以下的交流磁场具有良好的动态跟踪性能。证明了将其应用于新型电力系统无源磁场测量的可行性。本文所提出的光纤磁场传感器具有测量范围广的优点，具有无源测量特性，无需更换传感器电池，且无需感应取电，满足低碳电力系统的发展要求。Abstract: With the accelerated construction of the new power system and the continual improvement of intelligent power equipment, low-carbon and digital construction of electric power equipment have become an important trend. Among them, the accurate measurement of the magnetic field distribution of electrical equipment in power systems is the key of its health status evaluation, energy losses calculation and structural design optimization. A passive optical fiber magnetic field sensor was designed in this paper to meet the measurement requirements of the magnetic field generated from the electrical equipment and to solve the bottleneck problems of the environmentally friendly power equipment. This sensor realized the high-precision passive measurement of the external magnetic field, which was based on the coupling structure between the magnetic-mechanical conversion functional dielectric and fabry-perot (F–P) optical interference cavity. First of all, the extrinsic F–P interference structure was designed according to the F–P interference principle. Besides, the influence of different packaging materials on the sensitivity of the sensor was discussed by measuring the magnetic sensing properties of sensors with various materials. The sensing performance of the sensor under DC magnetic field was tested, and influence factors of the measurement range was studied to obtain a wide measurement range. Finally, the dynamic performance of the sensor was tested under the AC magnetic field according to the measurement requirements in the power system. The results showed that this sensor can realize real-time detections of the AC/DC magnetic field. The measurement range, sensitivity and resolution of the sensor were 0～120 mT, 447 pm/mT and 17 μT respectively. Meanwhile, it had excellent tracking properties for the AC magnetic field below 50 Hz, which proved the feasibility for its application in the passive magnetic field measurement of the new power system. Hence, the optical fiber magnetic field sensor proposed in this paper has the advantages of a wide measurement range and passive measurement characteristics, without the need of the battery replacement or the power supply from the induction, which meets the development requirements of low carbon power systems.
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空间磁场不仅能反映电工装备的稳态运行特性，还能体现电工装备的健康状况。电工装备空间磁场的准确测量[1]是电工装备大数据模型建立、可靠性分析以及安全维护的关键[2-4]。近年来，光纤传感器作为磁场检测器件引起了学者的浓厚兴趣。相较于传统非光纤传感器，光纤传感器不仅具有抗电磁干扰、小型化等优点，而且可实现绝对测量和多路复用[5]。
目前，研究者们对光纤磁场传感器已经进行了大量研究并取得了显著成果。其中，F–P干涉结构是一种较为普遍的光学磁场传感结构，由光纤端面和敏感端面之间的平行间隙组成，结构简单[6-8]。同时，白光干涉与F–P腔结合还可以实现干涉光波相位解调，具有动态范围大、分辨率高的优点[9]。现有的F–P光纤磁场传感器中，通常以磁流体或磁–机换能电介质作为磁敏感材料。磁流体是一种由铁磁性纳米颗粒组成的胶体，通过可调谐折射率效应与磁致伸缩效应实现磁场检测。磁–机换能电介质通常为稀土合金。
在磁流体方面，Hu等[10]利用磁流体的可调折射率效应制备了一种光纤电流传感器，以磁流体作为F–P腔内介质。在电流作用下，磁流体折射率改变，进而实现电流的测量。Shang等[11]提出了一种基于磁流体可调折射率的弱磁传感器，该传感器实现了0～7 mT磁场的测量，灵敏度可达1.082 nm/mT。Samian等[8]提出了一种基于磁流体和光纤的磁场检测方法，分辨率为3.3 mT，量程为25.3～83.5 mT。Zhao等[12]提出了一种基于磁流体体积效应的F–P光纤磁场传感器，在磁场作用下使磁流体体积改变，进而引起F–P腔长变化，实现了2688.1 pm/mT的高灵敏度检测。在磁–机换能电介质方面，通常采用Terfenol-D作为传感器的敏感材料，具有伸缩系数大、响应快、耦合系数大等诸多优点。Chen等[13]设计了一种基于TbDyFe合金的非本征F–P磁场传感器，分辨率达到25 nT，极大地提高了传感器的分辨率。Sun等[14]设计了一种基于TbDyFe合金的半固定非本征F–P磁场传感器，将单模光纤仅固定在磁–机换能电介质的两端，取消了单模光纤与套管的连接，从磁–机换能电介质的变化到腔长变化的转换效率显著提高，实现了1 μT的高分辨率磁场测量。但是，现有研究在追求灵敏度提高的同时，在测量范围扩展方面的研究略显不足[15]。基于磁流体的F–P光纤传感器在灵敏度与分辨率等方面均取得了较好的成果，但磁流体的磁致伸缩系数以及折射率变化范围有限，大多数传感器的量程较小，应用范围受到限制[16]。而基于磁–机换能电介质的光纤磁场传感器因其磁致伸缩应变大、响应速度快、居里温度高等特点可广泛应用于各种领域。F–P腔工艺简单，便于封装。因此，将F–P腔与磁–机换能电介质耦合是实现高精度、宽范围磁场测量的有效技术。
本文提出了基于磁–机换能电介质的非本征F–P光纤磁场传感器。通过实时检测磁致伸缩微应变引起的干涉光谱的移动，实现μT级高分辨率微磁场的测量。分析了非本征F–P光纤传感器干涉相位差与入射和反射光强的关系，并通过实验确定了最优F–P耦合腔长；通过数控磁场发生系统进行外加磁场调控，开展了封装材料对传感器灵敏度影响的研究，同时，通过标定获得传感器的灵敏度和分辨率。对传感器的重复性与动态跟随性能进行测试，通过傅里叶变换得到交流磁场下的频率特性。
1. 传感器设计与传感机理
本文提出的光纤磁场传感器结构如图1（a）所示，该传感器包括光学干涉和磁–机转换两部分，其中光纤与自聚焦透镜组成的光学部件固定于封装外壳固定端1，磁–机换能电介质一端固定于封装外壳固定端2，磁–机换能电介质的另一端镀有大于90%的高反射膜。自聚焦透镜的端面与磁–机换能电介质的高反射端面构成F–P腔。传感器实物如图1（b）所示。参考文献[17]，磁–机转换电介质选用Terfenol-D方棒材，规格为3.5 mm×3.5 mm×35 mm，其磁致伸缩系数大于等于1000 ppm，热膨胀系数为8 ppm/℃。器件直径为7 mm，长度为50 mm。
图 1 光纤磁场传感器Fig. 1 Optical fiber magnetic field sensor
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本文研制的F–P光纤磁场传感器的工作原理如图2所示。磁–机换能电介质在外磁场的作用下产生轴向延长，通过单模光纤入射到F–P腔的相干光束在腔体的两端面之间发生多次折反射，产生干涉光谱。由于磁–机换能电介质存在轴向延长，使干涉光谱随F–P腔长变化产生偏移。干涉光束通过3 dB耦合器传输至光纤解调仪中解调，通过计算机分析干涉光谱的偏移量。
图 2 传感器工作原理Fig. 2 Working principle of the sensor下载:
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利用磁–机换能电介质的磁–机换能特性，使F–P腔长在外加磁场的作用下发生改变，导致干涉光谱发生偏移，从而使干涉相位差δ随F–P腔内反射光强GR的变化而发生改变，其关系式如下：
$$ {G_R} = \frac{{{R_1} + {R_2} - 2\sqrt {{R_1}{R_2}} \cos\; \delta }}{{{\text{1 + }}{R_1}{R_2} - 2\sqrt {{R_1}{R_2}} \cos\; \delta }}{{{G}}_0} $$ (1) 式中，G0为ASE光源发出的入射光强度，R1和R2分别为F–P腔两个反射面的反射率。其中干涉相位差δ的计算公式为：
$$ \delta {{ = }}\frac{{{\text{4}}{\text{π}} n{L_0}\cos\; \theta }}{\lambda } $$ (2) 式中，n为F–P腔介质折射率，L0为F–P原始腔长，λ为ASE光源发出的入射光波长，θ为反射平面法线与反射光夹角[18]。
当被测电工装备空间磁场发生变化时，传感器的磁–机换能电介质会受到磁场作用产生轴向延长Δl。磁–机换能电介质的相对磁致伸缩量为ε，表达式为：
$$ \varepsilon {\text{ = }}\frac{{\Delta l}}{l} = C{H^{\text{2}}} $$ (3) 式中，l为磁–机换能电介质的长度，Δl为其形变量，C为磁致伸缩系数，H为外磁场强度[19]。外磁场强度与磁感应强度有如下关系：
$$ B{\text{ = }}\mu H $$ (4) 式中，B为磁感应强度，μ为磁导率。当外磁场作用于传感器的磁–机换能电介质时，磁–机换能电介质产生轴向延长，导致F–P腔长L发生变化，从而引起F–P光纤传感器光谱相位的偏移，产生干涉相位差[18]。腔长L计算公式如下：
$$ L{\text{ = }}{L_0} - \Delta l $$ (5) 因此，利用磁–机换能电介质的换能特性与F–P干涉技术对由相位偏移产生的相位差解调得出磁感应强度。
图3为F–P光纤磁场传感器干涉光谱图，装置中的光源带宽为40 nm（1 527～1 567 nm），干涉光谱的中心波长为1 550 nm。通过实验验证，当F–P原始腔长L为0.5 mm时，解调系统的干涉光谱最稳定，因此设置F–P腔长为0.5 mm，其自由光谱范围（free spectral range, FSR）值为2.481 nm。当图2所示的F–P腔长发生变化时，图3所示的干涉光谱发生偏移，进而获得磁感应强度。
图 3 F–P光纤磁场传感器干涉光谱图Fig. 3 Interference spectrogram of F–P optical fiber magnetic field sensor下载:
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2. 实验测试平台搭建
为了对所研制传感器的性能进行测量，搭建了如图4所示的传感器性能测试装置。
图 4 传感器性能测试装置Fig. 4 Test equipments for sensor properties下载:
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图4（a）中，控制电源与电磁铁连接组成磁场发生器；霍尔探针连接高斯计实时测量环境磁场；磁场发生包含直流和交流两种模式，其中，交流磁场模式下，磁场由波形发生器（DG1022U，RIGOT）产生不同频率（1～25 MHz）的正弦信号波，通过功率放大器（HEAS–50，南京佛能）作用于1对直径为50 mm的平行线圈，从而产生均匀交流磁场，功率放大器输出电压峰值为50 V；直流磁场模式下，磁场由直流电源（Model F2030，北京翠海佳诚）作用于直径为100 mm的电磁铁产生直流磁场。F–P光纤磁场传感系统包括光纤解调仪和F–P光纤磁场传感器。图4（b）为数控磁场发生系统实物图。实验所施加的交流磁场为–0.5～0.5 mT，直流磁场在0～200 mT范围内。
3. 传感器性能测试分析
3.1 封装材料对传感器灵敏度影响
灵敏度是表征传感器性能的一项重要参数，受到F–P腔长、磁–机换能电介质、封装材料等多方面因素的影响。其中，适当减小F–P腔长或提高磁–机换能电介质的长度和磁致伸缩系数，均可提高传感器的灵敏度[14]。而封装材料作为传感器的重要组成部分，研究其对传感器灵敏度的影响具有重要意义。为了研究传感器封装外壳材质对传感器灵敏度的影响，分别利用树脂材料与铝合金材料作为传感器的封装材料，并对比分析其对传感器灵敏度影响的差异。其中，树脂材料为光敏树脂，铝合金材料为AlSi10Mg。实验结果如图5所示。
图 5 铝合金与树脂封装外壳传感器灵敏度对比Fig. 5 Sensitivity comparison between aluminium alloy and resin encapsulated sensor下载:
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由图5可知，铝合金封装的传感器灵敏度可达447 pm/mT，而树脂封装的灵敏度仅为304 pm/mT。树脂为抗磁性材料，在外磁场作用下，产生与外磁场反向的磁场，这使得磁–机换能电介质应变量减小，进而导致F–P腔长变化量减小；而铝为顺磁性材料，在外磁场作用下，使得磁–机换能电介质应变量增大，进而导致F–P腔长变化量增大。因此，对于传感器灵敏度和动态跟随性的测试，均选用铝合金作为该无源传感器的封装材料。
3.2 传感器重复性测试
为了测试传感器的可重复性，在0～200 mT范围内，对光纤磁场传感器的重复性进行实验。磁场精度控制为1 mT，进行了3次0到200 mT再到0的循环实验。磁场增加过程以0为起点，每升高10 mT让控制器保持恒定磁场1 min，记录1次光谱偏移量；磁场升高到200 mT后开始降低磁场，步长同样为10 mT，降到0后，移除磁场保持10 min再进行第2次循环，实验结果如图6所示。实验结果表明，平均重复性误差为1.72%，传感器具有良好的重复性。
图 6 磁场作用下3次试验的传感器响应Fig. 6 Sensor response for three tests under magnetic field下载:
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此外，为了得到传感器的滞后误差，进一步测试了传感器的滞后误差曲线，实验结果如图7所示。图7（a）为传感器响应的平均值和重复性实验的标准偏差。图7（b）与图7（c）为干涉光谱偏移图，分别对应图7（a）所示的磁场减小过程与磁场增加过程。磁场减小时，干涉光谱产生红移；磁场增加时，干涉光谱产生蓝移。在磁感应强度增减过程中，相同磁感应强度下干涉光谱偏移量不完全重合，磁感应强度减小过程中的腔长变化略大于增加过程。主要是由于磁–机换能电介质存在迟滞现象[16]。在外磁场为0时，磁–机换能电介质内部的磁畴无序排布，宏观不呈现磁性。当外磁场由0逐渐上升时，磁–机换能电介质内部磁畴排布趋于同向，导致磁–机换能电介质宏观处在伸长状态。当移除外磁场后，磁–机换能电介质已被磁化，其中只有一部分可以恢复到自由状态[19]。所以，磁场减小过程的干涉光谱偏移量略大于磁场增加过程。实验结果表明该传感器的滞后误差约为5.69%。
图 7 3次循环测试响应的平均值与光谱偏移方向Fig. 7 Average of three round-robin tests and spectral migration direction下载:
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3.3 传感器动态跟随性能测试
依据《电力行业劳动环境监测技术规范》[20]对工频磁场接触限值的规定，研究了F–P光纤磁场传感器在500 μT下，不同频率交流磁场的频率响应特性。通过功率放大器作用于平行线圈产生正弦交流磁场，设置交流磁场输出幅值为500 μT。在无直流偏置磁场时，将产生倍频现象，因此施加了500 μT的直流偏置磁场。通过波形发生器产生不同频率的正弦信号波，设置交流磁场频率，得到不同频率下传感器的输出曲线。测试结果如图8所示。
图 8 传感器在不同频率交流磁场下的输出响应Fig. 8 Output response of the sensor at various frequencies of AC magnetic field下载:
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由图8可知，传感器在10、20、40和50 Hz交流磁场下的响应频率与波形发生器的输入磁场频率一致，动态跟随性良好。交流磁场作用时，磁–机换能电介质在正、负磁场的作用下都发生轴向延长。对比不同频率下传感器的响应幅值可得，传感器的响应幅值随频率的增加而减小。相关研究表明，该结果与磁–机换能电介质的磁滞性能有关[19]。为了进一步验证传感器的频率响应特性，研究其FFT频谱特性，结果如图9所示。
图 9 传感器在不同频率交流磁场下的FFT图谱Fig. 9 FFT Spectrum of the sensor at various frequencies of AC magnetic field下载:
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由图9可知，不同频率的FFT频谱中均存在0 Hz的直流磁场分量，这是由于存在直流偏置磁场。将传感器输出频率与磁场频率一致，消除了磁–机换能电介质倍频特性的影响。从FFT图谱可以看出，在10 Hz与20 Hz交流磁场下，存在一些倍频谐波，使波形产生畸变。该现象是由磁场发生装置的剩磁不能迅速消失导致。将传感器采集到的不同频率下的数据分别计算频谱，取各频率的幅值，得到0～250 Hz的频率响应，结果如图10所示。
图 10 传感器频谱图Fig. 10 Spectrum of sensor下载:
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由图10可知，随着交流磁场频率的提高，传感器输出幅值整体呈下降趋势，且逐渐趋于平缓。实验中F–P光纤磁场传感器采样频率低，虽对磁场有较好的监测效果，但高频磁场的检测误差较大，未来可通过提高光纤解调仪采样频率来提高传感器带宽。
3.4 传感器性能分析
为了对本文提出的磁场传感器分辨率、灵敏度、量程等性能进行多方面比较，总结归纳了近年来国内外的新型光纤磁场传感器，结果见表1。
表 1 与文献中所述磁场传感器的性能比较Table 1 Comparison with the performance of magnetic field sensors described in the literature传感器原理 分辨率/μT 灵敏度 量程/mT 线性度/% 重复性误差/% 体积 特点 磁光效应[21] 5 — 0～50 — — — 抗电磁干扰能力强 光纤光栅[16] — 9.83/（pm·mT–1） 0～140 99.7 2.84 5 mm×5 mm×30 mm 灵敏度高、量程宽 法拉第效应[22] — 18.3/（mV·mT–1） 0～16.7 — — 4 mm×4 mm×20 mm 体积小 磁流体动力学效应[23] 18.7 1 932.8/（pm·mT–1） 0～15 96.1 — — 灵敏度高 马赫–曾德尔干涉[24] 90 1.33/（MHz·mT–1） 21～58 99.3 — 4 mm×8 mm×40 mm 线性度良好，结构复杂 F–P干涉 文献[13] 0.025 1 510/（nm·mT–1） 0～3 — — Φ6.66 mm×16 mm 分辨率高 文献[25] — 325/（pm·mT–1） 0～15 96.8 — Φ245 μm×4.5 cm 结构简单 文献[12] — 2 688.1/（pm·mT–1） 1.6～14 99.8 3.34 Φ1 mm×2.5 cm 灵敏度高、线性度良好 文献[14] 1 18.67/（nm·mT–1） — — — 0.4 mm×0.4 mm×4 cm 结构简单 本文 17 447/（pm·mT–1） 0～120 98.6 1.72 Φ4 mm×4.5 cm 结构简单、量程宽 由表1可知：与文献中的光纤磁场传感器相比，本文利用磁–机换能电介质实现了磁场传感，以单模光纤作为干涉光束传输媒介，具有无源测量、结构简单等特点。此外，传感器具有0～120 mT的量程，相比于同类传感器具有更广泛的应用场景，可更好地满足电力系统工程应用要求。本文所研制的光纤传感系统对干涉光谱偏移量的分辨率为10 pm，直流磁场下，磁感应强度分辨率为17 μT。光纤磁场传感器的分辨率达到μT量级，传感器灵敏度可达447 pm/mT。
经分析，本次研究存在不确定度的具体因素有：实验环境影响、磁场发生器偏差、传感器本身误差等。根据文献[26]规定，测量不确定度可用标准差表示，称为标准不确定度，由图7计算可得，其标准差为1.21，因此，该传感器的标准不确定度为±1.21 nm。
4. 结论与展望
本文研制了一种基于F–P干涉的光纤磁场传感器，实现了弱磁场的无源测量，得到了如下结论：
1）本文分析对比了铝合金封装与树脂封装对传感器灵敏度的影响，结果表明铝合金封装有助于提高传感器的灵敏度，将为光纤磁场传感器封装材料的研究提供依据。
2）本文所研制的F–P光纤磁场传感器平均重复性误差为1.72%，具有良好可重复性。传感器量程为0～120 mT，灵敏度为447 pm/mT，分辨率为17 μT，满足目前低碳电力系统建设、环保电力设备研究需求。
3）本文所研制传感器能实时跟随外磁感应强度的变化，具有良好的动态跟随性能，满足电力系统工频磁场的测量需求。
该研究表明无源F–P光纤磁场传感器可以作为微磁场传感技术的关键研究方向，助力新型电力系统传感网络不断向着低碳化、系统化和小型化发展。同时，弱磁测量与电力设备的评估及磁场能量的俘获密不可分，将为磁场污染管控及环保评估提供依据，为低碳电力系统的发展赋能。
自主研制的F–P光纤磁场传感器已完成实验室测试，在工程应用方面，本文提出以下研究展望：
1）光纤磁场角度传感器的探究。磁场角度传感器在GPS导航、航空航天、无人机等领域具有广阔的应用前景。通过3维光纤磁场传感器的研究，可以确定磁场方向与角度，为环保型设备在线监测的实际应用提供帮助。
2）传感器微机电系统的探究。目前，灵敏度与体积的相互制约是传感器发展的重要影响因素，研制出灵敏度高、测量范围广、体积小的传感器，可满足不同工况下磁场测量的条件。
3）封装材料的探究。封装材料显著影响传感器的灵敏度和稳定性。因此，封装材料的研究是提高传感器灵敏度的重要途径。
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图 1 光纤磁场传感器
Fig. 1 Optical fiber magnetic field sensor
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图 2 传感器工作原理
Fig. 2 Working principle of the sensor
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图 3 F–P光纤磁场传感器干涉光谱图
Fig. 3 Interference spectrogram of F–P optical fiber magnetic field sensor
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图 4 传感器性能测试装置
Fig. 4 Test equipments for sensor properties
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图 5 铝合金与树脂封装外壳传感器灵敏度对比
Fig. 5 Sensitivity comparison between aluminium alloy and resin encapsulated sensor
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图 6 磁场作用下3次试验的传感器响应
Fig. 6 Sensor response for three tests under magnetic field
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图 7 3次循环测试响应的平均值与光谱偏移方向
Fig. 7 Average of three round-robin tests and spectral migration direction
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图 8 传感器在不同频率交流磁场下的输出响应
Fig. 8 Output response of the sensor at various frequencies of AC magnetic field
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图 9 传感器在不同频率交流磁场下的FFT图谱
Fig. 9 FFT Spectrum of the sensor at various frequencies of AC magnetic field
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图 10 传感器频谱图
Fig. 10 Spectrum of sensor
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表 1 与文献中所述磁场传感器的性能比较
Table 1 Comparison with the performance of magnetic field sensors described in the literature
传感器原理 分辨率/μT 灵敏度 量程/mT 线性度/% 重复性误差/% 体积 特点 磁光效应[21] 5 — 0～50 — — — 抗电磁干扰能力强 光纤光栅[16] — 9.83/（pm·mT–1） 0～140 99.7 2.84 5 mm×5 mm×30 mm 灵敏度高、量程宽 法拉第效应[22] — 18.3/（mV·mT–1） 0～16.7 — — 4 mm×4 mm×20 mm 体积小 磁流体动力学效应[23] 18.7 1 932.8/（pm·mT–1） 0～15 96.1 — — 灵敏度高 马赫–曾德尔干涉[24] 90 1.33/（MHz·mT–1） 21～58 99.3 — 4 mm×8 mm×40 mm 线性度良好，结构复杂 F–P干涉 文献[13] 0.025 1 510/（nm·mT–1） 0～3 — — Φ6.66 mm×16 mm 分辨率高 文献[25] — 325/（pm·mT–1） 0～15 96.8 — Φ245 μm×4.5 cm 结构简单 文献[12] — 2 688.1/（pm·mT–1） 1.6～14 99.8 3.34 Φ1 mm×2.5 cm 灵敏度高、线性度良好 文献[14] 1 18.67/（nm·mT–1） — — — 0.4 mm×0.4 mm×4 cm 结构简单 本文 17 447/（pm·mT–1） 0～120 98.6 1.72 Φ4 mm×4.5 cm 结构简单、量程宽 -
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