Моделирование распределенного измерителя силы тока на основе деформации оптического волокна

В связи с развитием систем автоматизации и контроля большой интерес вызывают методы и приборы для измерения больших значений силы тока. Целью работы являлась разработка принципиальной схемы распределенного сенсора силы тока на основе анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна; cоздание математической модели сенсора для демонстрации его работы и расчет его основных параметров.

Для проведения измерений использовалось оптическое волокно с токопроводящим покрытием. Между токовой шиной, силу тока в которой необходимо измерить, и токопроводящим покрытием возникает сила Ампера, которая в свою очередь приводит к появлению деформации волокна. Вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна имеет характеристическую частоту, значение которой зависит от величины деформации волокна. Изменение значения этой частоты позволяет измерить значение силы тока в токовой шине. Для регистрации изменения частоты и фиксации местоположения возмущения использовался метод анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама– Бриллюэна.

Приведена математическая модель работы сенсора на основе трехволновой модели вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Данная модель позволяет найти изменение интенсивности оптического сигнала, проходящего по оптическому волокну, в зависимости от изменения характеристической частоты рассеяния. Метод использует обратное Фурье-преобразование для построения функции импульсного отклика.

Представлена принципиальная схема распределенного сенсора силы тока на основе метода анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Проведена априорная оценка параметров измерительной системы исходя из математической модели вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в оптическом волокне. Пространственное разрешение сенсора при определении длины и местоположения участков волокна составляет 0,06 м. Разрешающая способность сенсора составляет 0,22 кА, максимальное значение силы тока 25 кА. Исследована зависимость работы сенсора при различных мощностях излучения используемого лазера. Рассмотрено влияние изменения показателя преломления оптического волокна на результат измерения.

1. Бонерт, К. Прорыв в области измерения сильных постоянных токов / К. Бонерт, П. Гугенбах // АББ Ревю. – 2005. – № 1. – С. 6–10.

2. Silva, R.M. Optical current sensors for high power systems: A Review / R.M. Silva, H. Martins, I. Nascimento [et al.] // Applied Sciences. – 2012. – Vol. 2, no. 7. – P. 602–628. DOI: 10.3390/app2030602

3. Zubia, J. Design and development of a low-cost optical current sensor / J. Zubia [et al.] // Sensors. – 2013. – Vol. 13, no. 10. – P. 13584–13595. DOI: 10.3390/s131013584

4. Zhang, H. High-current-sensitivity all-fi current sensor based on fi loop architecture / H. Zhang, Y. Qiu, H. Li [et al.] // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, no. 17. – P. 18591–18599. DOI: 10.1364/OE.20.018591

5. Zhang, H. A loop all-fi current sensor based on single-polarization single-mode couplers // H. Zhang, J. Jiang, Y. Zhang [et al.] // Sensors. – 2017. – Vol. 17, no. 11. – P. 2674–2679. DOI: 10.3390/s17112674

6. Wang, Z. Effect of modulation error on all optical fiber current transformers / Z. Wang, Y. Wang, S. Sun // Journal of Sensor Technology. – 2012. – No. 2. – P. 172– 176. DOI: 10.4236/jst.2012.24024

7. Watekar, P.R. Development of a highly sensitive compact sized optical fi current sensor / P.R. Watekar, Ju, S.A. Kim [et al.] // Optics Express. – 2010. – Vol. 18, no. 16. – P. 17096–17105. DOI: 10.1364/OE.18.017096

8. Liu, T. Optical current sensor with dual-wavelength configuration for improving temperature robustness / T iu, J. Han, H. Hu // IEEE Photonics Journal. – 2017. – Vol. 9., no. 1. – P. 210–221. DOI: 10.1109/JPHOT.2016.2639286

9. Bilro, L. Optical sensors based on plastic fibers / L. Bilro, N. Alberto, J.L. Pinto // Sensors. – 2012. – Vol. 12, no. 8. – P. 12184–12207. DOI: 10.3390/s120912184

10. Barczak, K. Optical fibre current sensor for electrical power engineering / K. Barczak // Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences. – 2011. – Vol. 59, no. 4. – P. 409–414. DOI: 10.2478/v10175-011-0049-3

11. Bao, X. Combined distributed temperature and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fiber / X. Bao, D.J. Webb, D.A. Jackson // Optics Letters – 1994. – Vol. 19. – P. 141–143. DOI: 10.1364/OL.19.000141

12. Yanukovich, T.P. Numerical model of three-wave Brillouin scattering in an optical fiber. Journal of Optical Technology. – 2002. – Vol. 69, no. 7. – P. 518–523. DOI: 10.1364/JOT.69.000518

13. Янукович, Т.П. Метод диагностики протяженных волоконно-оптических линии с использованием анализа Бриллюэновского оптического частотного домена / Т.П. Янукович, А.В. Поляков // Известия РАН. Серия физическая. – 2006. – Т. 70, № 9. – С. 1267–1271.