1．电热转换实现电流测量

Cavaleiro等人利用光纤光栅温度敏感特性提出了一种电流传感器。用真空蒸镀等方法在光纤光栅的表面镀上一层金属薄膜，当薄膜中有电流通过时，电流的热效应使光纤光栅的温度发生变化，从而引起光纤光栅中心波长的变化，实现对电流的测量。

光纤光栅电流传感系统如图4.114所示。光源为超发光二极管(SLD361)，在830nm附近具有约2mW的功率和20nm的带宽；系统所使用的光纤光栅的中心波长为836nm(反射率约85%，带宽0.3nm)。光纤光栅栅区外镀有1.4mm厚的银膜，并在涂覆区两侧接有电触点(涂覆区约20mm长，具有约1.2Ω电阻值)。

被测电流I_p由CT(Rogowski线圈，电流转换率为4000:1)转化为直接经过银膜封装的光纤光栅的二次电流I_s；电流所产生的热能I²_sR使得光纤光栅的中心波长发生变化；通过监测光纤光栅中心波长的变化可以得到被测电流I_p的值。

光纤光栅的解调采用了全光系统。其中双锥光纤滤波器(BFF)的振荡周期为3.5nm，消光比为8.1dB。在光纤光栅的工作范围内(835.9nm~836.8nm)，双锥光纤滤波器(BFF)具有近似7dB/nm的线性响应，如图4.115所示。采用两探测器测量值相除的方法消除光源波动或线路弯折对解调系统的影响。图4.116为传感器信号与二次电流的强度平方的关系图。可以看出，光纤光栅电流传感器的信号与二次电流平方成线性关系，电流测量精度可达2mA。

这种光纤光栅电流传感器保持了体积小的优点，与电流的平方或电功率呈线性响应，操作简单，可以实现远距离测量。不足之处是光纤光栅的波长调谐范围相对较小。另外，外界环境温度变化也会改变光纤光栅的中心波长，给系统带来了误差，需要采取某种手段来消除掉外界温度影响。

1．电磁力实现电流测量

余有龙等人提出了利用电磁力实现了一种光纤光栅电流传感器。这种传感器基于悬臂梁，通过被测电流产生磁场对固定于自由端一定长度通电导线的作用，使梁产生沿轴向的应变，影响光纤光栅反射谱，从而对电流进行传感探测。

对于确定的装置，K为常数，可见波长漂移量与待测电流成线性关系。当I>0时，F使得光栅受拉应力作用，反射波长向长波长方向漂移；反之，光纤光栅受压应力作用，反射波长向短波长方向漂移；电流强度越大，漂移量越多，因此该装置可用来感知电流的大小。式(4.104)还反映了该装置布拉格波长的漂移量与光纤光栅在梁轴向的位置以及考察点在光纤光栅上的位置无关，即无论I的强弱，光栅均被均匀展宽，不会出现啁啾现象。

采用图4.117(a)所示的实验装置，带宽为85.6nm的发光二极管LED的工作电流为100mA，峰值波长为1536nm。所用光纤光栅的长度为15mm，反射率为75%，自由状态下工作波长为1561.48nm，带宽为0.48nm，其中央部位被固定在距悬臂梁固定端4.4cm的N₀处。自由端一侧粘贴的导线长度为8.5cm，其中电流为I₀=0.97A。有机玻璃制成的等腰三角形梁，L=12.5cm，h=2.5mm，b₀=1.30cm。电源P能提供最高达30V的可调直流电压，螺线圈电阻R=650Ω，左右侧长度均为20cm，各1500匝，两螺线圈间距为3cm。电路中串接一个30Ω的电阻R，以保护电路。

调节电源的电压可以线性地改变闭合回路中的电流，规定图4.117(a)所示电流方向为正向，将电源反向连接后就可以提供反向电流了。用光谱仪(OSA)观测不同电流强度对应的波长漂移量，实验结果如图4.118所示，两者间呈线性关系，其斜率对应传感灵敏度为4.00×10^{- 2}nm/A。取pe= 0.22、E=2.8×10⁴kg/cm²、μ=600μ0、μ0=4π×10^-7N/A²，式(4.105)确定的理论值为4.15×10^-2nm/A。可见实验结果与理论预期值基本一致，少许出入是由于光纤、粘结剂以及梁材料间杨氏模量的差别所致。影响实验曲线线性度的主要原因是未考虑导线和梁等的重量，实际使用时它可通过将传感头沿水平线旋转90°解决；另外粘贴层间的蠕变以及环境温度的变化对线性度也有影响。

应用三角状梁，在传感探测的过程中，使得光纤光栅反射谱的带宽(FWHM)保持0.48nm不变，如图4.119所示。一方面它可避免展宽造成的读数误差，另一方面减少了梁的自重，以利于减小系统的零误差，提高实验曲线的线性度。

光谱仪的读数精度达10^-5μm，可鉴别的电流强度为10^-1A。优化梁的结构，选用杨氏模量尽量接近光纤E值的粘结剂和梁材料，增加自由端通电导线的长度、电流的大小以及两侧螺线圈的密度，减小螺线圈间距，均有利于提高该装置的传感灵敏度。

1．磁滞收缩实现电流测量

廖帮全等人提出了一种以磁致伸缩棒调谐光纤光栅为基础的新型电流传感器。该传感器具有测量准确、线性度好、简单易行、可远距离操作等特点。

实验中所使用的磁致伸缩材料是一种名叫TbDy(FeM)₂的特殊合金，所用磁致伸缩圆棒的尺寸为5mm×50mm。当磁场加在磁致伸缩棒上后，磁致伸缩棒中的磁畴倾向于沿磁场方向排列而产生纵向应变^[91]。光纤光栅粘贴在位于多层螺线管中心部位的磁致伸缩棒上，外加磁场由通电多层密绕螺线管产生，磁致伸缩棒上产生的应变会传递到光纤光栅上。

螺线管匝数N=1300，长度L=70mm，螺线管内径R₁=13mm，外径R₂=26mm。将传感头置于螺线管的中心部分，在这中心部分磁场是均匀的，均匀磁场的强弱由螺线管中的电流决定，可表示为

图4.120中第1象限曲线a表示磁场强度的方向为正向由小变大时应变的变化情况(磁场强度与电流之间遵守右手定则，规定一个磁场强度方向为正向后，与之相反的即为反向)。第1象限中曲线b表示磁场强度正向由大变小时应变的变化情况。第2象限中曲线b′表示磁场强度反向由小变大时应变的变化情况；第2象限中曲线a′表示磁场强度反向由大变小时应变的变化情况。第1象限和第2象限中的曲线是对称的。在我们的实验中当电流强度由小变大在900mA范围内时，由螺线管参数及(4.106)式可知，对应的磁场强度范围为1.41×10⁴A/m。由图4.120可知，当磁场强度在1.41×10⁴A/m以内时，曲线近似为线性的，k≈4.387×10^-8m/A

外加电流和波长移动之间的关系示于图4.122。可以看出在测量范围内电流和光纤光栅的中心波长移动之间有很好的线性关系(线性拟合度R²=0.9944)，中心波长的线性调谐范围是0.9nm，电流强度范围为900mA。灵敏度约为1mA/pm。实验中如果继续增加电流(超过1000mA)，磁滞效应会影响测量结果，所以此电流传感器的测量范围不大于900mA。当电流超过磁致伸缩材料的线性范围时，非线性现象会表现出来。

测量时，通过螺线管漆包线的电流不应超过其额定电流，否则螺线管的发热变得严重起来。螺线管发热会使光栅周围环境温度升高，温度也将影响光栅的布拉格波长，引起测量误差。如果测量时间较长，温度效应也要加以考虑。