光纤电流传感器.docx

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1、光纤电流传感器的讨论新进展一、流传感器的基本原理依据Far aday磁光效应，在被测电流产生的磁场作用下，光学介质中沿磁 场方向传播的线偏振光的偏振方向将发生变化，偏振角的变化，全HdL,式中为 Verde 常数，H为磁场强度为光线走过的路径。当介质中的光路形成围绕载 流导线的闭合环路时，依据安培环路定理，O=VKI,k为比例系数，I为电流强度， 这是Faraday磁光效应光学电流传感器的理论基础.常用 的测 量Faraday型光学 电流传感器输出线偏光偏转角的方法是正交偏振测量法，即用Wollaston棱镜做检偏器，线偏光经过电流传感元件输出后，被Wollaston梭 镜分成两束偏振态相互垂

2、直的线偏光，两束光的强度被分别检测出来并进行如下 运算:S- (11-12)/(11+12). Wollaston棱镜起偏器偏振方向的夹角为45时，1 = AI Al-sin24z1.12=Au Al+sin24;,所以，5=(11-12)/(11+12)=sin2lo当法拉第偏转角It比较小时，输出信号正比于输出线偏振光的法拉 第偏转角。即X24,。以上是理想状况下的结论。假如在传感元件中存在线性 双折射d,上述检测系统的输出信号则成为5= (11-12), (11+12)=2,b sin石兀百石 了，石万面，.上式可知.线性双折射可明显的降低系统的灵敏度和输入与输出 之间的线性关系。不仅如

3、此，由于线性双折射与温度，压力等诸多因素有关，致 使传感头的测量灵敏度易受工作环境的影响，因此显著的降低了系统的稳定性。 所以，对于用光纤做敏感元件的电流传感器而言，如何消退线性双折射的影响， 己成为研制开发光学电流传感器中的核心问题。二、纤电流传感器讨论新进展光纤 电流 传感器是一个集材料科学、维光学、微电子学、电气工程、精 密机械和计算机等学科于一体的高新技术产品，这就注定了它的研制是一项技术 难度大、协作配套广的学问密集型项目。故对其理论的深层次讨论以及开发并解 决产品有用化的问题始终是大家努力的方向。2.1 新型传感材料的讨论为了适应光纤电流传感技术进展的要求，制造能克服双折射效应与提

4、高光纤 的Verde.常数相结合的特种传感材料是必定趋势。在最近的讨论中，从前被忽视 的顺磁和铁磁性材料由于其性能的提高又重新引起了人们的关注。在顺磁材料 中，弱磁半导体材料如福镒蹄(Cd,.Mr4Tc)、汞镒磅(Hg,.Mn.Te)等获得广泛讨论， 其中某些材料在肯定的合成方式下，对于某个特定的波长，其Verdet常数比Si02 大1000倍.中科院西安光机所研制的MR-3, MR-4高Verdet常数磁光材料，其性 能要常规的顺磁材料优越的多。在铁磁材料中，用掺稼的忆铁石榴石(Ga:YIG)制 成的传感头可辨别效噪声电流为200nA/Hz的微小电流，为高灵敏度传感头的制 作供应了物质基础。

5、此外，采用YIG的灵敏度温度系数符号正好与i4铁石榴石 cm )相反的特性合成一种新材料Tb.YWFe5O12,假如x选为0.2左右，则该材料 的Verdet常数与温度无关。2.2 新型传感器结构的讨论目前在传感器结构方面的讨论主要集中在如何设计合理的结构，最大限 度地减小或消退线性双折射的不利影响。光纤的线性双折射可分为内在线性双折 射和外在线性双折射。其中内在双折射是由于制备光纤过程中引入的光纤的不完 备性引起的，诸如纤芯的非圆度和光纤内部非对称性应力引起。外在线性双折射 则是环境温度，压力，振动等因素变化引起的应力双折射。光纤中任何一种线性 双折射都会对光纤电流传感器的测试性能造成极大影

6、响。因此，如何减小或消 退光纤线性双折射及其影响，己成为光纤电流传感器讨论中的关键问题。人们提 出了很多减小或消退光纤线性双折射及其影响的方法，几种有代表性的解决方法 如下：(1)在光纤中引入大量的圆双折射来抑制线性双折射法拉第效应实质上是磁致圆双折射现象，它可叠加在已引入的固有圆双折射 上，这样就可以保持测量灵敏度。引入方法有两种:一是沿光纤轴向扭转己制好 的光纤，缺点是受光纤自身强度限制，所引入的圆折射很有限;二是采纳旋制单 模光纤或旋制椭圆双折射光纤，缺点是圆折射的大小极易受温度的影响，致使这 类光纤传感器的性能随环境温度变化而变化，因而需要通过对温度进行检测以便 补偿对应的电流测量值。

7、(2)采纳将光纤匝退火的方法来消退线性双折射其方法是将已绕制好的光纤匝加热到800A9000C并保持24h.然后在几天时 间中将该高温度渐渐降至室温。该方法的缺点是在高温退火处理过程中的光纤的 爱护套层全被破坏掉，致使光纤易于损坏。(3 )用几何方法分别弯致线性双折射在此方案中采用弯致双折射来制成位 相延迟器。经过细心设计的光纤探头的结构与外形如图3所示，在这个传感元件 中，将弯致线性双折射被集中在一个四方形传感元件的四个角。而四个臂则保- 持平直的几何外形，以求尽量减小弯致双折射的影响。图1采用分时起偏复用 法测量电流的方案每个转角都被细心地绕成半径为10mm的环状，每个环状部 分由三匝光纤

8、组成。在这样的光纤环中，弯致双折射起的输入线偏振光的两正交 重量之间的位相差为2：o由于四个角中线性双折射产生的位相延迟恰为ZJT的整 数倍，而光纤探头的个臂围绕待测电流形成闭合环路，它们不受线性双折射的影 响，故在输出信号中只有法拉第旋转。(4 )用保偏光纤模式祸合法抑制线性双折射的影响如上所述由于存在外界环境因素变化的影响，线性双折射对偏振光的偏振态 的作用也会转变，因而使这些采纳低线性双折射光纤制作的电流传感器的性能很 难得到进一步的改善和提高。反之，由外界引起的这些影响，包括Faxaday效应， 在高双折射光纤中则会受到抑制.当一根高双折射光纤受到外磁场空间周期性的 干扰时，原来注人该

9、光纤并在其中以相互正交的两本征模式之一传播的线偏振光. 由于F扣口 day效应会向另一个空置的本征模式祸合能量。当该空间周期与这条 光纤的拍长相吻合时，向空模祸合的能量最大。在这个系统中，一束线偏振光被 注入一条椭圆芯高双折射光纤之中，并在其两个相互正交的本征偏振模式之一中 传播.两个模式之间的消光比30dB.由Faraday偏转导致的祸合到另一个模式的偏 振光，可以用Gian Tholnson棱镜检测出。试验表明，该系统的输出信号与所 施加的电流成正比。由于这种传感器的光纤内的模式祸合系数对外加场的空间周 期具有很强的依靠性，而该外加场又是在传感器设计时预先设计好的，因此这种 传感器对外界杂

10、散电流场具有良好的抗干扰性能。(5)全面分析输出偏振态法假如环境温度仅在一个很小的范围，比如501内变化，则有可能用全面 分析偏振态的方法，把输出线偏振光中由电流引起的偏振态转变，与由温度变化 产生的偏振态转变分别开，所谓全面分析偏振态，是指同时测量出输出光的偏振 角与椭圆度，然后通过查表的方法来估价瞬时电流和温度值.在这种检测方案中. 为了产生计算偏振角与椭圆度所需要的6个信号.使用了 3个W匕llaston棱镜 和一个含有6个探测器、并带有一个偏振滤波器阵列的检测阵列来得到被测信 号，而探头则用扭转过的光纤或旋制光纤构成。由于在扭转或旋制的过程中在光 纤内引入了人量的圆双折射，而圆双折射又

11、对温度非常敏感.致使在光纤内传播 的线性偏振光的偏振态随外界环境温度的变化而变化。由于由磁场导致的偏振角 变化是叠加在由温度引起的偏振态变化之上的，故不行能用偏振计把这两种不同 缘由引起的变化分别开。为了消退温度波动对圆双折射的影响，系统中采纳了一 个后反射结构，采纳此系统已获得了 0的测量辨别率。2.3实现与光纤通信技术的结合，使传感系统阵列化和网络化光纤传感技术与光纤通信技术相结合并实现传感系统的网络化和阵列化 是光纤传感技术的重要进展方向，光学电流传感技术也不例外.就光纤电流传感 器在电力系统的应用而言，有专家预言，将来的电站将是“光纤化”的电站，光 纤技术将可以用于电站中的测量、监控、

12、爱护、通信等各个方面。到目前为止， 电力系统中大多数继电爱护装置都只能爱护安装处的电气量，继电爱护的作用也 只限于切除故障元件，缩小事故影响范围.这主要是由于缺乏强有力的通信手段。 为了实现系统综合爱护，就要求每个爱护单元都能共享全系统的运行和故障信息 数据，这要求系统不但能“感”，而且能传”。明显，基于光纤传感技术的光纤 电流传感器，由于数据传输方面的便利性，在系统综合爱护方面拥有宽阔的应用 前景。三、结论光纤 电流 传感器有很多传统的传感器无法相比的特点，所以光纤电流传 感器的应用前景非常宽阔，市场潜力巨大.尽管在讨论开发方面取得了很多成果, 但真正实现有用化，还需要艰苦的努力.特殊是在减小和消退线性双折射对偏振 光的影响上，还有大量的工作要做。光纤电流传感器将来的讨论应从以下方面深 化探究:新型传感头用光学材料，新型传感头结构以更好地消退线性双折射的影 响，加快产品的有用化进程:采纳现代信息处理技术，实现光纤传感与光纤通信 技术的结合以实现全系统综合传感测量与爱护等，