Sagnac干涉型光纤电流传感器研究_

第1章 绪论

第1章 绪 论

1.1 引言

在人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件，传感器与人类的关系愈来愈密切。传感器技术是现代信息技术的重要组成部分，也是代表国家科技竞争力的核心技术之一。从某种程度来说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。

光纤传感技术是现代传感器技术的一个重要分支，它是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。这种光纤技术的非通信应用，被普遍认为是近代检测技术的发展方向之一。近年来，光纤传感技术的发展十分迅速，显示出巨大的开发潜力和应用前景。

光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”互扰、“传”和“感”合二为一、抗化学腐蚀、机械强度大、与电子学系统易兼容、材料资源丰富和成本低等。特别适用于石油化工、电力、机械、冶金、生物医学及国防等部门应用。特别是在易燃易爆、超高压电器设备、强电磁干扰、强化学腐蚀等特殊工作环境中，进行多种物理量测量。光纤传感实现的物理量测量很广，包括声压、位移、加速度、应变、扭矩、旋转速率、温度、流量、压力、液位、磁场、电场、电流、电压、放射性、化学成分等等。

光纤传感器的分类方法很多，主要有三种。一是按被测物理量分类，根据被测量有光纤温度、光纤压力、光纤声波传感器等。二是根据光纤在检测系统中的作用来分类，有功能型和非功能型两种。功能型光纤传感器中的光纤不仅起信号传输作用，而且同时又是基本敏感元件，在外界被测量的作用下，光纤中的波导光被调制，发生某种特定的光参数变化，功能型中的光纤把信号的“传”和“感”合二为一，故又称传感型光纤传感器。非功能型光纤传感器中的光纤只是信号的传输媒介，对被测量的敏感或光调制借助于其它元器件完成，这种传感器的传输和传感是分开的，发送光纤和接收光纤是不连续的，两者之间需要通过光学的或机械的装置把非光纤敏感器嵌入其中。有时把这种传感器又称为传光型的光纤传感器或外调制型光纤传

燕山大学工学博士学位论文

感器[1]。第三种是按传感机理分类，即按光纤中的波导光参数来分类，在外界被测物理量的作用下某光参数被调制。光可能被调制的参数有五个：光强度、光相位、光偏振、光频率和光波长，故按此分类方法可把光纤传感器分为：光强度调制型、光相位调制型、光偏振调制型、光频率调制型和光波长调制型五种。其中光强调制型、光相位调制型和光偏振调制型是三种主要的传感方式。由于现有的任何—种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。

光纤电流传感器是光纤传感器的一种，与其它光纤传感器在原理及结构上有共同的地方，但由于所测物理量的特殊性，它又有其自身的特点。本文研究的Sagnac 型光纤电流传感器，是一种功能型、相位调制的电流传感器。通过对其理论模型、系统结构、功能部件等的全面研究，为这种传感器的进一步发展起到一定的促进作用。本章将对光纤电流传感器的意义、基本原理、分类、发展状况、存在的问题及本文的工作做一个综合性的评述。

1.2 光纤电流传感器概况及意义

电力工业是国家经济建设的基础工业 ,在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展 ,对电力的需求日益增大 ,电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高。例如,60年代前苏联和欧洲某些发达国家纷纷将原来的 220 KV的骨干电网发展为500 KV的骨干电网,到80年代前苏联甚至出现了1150 KV的特高压输电线路,而中国也由80年代的220 KV骨干电网发展到目前500 KV骨干电网,预计进入21世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1200 KV的输电线路进行电力的输送[2]。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高,因此,必须研究和发展新型的高压设备,电流互感器就是其中之一。

电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面，要求测量装置具有很高的测量准确度及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反应迅速。同时，电力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要求。这种电流测量系统可分为三个部分，如图1-1所示，传感头位于户外被测高压线处，传输线路用来将信号传输到控制室，显示及接口单元位于控制室内。