光纤电流传感器的工作原理及应用
光纤传感器原理与应用
光纤传感器原理与应用首先，光源产生光信号并通过光纤传输。
光源可以是激光器、LED等。
光纤是传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等特点。
在传感器的位置，光信号经过传感器的作用产生变化，例如在光纤中的电流变化、温度变化等。
接着，传感器对光信号进行检测和测量。
传感器根据不同的原理，可以实现对温度、压力、湿度、流速、振动等多种物理量的测量。
例如，光纤温度传感器利用光纤的热尺效应来测量温度变化，光纤应变传感器利用光纤的机械变形来测量应变变化。
最后，接收器接收传感器中产生的经过变化的光信号，并将其转化为电信号进行处理和分析。
接收器可以是光电二极管、光电倍增管等光电器件。
处理电路对电信号进行放大、滤波等处理，最终得到需要的测量结果。
光纤传感器具有许多优点，使得其在各个领域有广泛的应用。
首先，光纤传感器具有高灵敏度和高分辨率，能够对微小的光信号进行检测和测量。
其次，光纤传感器具有实时性强的特点，能够快速响应并实现快速测量。
此外，光纤传感器免受干扰，能够在恶劣环境下正常工作。
此外，光纤传感器具有远距离传输的能力，能够在长距离范围内进行测量。
光纤传感器在多个领域得到了广泛的应用。
例如，在工业过程控制领域，光纤传感器可以用于测量温度、压力、振动等物理量，实现对工业过程的监测和控制。
在医疗领域，光纤传感器可以用于生物体内的测量和监测，如血氧浓度、血压等。
在环境监测领域，光纤传感器可以用于监测大气、土壤、水体等环境中的物理量，从而实现对环境的监测和保护。
此外，光纤传感器还可以应用于安全监测、交通控制、航空航天等领域。
综上所述，光纤传感器凭借其高灵敏度、实时性强、免受干扰等特点，在各个领域有广泛的应用。
随着技术的不断发展，光纤传感器将会越来越普及，并在更多的领域发挥作用。
光纤传感器的工作原理
光纤传感器的工作原理光纤传感器作为一种重要的光学传感器，广泛应用于各个领域，如光通信、工业自动化、医疗设备等。
本文将介绍光纤传感器的工作原理及其在实际应用中的特点。
一、工作原理光纤传感器是利用光学原理来实现物理量的检测和测量的装置。
它基于光的传输、反射、折射、散射等现象，通过改变光的强度、频率或相位来感知和测量被测物理量。
1. 光传输光纤传感器中的光信号通过光纤传输到被测物体或环境中。
光纤具有优异的光导传输特性，可以保证光信号在传输过程中的稳定性和可靠性。
2. 光的接收与反射被测物体或环境中的光信号与光纤发射的光信号相互作用后，一部分被反射回光纤。
这里的反射可以是由于光的散射、反射或折射等效应引起的。
3. 光的探测与解读通过光纤传感器接收到的反射光信号会被传感器内部的光电探测器接收并转换成电信号。
电信号会被后续的电路处理和解读，从而获取被测量的物理量信息。
二、特点和应用光纤传感器具有以下特点，使其在各个领域得到广泛应用：1. 高精度光纤传感器具有高分辨率和高灵敏度，可以对微小物理量进行准确测量。
同时，光纤传感器还能实现长距离的传输，适用于大范围的测量需求。
2. 免受干扰光纤传感器的信号传输是光学信号，不会受到电磁干扰，有较高的抗干扰能力。
这使得光纤传感器在工业自动化、电磁环境复杂的场合下具有稳定可靠的性能。
3. 多功能光纤传感器可以根据需求设计不同的传感结构，实现对不同物理量的测量。
如温度、压力、湿度等物理量都可以通过光纤传感器进行检测。
4. 实时性光纤传感器的工作响应快速，能够实时获取被测物理量的变化。
这使得在对实时监测和控制要求较高的应用领域，如工业生产过程中的物料流动监测等，光纤传感器发挥了极其重要的作用。
光纤传感器由于其独特的工作原理和优越的性能，在多个领域有广泛的应用。
以下是一些典型的光纤传感器应用案例：1. 环境监测通过光纤传感器，可以实时监测环境参数，如温度、湿度、气体浓度等。
这对于环境保护、工业安全等方面具有重要意义。
光纤电流传感器的原理及优缺点是怎样的呢-
光纤电流传感器的原理及优缺点是怎样的呢?光栅尺位移是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。
标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。
光栅尺位移传感器的结构。
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。
(关于莫尔条纹的原理，可参考相关文献)简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度；然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。
相比例如软件测量的方式，光栅尺读数测量具有更高的精度。
光纤电流互感器优势(1)绝缘结构简单，尺寸小，造价低。
由于光纤具有良好的绝缘特性，高低压之间的绝缘通过光纤再加上绝缘套来完成，从而使互感器的结构大为简化。
虽然HOCT仍然具有铁心和线圈，但由于一，二侧均处于高压侧，一，二侧之间的电位差比较小，故不需要高压绝缘隔离；因此磁路短，尺寸小，电压等级的提高也不会带来太多的改变，因此适用于高压电力系统中。
(2)测量准确度高。
利用光的磁光效应测量电流，彻底抛弃的电磁式铁心绕组的结构，没有故障电流下的饱和漏电，测量也无磁滞效应，同时具有高的抗电磁干扰的能力和灵敏度，准确度。
由于对一，二侧的绝缘不如传统的电磁式互感器高，因此采样电流的铁心线圈可以采用准确度较高的电流互感器；或者采用带气隙的铁心线圈，较好的暂态性能.二次侧所带的负载一般是电子线路，负载恒定；因此不要求二次线圈提供较大的功率，这样也有利于测量精度的提高。
(3)设备安装和检修方便。
只需要更换线圈的规格来适应不同的电压等级，而其他部件不需要更换，具有良好的升级性。
(4)运行安全，不会产生二次开路的高压和采用油浸式所引起的爆炸等现象。
(5)有利于变电站综合自动化水平的提高。
由于传递到低压侧的信号都有数字接口，由数据采集系统进行数据处理，可以得到系统的运行情况。
直接可以供测量和保护使用。
此外采用数字化接口，还可以实行远距离遥控。
(6)基于光纤互感器技术的MOCT和HOCT的测量动态范围宽，灵敏度高。
光纤传感器原理及应用技术
光纤传感器原理及应用技术其中，光弹性原理是利用光纤在传输时会受到外力作用而发生形变而产生的光衰减现象。
通过监测光纤的衰减程度，可以测量出外力的大小。
光拉曼散射原理是利用光纤中的分子振动和转动引起的光的散射现象。
通过监测光纤中的散射光的强弱及频率变化，可以得到被测量物质的温度、压力等信息。
光纤布拉格光栅原理是利用在光纤中制造出周期性折射率改变的结构，从而产生回波光路，当光波通过这种结构时，会发生衍射现象，产生特定的波长回波。
通过监测这些特定波长的光信号，可以测量出物理量的变化。
光纤传感器的信号处理技术主要包括光谱分析技术、光纤光栅的解调技术、时间域反射法等。
光谱分析技术是利用光纤传感器接收到的光信号的光谱特征进行数据处理和分析，从而得到被测量物理量的信息。
光纤光栅的解调技术是利用光纤布拉格光栅的回波信号对输入信号进行解调，得到被测量物理量的信息。
时间域反射法是利用光纤传感器接收到的回波信号的时间延迟来计算被测量物理量的信息。
光纤传感器的结构设计技术主要包括光纤的材料选择和尺寸设计、光纤传感器的外包装设计等。
光纤的材料选择和尺寸设计是考虑到光纤在传输过程中的损耗和变形问题，选择适合的材料和尺寸来提高传感器的灵敏度和可靠性。
光纤传感器的外包装设计是为了保护光纤免受外界环境的损害，并提供有效的信号传输通道。
总之，光纤传感器是一种基于光纤的物理特性进行测量和监测的传感器。
其应用技术涵盖了光谱分析、光纤光栅解调、时间域反射等多种信号处理技术和光纤材料选择、尺寸设计、外包装设计等多种结构设计技术。
通过不断研究和发展，光纤传感器在工业生产、环境监测、医疗卫生等领域具有广泛的应用前景。
光纤电流传感器
光纤电流传感器的研究新进展一、流传感器的基本原理根据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，根据安培环路定理，0=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互相垂直的线偏光，两束光的强度被分别检测出来并进行如下运算:S}- (11-I2)/(11+I2). Wollaston棱镜起偏器偏振方向的夹角为45’时，1,= Al /4[1-sin24,1.12=Au /4[1+sin24;]，所以，5=(I1-12)/(11+12)=sin2 l。
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,。
以上是理想情况下的结论。
如果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，如何消除线性双折射的影响，己成为研制开发光学电流传感器中的核心问题。
二、纤电流传感器研究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、协作配套广的知识密集型项目。
故对其理论的深层次研究以及开发并解决产品实用化的问题一直是大家努力的方向。
光纤电流传感器的工作原理
光纤电流传感器的工作原理
光纤电流传感器是目前智能及安全领域应用广泛的一种新型的非接触式电流传感技术。
这种电流传感器使用的是一种传感物料，它可以把电流从信号线传输到光线，把光束作为信号输出，由于光波不存在任何外部干扰，因此能够在高层干扰环境下准确测量电流。
光纤电流传感器的原理很简单，在光纤密封套管内，一端安装有一个光电二极管（LED），另一端安装一个光电探测器（PD），当 LED 发出的光信号在光纤传输过程中传出时，PD 便会受到LED 的探测和发射，探测器会将检测到的信号传送到信号处理器，从而形成相应的信号输出。
由于光信号不容易受到外界的干扰，光纤电流测量信号质量比电磁感应式和触接式电流传感器的信号质量更高，具有更好的信号精度和传输速度，因此，该电流传感器技术可用来探测各种复杂的电力电子网络，以及发电厂和家庭用电等，以满足用电安全监测及工业智能自动化等等。
由此可见，光纤电流传感器可以提供精确可靠的测量数据，能够极具智能化和安全保障，为安全监控和智能自动化带来新的机遇，具有非常重要的作用。
光纤电流传感器的工作原理
光纤电流传感器的工作原理光纤电流传感器的工作原理基于法拉第效应。
法拉第效应是指当导体中有电流通过时，该导体周围将产生磁场。
而当导体受到外部磁场作用时，导体内将产生感应电动势。
光纤电流传感器利用这一效应，通过光纤的纤芯和电流通过的导体形成一个闭合的传感回路来检测电流大小。
首先，通过发光器产生一个光信号，这个光信号会被输入到光纤传输介质中。
光纤传输介质通常由多根光纤呈平行或交叉排列而成，其中一根光纤负责发射光信号，而其他光纤则用于接收传感信号。
当电流通过导体时，产生的磁场作用于光纤传输介质。
这个磁场会导致光纤传输介质中的光信号发生相位移动。
这个相位移动会导致光信号的幅度和相位发生变化。
接下来，通过接收器来检测光信号的变化。
接收器通常由光电二极管或光电转换器构成。
它们可以检测光信号的幅度和相位的变化，并将这些变化转化为电信号输出。
最后，通过对电信号进行信号处理和分析，可以得到电流的大小。
光纤电流传感器的输出信号与电流的大小成正比关系，因此可以通过测量光信号的变化来间接测量电流的大小。
光纤电流传感器的优势之一是具有较高的抗干扰能力。
由于光信号在光纤传输介质中传输，相较于传统的电流传感器，光纤电流传感器对外界电磁干扰的影响较小。
此外，光纤电流传感器还具有较大的测量范围和较高的精度，同样也具有较快的响应速度。
总之，光纤电流传感器的工作原理是基于法拉第效应，通过光纤传感介质和光信号的检测来间接测量电流。
它具有抗干扰能力强、测量范围大、精度高和响应速度快等优点。
在电力系统、工业自动化以及航天航空等领域中有广泛应用。
光纤电流传感器原理
光纤电流传感器原理
1. **光纤：** 光纤是由具有高折射率的芯部和低折射率的包层组成的细长光导管。
光纤具有良好的光学特性，能够将光信号传输到较长的距离而几乎不发生信号衰减。
2. **法拉第效应：** 光纤电流传感器的工作基于法拉第效应，即当电流通过导体时，会在周围产生磁场。
这个磁场会影响通过附近光纤的光信号。
3. **偏振光：** 在光纤传感器中，一束偏振光通常被注入光纤。
偏振光是指在一个方向上振荡的光，通常是线性偏振光或圆偏振光。
4. **磁场影响：** 当电流通过测量电流传感器的导线时，产生的磁场会扭曲光纤中的偏振光。
这种扭曲会导致光纤中的偏振光发生相位偏移或振幅变化。
5. **干涉测量：** 光纤电流传感器通常采用干涉测量原理来检测光信号的变化。
这种变化可以通过比较输入和输出光信号的干涉模式来测量。
6. **信号处理：** 通过将输入和输出光信号进行比较，并测量干涉模式的变化，可以确定电流的强度和方向。
这些数据可以由传感器的接收端进行信号处理和解释，以提供准确的电流测量结果。
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光纤电流传感器的工作原理及应用
邓隐北1,彭晓华2
(1.郑州大学电气工程学院,河南郑州450052;2.森源电气股份有限公司,河南郑州450016)
摘要:基于法拉第效应的光纤电流传感器与传统的电流互感器相比,具有许多优点。
文章回顾了光纤电流传感器的开发历程,介绍了现有各种光纤电流传感器的工作原理、分类以及在国外的应用情况,展示了光纤电流传感器在电力系统中广阔的应用前景。
关键词:光纤电流传感器;无源式;全光纤式;有源式
中图分类号:T M452+.94文献标识码:B
1光纤电流传感器的开发历程
与电磁式电流互感器(CT)相比,基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT),具有无铁心、绝缘结构简单可靠,体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象,输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。
这些优点既满足、推动了电力系统的发展,而且应用前景十分广阔。
1845年,英国发现法拉第效应,能在电流的周围检测磁场,并通过磁场的检测测出电流的大小。
20世纪60年代,法拉第效应用于电力设备中的电流测定装置(当时称为激光电流互感器)。
对于流过电力设备中的电流计测,通常采用由铁心和线圈制造的电磁式CT,但其存在体积大、信号受到电磁噪音干扰等难题。
作为解决方案是应用法拉第效应研制成激光CT,东京电力公司与东京大学共同开发激光CT,并在电力中央研究所进行了试验,但尚未达到实用化的程度。
其原因之一是当时处于光电子的初期阶段,相关技术还不成熟[1]。
20世纪七八十年代,光纤通信已经普及,由英国中央电学研究实验所(CERL)等机构提出,光纤通信应用到法拉第#传感器的元件上。
因为,光纤电流传感器是基于Faraday 效应来测定电流的,采用光纤作为传感介质,故在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面,比传统的电磁式CT有很大优势。
而且,它还不含交流线圈,不存在开路危险。
与传统的电磁式CT比较,光纤电流传感器除具有前述的优点以外,还具备(1)容易安装,不用断开导线,仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流,能实现整个传感装置的小型轻量化;(2)无电磁噪音的干扰。
近年的计测控制系统中,一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路,传感装置本身全部由光学器件构成,故具有抗电磁干扰(EM I)特性;(3)计测范围广,没有铁心磁饱和的制约,同时,法拉第效应的响应速度快,具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范围;(4)因为信号通过光纤传输,波形畸变小,传输损耗小,故可实现长距离的信号传输。
东京电力公司与H OYA公司共同研制的传感器元件专用光纤,将光弹性系数非常小的铅玻璃用作原材料。
该传感器元件所用的铅玻璃光纤现已开发并应用。
由于光在光纤中,一边反射,一边行进,偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。
针对此现象,在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返,借助光的来回往返,成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。
将铅玻璃光纤用于传感器元件,并结合利用镜面的方法,只需把光纤卷绕在载流导体上,用于电流计测的反射型传感器就基本完成。
其次,开发了调制程度的平均处理与信号处理方式,这有利于特性的稳定及噪音的抑制。
此外,对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究,而且,慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术[2]。
目前,光纤传感器技术正朝实用化的方向进展,以适应电力系统的广泛需求。
2光纤电流传感器的工作原理与种类
OFCT主要由传感头、输送与接收光纤、电子
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回路等三部分组成,如图1所示[1]。
传感头包含载流导体,绕于载流导体上的传感光纤,以及起偏镜、检偏镜等光学部件。
电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。
从传感头有无电源的角度,
可分为无源式和有源式两类。
图1 光纤电流传感器的结构示意图
2.1 无源式OFCT
OFCT 主要利用了Faraday 磁光效应。
即磁场不能对自然光产生直接作用,但在光学各向同性的透明介质中,外加磁场H 可使在介质中沿磁场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转。
这种现象被称为磁致旋光效应或Faraday 效应。
当一束线性偏振光通过置于磁场中的Far -aday 旋光材料时,若磁场方向与光的传播方向相同,则光的偏振面将产生旋转。
旋转角H 正比于磁场强度H 沿偏振光通过材料路径的线积分:
H =V
Q L
H #d l =
V #i
式中,V 为磁光材料的Verder 常数,旋转角度H 与被测电流i 成正比。
利用检偏器将旋转角度H 的变化,转换为输出光强度的变化,经光电变换及相应的信号处理,便可求得被测电流i ,如图2
所示。
图2 光纤电流传感器的传感头
2.2 全光纤式AOFC T
实际应用中还有一种全光纤(A l-l fiber )式CT,其工作原理与无源式OFCT 相同,如图3所
示。
图3 全光纤式CT 的传感头
以前,光纤CT 的研究主要集中在磁光晶体结构的传感头方案上。
欧洲ABB 公司研制出达到IEC 标准0.2级晶体结构的OFCT 。
近年来,北美Nxtphase 公司研制出超过IEC 标准0.2S
级的全光纤AOFCT;我国清华、华中科大也相继研制出正常环境下精度为0.3%的块状结构AOFCT 。
北航研制的新型AOFCT ,传感光纤采用共光路设计,因而具有较好的互易性和较强的抗干扰能力。
全温下比例因数变化小于0.5%。
全光纤CT 系统构成如图4所示。
整个结构按功能可分为光学传输、光学传感头和信号处理电路三部分。
其中光学传输部分完成光信号的产生、传输、转换和干涉;光学传感头部分则传感导线中的电流,并将它转换为干涉光的相位信息;信号处理电路产生调制电压;对信号进行解算得到电流值。
SLD(超光度二极管)光源发出的光经过单模(SM)耦合器后由起偏器起偏成为线偏光。
线偏光以45b 注入保偏光纤分别沿X 轴或Y 轴向前传播。
当这两束正交模式的光经过K /4波片后,分别变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤。
由于受到导线中的电流产生的磁场作用,左右旋圆偏振光以不同的速度传播,从而引起光波相位变化。
光在由传感光纤端面的镜面反射后,这两束圆偏振光的偏振模式互换,再次通过传感光纤而再次受到磁场作用,使所受的作用效果加倍。
这两束返回的光再次通过K /4波片后,恢复为线偏振光,并在起偏器处发生干涉。
最后,携带相位信息的光由耦合器耦合进入探测器。
在整个光的传播过程中,光都经历了保偏光纤的X 轴和
Y 轴与传感光纤的左旋和右旋模式,只在时间上略有差异。
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工程与技术
图4 全光纤电流传感器系统结构图
2.3 有源式OFCT
这是一种基于传统互感器传感原理,利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介,将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理,并得到被测电流信号的新型传感器。
它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点,明显降低了大电流高压互感器的体积、重量和制造成本,又利用了传统互感器原理技术成熟的优势,避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。
有源OFCT 是通过一次采样传感器(空心线圈或小CT,电阻分流器)将电流信号传递给发光元件而变成光信号,再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。
高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。
目前应用最多的是采用空心线圈的有源式OF -CT ,其组成原理如图5
所示。
图5 有源式光纤电流传感器组成原理框图
空心线圈的截面为矩形或圆形,其感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关,受外磁场和载流导体位置的影响小。
因此,对空心线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。
3 光纤电流传感器的应用前景
OFCT 不仅能用于电力系统中电流的测量,而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合,还可研制开发出线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量/诊断装置,如图6~图8所示[1]。
随着光电技术及其相关技术的迅速发展,OFCT 在电力系统中的应用前景将日
益广阔。
图6 反射型OFC T
的外观
图7
应用于架空电缆的线路事故区间判定装置
图8 安装于275kV 地下输电线、
用于检测浪涌电流的传感头
参考文献:
[1] 黑泽.世界 ÓÊ-ÏÓ技术N 开发H 电力研究者H 7F 步
s G -?道[J].电气现场技术,2007,46(5):4-9.
[2] 邓隐北.新型光电式高电压测量器和电流互感器[J ].国际
电子变压器,2007(9).
收稿日期:2008-06-27
作者简介:邓隐北(1937-),男,江西萍乡人,本科,研究员,从事永磁电机研究;彭晓华(1963-),男,郑州人,硕士研究生,高级工程师,从事光电技术研究。
(责任编辑:杜建军)
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