基于法拉第效应的光纤电流传感器

基于法拉第效应的光纤电流传感器

摘要：光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，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。光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感头的结构和工作原理，对改进光纤电流传感器的设计，提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。

关键词：光纤电流传感器、光纤回转仪、法拉第磁光效应

正文：

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

1、光纤传感器概述

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。所以说光纤传感器可以很好的用于磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。

2、光纤电流传感器

2.1光纤电流传感器概述

光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，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。

当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。

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。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。

2.2光纤电流传感器的结构

光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图1所示。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。

图一光纤电流传感器的结构示意图

2.3光纤电流传感器工作原理

光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感头的结构和工作原理，对改进光纤电流传感器的设计，提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。

光纤回转仪是MOCT（光纤电流互感器）的核心部件，它由光源，探测器，调节器，以及缠绕电流导线的光电探头组成。其中调节器是光纤电流传感器的核心部件，通过这套系统可以对电流进行精确测量，此项技术受２０多项国际专利保护。光纤回转仪最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制。

图2 光纤电流传感器原理示意图

（1）光源发出的光通过波导传至线性偏光器，然后是偏振分离器（产生两束线性偏振光波），最后到达相位调节器。

（2）然后这两束光通过光纤从控制室传到传感头；

（3）两束偏振光通过1/4波长滤波器产生右旋和左旋偏振光；

（4）两个光束在围绕导线的光纤环中传播，到达终点时遇到反射镜，光线沿同样的路径返回；

（5）当光线环绕导线传播时，导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，该磁场使两束光的相位产生偏移；

（6）光波沿光路返回后，最终到达光学探测器，电子器件检测出相位漂移；

（7）两束光波的相位偏移与导线的电流成正比，然后显示单元将电流数值以模拟量或数字量传至最终用户。

2.3光纤电流传感器的优点

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利轻量化；

(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(EMI)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闱；

(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。