光纤电流传感器
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。
光纤电流传感器
引言近年来，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 光纤电流传感器1.1 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。
光纤传感器
光纤传感器传感器在朝着灵敏、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：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，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。
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、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
1.光纤的结构2.光纤的传光原理3.光纤传感器工作原理（1）功能型——利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成（2）传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。
光纤传感器的测量原理有两种：（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
光纤电流传感器的研究
光纤电流传感器的探究引言：随着电力系统的不息进步，对电流的精确测量成为实现电能计量、保卫和监测的重要需求。
而传统的电流传感器受限于尺寸、安装方式和精度等问题，无法满足现代电力系统的要求。
为了克服这些限制，并提高测量精度和可靠性，光纤电流传感器作为一种新型的电力测量技术应运而生。
本文将详尽探讨进展，并分析其在电力系统中的应用前景。
一、光纤电流传感器的基本原理光纤电流传感器的基本原理是利用光纤的零散效应，即光纤中的光信号会随电流的变化而发生相位变化。
详尽而言，当电流通过光纤电流传感器时，电流产生的磁场会影响传输在光纤中的光信号，从而导致光信号的相位变化。
通过测量光信号的相位变化，可以准确地获得电流的信息，实现对电流的精确测量。
二、光纤电流传感器的结构和工作原理光纤电流传感器主要由光纤、光源、光衰减器和相位检测器等组成。
其中，光纤是传感的重要组成部分，可以分为单模光纤和多模光纤两种。
光源产生光信号，并通过光纤传输到相位检测器。
当电流通过传感器时，产生的磁场会引起光信号的相位变化。
相位检测器会抓取到相位变化，并将其转换为电信号。
最后，通过电信号的处理和分析，可以获得准确的电流信息。
三、光纤电流传感器的优势相比传统的电流传感器，光纤电流传感器具有以下几个显著的优势：1. 高精度：光纤电流传感器接受高区分率的相位检测技术，能够实现对电流的非接触式、高精度测量，缩减测量误差。
2. 免磁饱和：光纤电流传感器不受磁饱和效应影响，能够在高磁场下稳定工作，提高测量的稳定性和可靠性。
3. 抗干扰能力强：光纤电流传感器可防止传统电流传感器由于外界电磁干扰导致的测量误差，具有良好的抗干扰能力。
4. 体积小、重量轻：光纤电流传感器利用光纤作为传感元件，体积小、重量轻，便于安装和维护。
综上所述，光纤电流传感器具有较高的测量精度、可靠性和稳定性，逐渐成为电力系统中重要的测量手段。
四、光纤电流传感器的应用前景目前，光纤电流传感器在电力系统中的应用前景宽广。
全光纤电流互感器的原理
全光纤电流互感器的原理
全光纤电流互感器（FOCT，Fiber Optic Current Transformer）是一种利用光纤传输信号来测量和监测电流的装置。
其原理基于电流通过导体产生的磁场对光纤的影响。
具体原理如下：
1. 光纤传感器：光纤传感器由一对光纤组成，其中一条光纤作为发送光纤，用来发送光信号；另一条光纤作为接收光纤，用来接收光信号。
2. 光调制器：发送光纤连接到光调制器，光调制器一般采用光电二极管。
当电流通过光调制器产生的电路时，它会产生电流的变化。
这种变化会导致光调制器中的光发生调制，即光的强度发生变化。
3. 磁场感应：将电流通过被测导体上，即可产生一个与电流成正比的磁场。
当电流通过导体时，磁场会穿过光纤传感器的某一部分。
这个磁场的变化会导致光纤产生剪切应力。
4. 剪切应力的传递：剪切应力会传递给接收光纤，导致接收光纤中的光发生相应的调制。
通过测量接收光纤中光的强度变化，可以得到电流大小，实现电流的测量和监测。
全光纤电流互感器具有抗电磁干扰、高精度、宽带宽等特点，适用于高压、大电流等复杂环境中对电流的测量和监测。
上海康阔新一代全光纤电流传感器(互感器)
螺旋速率
光纤长度坐标 （meter）
35
13:28:19
新一代电流传感光纤特点
1.1 新一代FOCS传感光纤中的偏振态演化（用于反射式结构） （已获多项实用和发明专利）
从慢轴输入线偏振态
递减螺距结构双折射段
均匀螺距结构双折射段
螺旋椭圆偏振态
解决了偏振态匹配问题和规模化生产问题
• FOCS的现实问题及解决方案 • 新一代电流传感光纤的特点
• 新一代FOCS的关键特性及应用
• 成果总结
34
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新一代电流传感光纤特点
1. 0 新一代FOCS传感光纤的结构特征（用于反射式结构） （已获多项实用和发明专利）
递增螺旋结构双折射段 均匀螺旋结构双折射段
-40
时间 (小时 )
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新一代FOCS的关键特性
3.2 传感光缆比差与温度的关系(不带温度补偿功能）
Comcore保椭圆光纤2：+/-0.32%
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新一代FOCS的关键特性
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新一代全光纤电流传感器
黄 勇 博士
Cell： 13917999108； Email：yong.huang@
1
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新一代全光纤电流传感器
FOCS 现实问题及解决方案 • 新一代电流传感光纤的特点
• 新一代FOCS的关键特性及应用优势
13:28:18
FOCS 现实问题及解决方案
6. 目前国内外关于光纤波片的实现方案
6.1 切割一段所谓1/4拍长的线双折射光纤 （传统工艺）
集中式变换--无法解决椭圆偏振态匹配问题
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——光纤电流传感器
2004-12-30
02级物理系 常嵩 张翼 (03级物理系 邱文俊) 指导教师 刘志渊
学期总结
导言 实验目的 实验原理 实验仪器 实验操作过程 实验结果 结果讨论
2004-12-30
导言
本实验中涉及光纤干涉测量仪和新金属材料 的磁致伸缩效应。我们将二者相结合，组成 了光纤电流传感器。 光纤传感器在对物理量进行间接测量的场合 中经常被使用，测量过程中主要利用了光纤 干涉条纹对张力、环境温度等外界条件变化 的响应，这方面的成果主要有位移压力传感 器，温度传感器等。
杨氏双缝干涉原理图
2004-12-30
马氏干涉仪
传统的马氏干涉仪属 于等臂干涉仪之一， 利用分振幅干涉。
原理性光路见（图一）
实验中用He-Ne激光 器作光源，稳定条件 下（无外界条件改变 时），干涉图样呈现 出稳定的直条纹。
图一，马氏干涉仪原理光路
2004-12-30
空气中的干涉条纹图样
2004-12-30
长磁致伸缩棒实验结果二
2004-12-30
讨论
线性度与耦合系数：实验数据的线性度是相当 好的，实验数据的拟合线性相关度均在0.999 以上。尤其是考虑到实验中对于相位测量的不 准确度（条纹移动条数是存在不准确度的，并 且无法测至0.1条），那么这样的数据还是很 有质量的。对于短棒线性拟合的斜率120.3mA； 对于长棒，该值为26.9mA条，与估算值的量 级完全一致。这些说明实验中，磁致伸缩棒确 实有效地工作在线性区，并且棒的伸缩性与稳 定性都得到了很好的检验。
激光的输出效果
激光的注入与输出
右图为CCD 界面上观察到 的输出干涉条 纹。
2004-12-30
电路连接
按照电路图连 接电路 给黑盒内的 CCD供电， 并将信号线接 于计算机数据 采集卡上，实 现计算机屏幕 观测。
2004-12-30
调节测量
将输出电压调至最 低，闭合电键。 待条纹稳定之后， 就可以通过改变电 流来观测现象和进 行测量了。 右图为计数界面下 观察到的条纹情况。
353N胶水 AB胶以十比一 混合发生化学 反应 可以有 效固定光纤于 光洁表面
2004-12-30
实验操作过程
实验过程： 1.光纤的固定 2.固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体 3.激光注入与输出 4.电路连接 5.调节测量
2004-12-30
光纤的固定
实验的第一步是将光纤固 定在磁致伸缩棒上。将光 纤被固定的部分外皮剥去， 张紧、沿径向贴于磁致伸 缩棒的表面。在棒的两端 涂抹配好的353N胶水后， 放到烤炉上加热至100摄 氏度并持续加热3min后即 可牢牢固定。
分别在两边距棒端面 5mm处放置软铁，也 用胶带固定。
将永磁体RbFeB按正 确的极性吸附在软铁 外端面。
固定好磁致伸缩棒、软铁和永磁体的载物台
2004-12-30
固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体
将另一根光纤平也平 放在载物台上，轻轻 地贴着前一根光纤放 好。两根光纤处于相 同的温度环境中，可 以避免环境扰动的影 响。将载物台推入螺 线管中，用螺丝固定， 核心部件组装完成。
右图是实验中用到的加热 装置。
2004-12-30
加热支架与烤炉
光纤的固定
注意事项： 用天平称量白胶和黄胶，以质量比十比一 的比例取用。混合后沿一个方向均匀搅拌 １分钟即可使用。 光纤在固定前一定要张紧，否则看不到明 显的磁致伸长效应。
2004-12-30
固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体
先将带有光纤的磁致 伸缩棒用胶带固定于 载物台中部。
光纤电流传感器
当磁场的改变由电流 来控制时，我们观察 到的条纹变化就在一 定程度上反映了电流 的变化。 至于电流变化和条纹 变化之间的关系，要 由实验来确定。
2004-12-30
理论推导
2004-12-30
理论推导
2004-12-30
理论推导
2004-12-30
结果估算
2004-12-30
2004-12-30
导言
光纤材料本身对外环境磁场的响应是极其微 弱的。为了弥补这方面的缺陷，我们在传统 的光纤干涉仪中引入了磁致伸缩元件。 新金属材料中有一类具有磁致伸缩效应的材 料，在我的实验中，它被用来将外界磁场的 变化转化为光纤长度的变化，间接地达到了 对外磁场变化的响应。 光纤与磁致伸缩元件相结合，原则上可以实 现对外磁场进行测量。
2004-12-30
实验目的
通过实验，掌握光纤干涉测量的基本技术， 学会组装干涉测量仪并测量待测物理量。 了解磁致伸缩材料的性能，自行动手制做螺 线管产生所需要的磁场。 通过测量，建立起光纤条纹移动与螺线管电 流改变之间的关系。 在实验过程中提高实验素养，熟悉基础的科 研工作过程。
2004-12-30
2004-12-30
磁致伸缩材料
右图为工作区 的特性图 磁致伸缩系数 1.14ppm/Oe
2004-12-30
光纤电流传感器
利用光纤干涉仪和磁致伸缩材料可以组成光纤干涉传感器。 原理如（图三）所示。 当磁致伸缩材料所处区域磁场发生变化时，就会观察到原 本稳定的直条纹发生移动。
2004-12-30
实验原理
实验原理部分包括： 相干光干涉与马氏干涉仪的基础知识。 磁致伸缩材料性能介绍。 光纤电流传感器的简单构成。 理论推导与估算结果。
2004-12-30
相干光干涉
相干光源（振动方向 相同，频率相同，相 差恒定）所发出的光， 在光场中形成稳定的 干涉图样。
杨氏双缝干涉利用分 波前干涉。原理如右 图所示。
主要元件
短磁致伸缩棒 长3.0cm，直径0.63cm, 磁致伸缩系数1.14ppm/Oe
2004-12-30
长磁致伸缩棒
长8.0cm，直径0.60cm, 磁致伸缩系数1.14ppm/Oe
光学仪器
接收端封闭黑盒
JDW-3型He-Ne激光器 波长632.8nm
精密调节支架 调节精度1um
2004-12-30
2004-12-30
下面是电 流连续改 变的情况 下观察到 的现象。
调节测量
2004-12-30
实验结果
实验数据表
2004-12-30
实验结果
短磁致伸缩棒实验数据一
2004-12-30
实验结果
短磁致伸缩棒实验数据二
2004-12-30
实验结果
长磁致伸缩棒实验数据一
2004-12-30
实验结果
2004-12-30
讨论
一是极化场不够强。极化场明显没有达到 300Oe的理想值，并且永磁体极化场的不 均匀性导致总体伸长是各点伸长效果的叠 加。当然，其实最好的极化效果是不用永 磁体，仅靠螺线管的性能达到极化的目的， 但我们现行的螺线管产生磁场还是很有限 的。
2004-12-30
讨论
二是温度漂移。实验中我们能够察觉到， 实验数据是和温度相联系的。虽然从估算 中我们发现发热功率并不大，短时间内不 能造成明显温度升高，但由于多次测量的 缘故，以及螺线管材料是有机玻璃，隔热 差，所以还是会有一些影响。当然，这也 说明我们所用的光纤对温度变化的反应还 是很敏感的，实验中管内温度上升大约1摄 氏度左右。
2004-12-30
致谢
实验过程中各方面给予了我们大力的支持。 刘志渊老师每周和我们就实验的问题进行 讨论，给我们提出了很多宝贵意见。徐万 劲老师指导我们进行光纤的固定，并为我 们找到了353N胶水。 段家忯老师也经常关心我们的工作进展， 并让郑老师、孙老师和臧老师从普物实验 室给我们借来了必要的仪器。 01级师兄程熹曾经做过光纤温度传感器， 在我们工作的过程中，给予了我们很多经 验。
将载物台推入螺线管中
2004-12-30
激光的注入与输出
在两根光纤的四个引
出端分别切出平行度
激 光
较好的端面，做为注
注 入
入端与输出端。
将两个注入端并束，
用一个精密调节支架
实现激光注入。
激
光
将两个输出端并束，
输 出
用黑盒实现观测。
2004-12-30
激光的注入与输出
激光的注入效果
2004-12-30
JA21002数字式天平 最小称量0.01g
其它辅助仪器与相关用具
剥光纤外皮的钳子与切割光纤的刀具
CCD接收系统
2004-12-30
票架若干（用来固 定磁致伸缩棒）
其它辅助仪器与相关用具
永磁体 直径1.0cm 总长 2.0cm 表面磁强400mT
2004-12-30
软铁 相对磁导率约100
其它辅助仪器与相关用具
2004-12-30
讨论
误差：短棒的耦合系数误差值比长棒要大； 并且两者的相对误差均在1%左右。像上面 提到的一样，此时的误差也许是没有实际意 义的，因为在判断条纹到底是否移动了整整 一条时，肉眼的能力有限，往往判断稍有偏 差，得到的数据就会差十几毫安。但从这样 小的误差中也可以看出，整体测量的方法是 可行的，磁致伸缩棒长度的微增量和光纤对 于长度变化的反应恰好在本实验中达到一致 的水平。
电学仪器
UT58E型数字式万用表 使用20A直流电流档
WYJ-98型晶体管稳压电源 最大输出电压30V 最大输出电流5A
此外，还有滑线变阻器一个，全电阻26.2欧，额定电流3.8A 以及单刀双掷开关一个，导线若干。
2004-12-30
其它辅助仪器与相关用具
加热固化胶水所用的电炉 功率600W
2004-12-30
图二，空气中的马氏干涉图样
磁致伸缩材料
实验中用到新金属材料铽镝铁(TbDyFe2)。该材 料在外加磁场的情况下会发生长度的变化。
右图为 磁致伸 缩回线 图