光纤电流传感器
激光供能的光纤电流传感器
2001年12月 传 感 技 术 学 报 第4期激光供能的光纤电流传感器①张涛,颜研,申烛,罗承沐(清华大学电机系,北京 100084)摘要:本文论述了一种用激光供电的混合式光纤电流传感器(EO CT),它的额定电压为220kV,额定电流为1200A.本文对这种混合式电流传感器的原理、样机的结构方案进行了研究,并进行了系统整体测试.关键词:激光供电;电流传感器;电磁干扰;自动温度控制中图分类法:T P212.14 文献标识码:A 文章编号:100421699(2001)04202712061 引 言 电流传感器是电力系统中最重要的高压设备之一.它被广泛地应用于继电保护、系统监测、电力系统分析之中.随着现代电力系统的发展,尤其是电网输电电压等级的提高,迫切需要优质价廉的新型传感器代替传统的电磁式的电流传感器.国外在60年代初就开始了光学电流传感器的研究,由于光纤技术和传感器技术的发展,目前光纤电流传感器的研制开发已日趋成熟和完善,和传统的电磁式电流传感器相比,具有以下优点:(1)无绝缘油,不会有安全隐患;(2)没有磁饱和现象;(3)无铁芯,因此没有铁磁共振和磁滞效应;(4)测量带宽和精度可以达到很高;(5)体积小,重量轻,造价低廉.光学电流传感器分为无源型和有源型两种.无源型电流传感器以利用法拉第磁光效应的装置为主,它们最大困难是其本身的光学系统折射效应随环境因素变化而变化,光学传感头中存在着各种形式的双折射,影响了整个系统精度和稳定性.而有源型电流传感器在高压部分没有采用特殊的功能性光纤和其它光学元件,只是使用了有源电子电路,因此这种电流传感器容易实现并且有长期的稳定性和高的可靠性.但是,电源供给问题却影响了混合型电流传感器的更大范围应用.为此,本文采用了光电池作为系统的电源.光电池的能量由大功率半导体激光二极管提供.目前ABB,R IT Z公司有类似的产品,额定电压72～765kV,额定电流50～4000A.①来稿日期:20012042022 系统的组成和工作原理2.1 系统电源电路:电源供应部分是系统的核心部分之一,由于这种光电式电流传感器的传感头安装在高电位侧,并且完全是由电子线路构成的,因此必须有相应的电源提供给传感头的电子线路.在系统框图图1中,激光器、光电转换器和DC 2DC 变换器构成了系统的电源供应部分,其中,位于低电位侧的激光器将光能量通过光纤传递到传感头部分的光电转换器中,光电转换器的输出经过两组DC 2DC 变换器后,产生5V 和±12V 两组电源输出提供给后级的电子线路.在光电池电源系统里,激光二极管(LD )作为光源,提供驱动光电池(PD )的光功率,根据系统总功率需要选用合适的光功率和输出效率的激光二极管后,可以非常满意的得到光电池的恒定功率和电压输出.图1 系统原理框图2.1.1 光电池实际应用中需要注意的一点是因为光电池是非线形器件,存在最大功率点和阻抗匹配问题,需要设计匹配的DC DC 转换电路使光电池进入大功率电压区工作,本文设计了一种自举电路,可以较好的解决这种问题,能使光电池稳定工作在5V ,220mW 的工作点上.图2为光电池电源系统测试线路图.通过改变LD 的驱动电流来调节光电池的输出功率,可以得出如图3,从而看出在不同的光功率输入下,光电池在不同的匹配电阻上输出不272 传 感 技 术 学 报 2001年同的最大电功率,在不计传输损耗的情况下,其输出最大电功率为LD 输出光功率与LD 转换效率和PD 转换效率的乘积.图2 光电池测试线路示意图图3 LD 驱动电流为1090mA 时光电池负载特性如图3中,光电池工作点为(44mA ,5.0V ),输出最大功率为220mW ,匹配电阻为1118.2.1.2 激光二极管(LD )的驱动LD 的发光波长和输出功率都随温度变化而变化,如不采取措施,将影响系统的稳定性,为此本论文采取了半导体致冷技术,采用帕尔贴致冷器,设计了自动温度控制电路,使LD 工作在20℃左右的条件下,输出恒定光功率.控制电路原理如图4所示.电路中R 1、R 2、R 3和R T 构成温度敏感电桥,在R 1=R 3的情况下,选取不同的R 2的值可以设定不同的基准温度,以保证LD 正常工作温度,满足系统的要求.热平衡时,制冷器控制热敏电阻的温度,从而使得R T =R 2,V 1=V 2,电桥处于平衡状态,差放电路输出V 3=0,因此比例2微分2积分(P I D )电路输出恒定的电压值,使制冷器得到一恒定的电流,用于补偿LD 注入电流引起的热沉温度的升高,从而保持激光器芯片温度的恒定.当热敏电阻探测到热沉温度升高时,R T 下降,感温电桥平衡状态被打破,给出一误差信号(V 1-V 2),该误差信号经放大后引起P I D 电路输出电压V ou t 上升,制冷电流增大,从而使热沉温度下降,R T 升高直至V 2=V 1,电桥恢复平衡,LD 也恢复到原来的温度.同理,当LD 温度下降时,控制电路会减小制冷电流以保持LD 工作于设定温度.在LD 温度很低时,控制电路可以通过PN P 管提供反向加热电流,提高LD 热沉的温度,使LD 恢复正常的工作状态.372第4期 张涛,颜研等:激光供能的光纤电流传感器 图4 自动温度控制原理图2.2 高电位侧的传感头: 传感头的主要作用是将电流信号通过采样线圈转换成为电压信号,并通过多路信号A D 采样系统将电压信号转变成为数字信号,通过发光二极管(L ED )将时钟和数据信号通过光纤传递给低电位侧的信号接收部分.A D 转换电路是整个传感头电路的核心部分,由于传感头的特殊要求,A D 转换芯片应该具有以下基本特征:(1)微功耗 (2)采样率足够高 (3)串行A D 转换 (4)电压双极性输入 (5)高分辨率.综合上面考虑后,本文采用的是AD 公司出品的AD 7895芯片.这种芯片的最大功耗仅为20mW ,转换时间为3.8Λs ,是完全符合本系统的功耗要求.2.3 地面低电位侧的信号处理 低电位侧的信号处理部分可以分为模拟通道和数字通道两个部分.从高电位侧传递下来的两路串行数字信号(时钟和数据信号)经过放大整形电路的处理以后,在逻辑控制电路的作用下,将四种采样信号(计量用电流信号、保护用电流信号、电源电压监测信号和传感头的温度信号)分开,经过D A 转换器还原成为模拟信号;同时,通过PC 机信号采集卡将数字信号采集到计算机里进行数据分析和处理.图5 典型D A 转换电路图如图5为典型一路D A 转换电路.2.3 系统测试结果及误差分析系统测试数据总体上可以分为比差测量和角差测量两个部分.可得到如图的混合式光472 传 感 技 术 学 报 2001年纤电流传感器的输入-输出比差和角差曲线.如图6是比差曲线,图7是角差曲线.图6 输出比差曲线图7 输出角差曲线系统测量误差有以下几个方面(1)测量误差:主要由信号发生误差和示波器读数误差组成(2)标定误差(3)器件工作的不稳定性(4)电源系统引起的干扰误差:系统电路由于采用大量数字电路,电源受到数字干扰影响,这些干扰会影响D A 转换的精确度,从而产生误差.3 结 论 (1)根据设计的整体结构,采用激光管提供能量的方式,将激光能量提供给高电位侧的光电转换器件,并通过两组DC 2DC 变换器件提供给传感头稳定的电源供应.这种电源提供方式能够提供大约200mW 的总功率输出,可以满足传感器头部电子电路的功耗要求.572第4期 张涛,颜研等:激光供能的光纤电流传感器 672 传 感 技 术 学 报 2001年(2)设计并实现了系统的传感头部分电子线路.(3)设计并实现了光接收机的模拟通道的电子线路.(4)设计了PC机接口板电路通过并行接口芯片以及其它的外围控制电路,用软件读取传感头采集的数字信号,并进行数据的处理.(5)本系统经实验室测试比差可达到0.5%,角差达到20′左右.参考文献[1] Song J,M claren P G,T hom son D J,et al.A P ro to type C lamp2on M agneto2op tical Cu rren t T ran s2ducer fo r Pow er System M etering and R elaying[J].IEEE T ran sacti on s on Pow er D elivery,O ctober 1995;10(4):1764-1770[2] Cease T W,John ston Pau l.A M agneto2Op tic Cu rren t T ran sfo rm er[J].IEEE T ran s on Pow er D e2livery,1990;P W RD-5(2):548-555[3] 张明明,刘延冰.一种新型的有源光纤电流传感器[J].中国仪器仪表,1998;2:15～16[4] A l2M ohanadiM R,Ro ss J N,B rignell J E.Op tical Pow er and In telligen t Sen so rs[J].Sen so rs andA ctuato rs A,1997;60:142-146Optic F iber Curren t Sen sor Powered with Laser EnergyZH A N G T ao, YA N Y an, S H EN Z hu, L UO Chengm u(D ep t.of E lectrical Engineering,T singhua U niv.,Beijing100084P.R.Ch ina)Abstract:A new typ e hyb rid op tical2electron ic cu rren t tran sfo rm er(EO CT)w ith rated vo ltage220kV and rated cu rren t1200A,w as develop ed.T he P rinci p le of th is cu rren t tran sfo rm er as w ell as the general con structi on w as studied.A nd the first p ro to typ e in2 strum en t w as bu ilt and tested.Key words:laser pow ered sen so r,cu rren t tran sfo rm er,E M I,tem p eratu re con tro l作者简介张涛,硕士研究生。
光纤传感器的原理是
光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。
它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。
光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。
一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。
通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。
光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。
二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。
1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。
它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。
当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。
2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。
它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。
光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。
通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。
3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。
它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。
通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。
三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。
1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。
通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。
2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。
光纤传感器工作原理
光纤传感器工作原理光纤传感器是一种利用光学原理进行测量的传感器。
相比传统的电信号传感器，光纤传感器具有更高的灵敏度、更大的频带宽度和更好的抗干扰性能，因此在工业、医疗、环境监测等领域得到广泛应用。
光纤传感器的工作原理基于光的传播和传感效应。
光纤传感器通常由光源、光纤、敏感元件和光电转换器组成。
在光纤传感器中，光源发出一束光经过光纤进行传播。
光纤是一种能够将光信号限制在光纤内部的细长光导波装置，通常由具有高折射率的芯和具有低折射率的包层构成。
光信号在光纤中的传播受到光纤材料的折射特性和光纤结构的影响。
在光纤传感器中，常用的敏感元件有光纤光栅和光纤干涉仪。
光纤光栅是用特殊的制备工艺在光纤的芯或包层中形成的周期性折射率变化的光学结构，可以实现对光的频率、幅度和相位等参数的敏感检测。
光纤干涉仪则利用光纤在传播过程中发生的干涉现象进行测量，通过改变光波在不同光纤路径中的相位差，可以获取被测物理量的信息。
光纤传感器中的敏感元件接收到通过光纤传播过来的光信号后，将其转换成与被测物理量相关的光学信号。
然后，光学信号通过光电转换器转换为电信号，经过放大、处理和解码等步骤后，最终得到与被测物理量相关的结果。
光纤传感器的工作原理可以通过以下几个方面来解释：1. 光纤传感器的基本原理是利用光的折射和传播规律。
当光束从一个介质传播到另一个介质时，由于光在不同介质中的折射率不同，光束的传播方向会发生偏折。
通过对光束的偏折进行测量，可以得到与被测物理量相关的信息。
2. 光纤传感器的工作过程涉及到光的干涉现象。
干涉是指两个或多个光波相互叠加形成的干涉图样。
在光纤传感器中，通过使光波在光纤中沿不同路径传播，利用不同路径上光波的相位差来实现测量。
当被测物理量发生变化时，导致光线的路径长度或相位发生变化，从而引起干涉图样的变化。
3. 光纤传感器的敏感元件可以是光纤光栅或光纤干涉仪。
光纤光栅是通过将光纤的芯或包层制作成具有周期性折射率变化的结构，利用光在光纤光栅中的反射和折射等效应进行测量。
光纤传感器
(0 Z L ) (Z 0,Z L )
(6)
上式中 L 是光纤产生微弯的区域，A 为其弯曲幅度， 为空间频率，设光 纤微弯变形函数的微弯周期为 ，则有 2 / 。光纤由于弯曲产生的光能 损耗系数是：
A 2 L sin[( c )L / 2] sin[( c )L / 2] { } 4 ( c )L / 2 ( c )L / 2
3
(2)
(2)式中 ( z ) a 0 [1 ( z / a 0 ) 2 ] ，这里，S 为接收光面，即纤芯端面。 在纤端出射光场的远场区， 为简便计算，可用接收光纤端面中心点处的光强
赵伟 郑虹
来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得在接收光纤终端所探测到的 光强公式为：
I (r ,z )
赵伟 郑虹
光纤传感实验
光纤的研究和应用是 20 世纪 70 年代末发展起来的一个新的领域。 光纤通信 已经成为现代通信网的主要支柱。光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不 断产生和发展。传感器是信息技术的三大技术之一。随着信息技术进入新时期， 传感技术也进入了新阶段。 “没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被 全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视， 我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。光纤传感器件具有体积小、重量轻、 抗电磁干扰强、防腐性好、灵敏度高等优点；用于测量压力、应变、微小折射率 变化、微振动、微位移等诸多领域。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。 功能型光纤传感器是利用 光纤本身的物理特性把光纤作为敏感元件，所以也称为传感型光纤传感器。非功 能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量变化，光纤仅作为传输介质，传 输来自远外或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器， 相位调 制光纤传感器， 频率调制光纤传感器，偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光 纤传感器。 光纤传感器按被测对象的不同， 又可分为光纤温度传感器， 光纤位移传感器， 光纤浓度传感器，光纤电流传感器，光纤流速传感器，光纤液位传感器，光纤电 压传感器等。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达 70 余种。然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制 传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而 得到被测量。 将光纤和传感器结合一起的光纤传感器是将力热光电等物理基本概 念和原理结合起来的综合实验。
光纤传感器 课件
入全反射光，集光能力越强，光纤与光源的耦合越容易，
且保证实现全反射向前传播。但NA 越大，经光纤传输后
产生的信号畸变越大，因而限制信息的传输容量。在实际
使用时应选择合适 NA值，石英光纤的数值孔径NA 为0.2～
0.4。
2 光纤模式
• 光纤模式是指光波在光纤中的传播途径和方式。沿光纤传
输的光可以分解为沿轴向与沿截面传输的两种平面波长成
光线消失。
• 只有入射角i arcsin NA 的光线才可以进入光 纤被全反射传播，而入射角 i arcsin NA 的光
线进入光纤后在包层中消失，不能进行传 播。这里讨论光导纤维传光原理时，忽略 光在传播过程中的各种损耗，如菲涅尔反 射损耗、光吸收损耗、全反射损耗及弯曲 损耗等，因此光纤不可能完全地传输入射 光的能量。
光是一种电磁波，其波长范围从极远红外的1mm到极远紫外 10mm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起
的。因此，在讨论光的敏感测量时，必须考虑光的电矢量 E 的振动
，即
E = Asin (t + )
式中， A—电场量 E的振幅矢量；
(15-15)
—光波的振动频率；
—光相位；
t —光的传播时间。
50～100 m 之间，其传输性能较差，带宽较窄。
3 按光纤工作波长分类
短波长（0.8～0.9 m）光纤、长波长（1.0～1.7 m）光纤、超长波长（大于2 m）
光纤。
4 按纤芯的折射率不同分类 阶跃型光纤（又称突变型光纤）和渐变型光纤（又称自聚焦型光纤），如图15-4 所示。
n n1 n2
纤芯
包层
15.1.2 光导纤维的传光原理
•
一般把光波在光纤中的传输看成是光线在光
光纤传感器ppt
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
光纤光栅电流传感器
２ 光纤光栅电流传感器理论和实验
当光纤光栅发生轴向应变时． 其布拉格波长将随应变的变化而被调制， 布拉格波长和应
变 之 间 的 关 系 为 （ ［ ｓ ７
式中： Ａ Ｂ 是光纤光栅的布拉格波长， △ 几 ： 是布拉格光栅中心波长的漂移， ： 「 是光纤光栅的应
Ｉ ｝ Ａ ｅ＝ （ １一 Ｐ ， ） ｅ ， ． ｌ （ １ ）
变， Ｐ 。 是有效的光弹常数， 定义为：
， 一 令 Ｃ Ｐ ， ｚ 一 （ Ａ ｍ ＋ ， ｏ ］
来稿 日期 ： １ ９ ９ ９ － ０ ９ － ０ ａ 厂东省 自然 科学葵金 资助项 目
（ ２ ）
式中： Ｐ ｕ 和Ｐ Ｉ ： 是应变光学张量的光弹常数， ， 为泊松比， 。 。 ， 为光纤芯的折射率． 如果把磁致
响ｔ ｏ ， 因此， 已经有人尝试利用光纤光栅调制技术制作光纤电流传感器ｔ －ｌ ， 取得了一定的成 果， 但也存在一些问题． 例如， 文献［ ４ 〕 利用磁场通过磁致伸缩材料调制光纤光栅， 存在两方 面的问题． 第一： 输出响应是非线性的； 第二； 材料的磁滞特性对调制特性的影响． 本文提出
的光纤传感器基本解决 了这 两个问题 ， 取得 了良好的实验结果．
伸缩 材料和光纤光栅合理地结合， 则可以利用电流产生的磁场对磁致伸缩材料的作用调制
①
万方数据
第 ３期
陈冠三 光纤光姗电流传感器
１ ７ ５
光纤 光栅， 通过布拉格波长漂移的测量， 可以确定待测的电流
如果把光纤光栅直接粘贴在磁致伸缩材料上， 则光纤光栅的应变 ｅ ｆ 和磁致伸缩材料的 应变 ％ 一样， 由于磁致伸缩效应不是很大， 因而检测的灵敏度较小． 为了提高检测能力， 我 们采用了如图 １ 所示的传感头结构． 这样， 光纤光栅的伸张长度 ｌ ｗ 和磁致伸缩棒在磁场作
用于局部放电检测的光纤电流传感器
传感器 与微 系统 （ｒ ｓｕｅａｄ ｉｏ ｓ ｍＴｃｎ ｏｉ ） Ｔａ ｄｃ ｃ ｓ ｔ ｅｈｏ ｇ ｓ ｎ ｒｎ Ｍ ｒｙｅ ｌ ｅ
９ ９
用 于局 部 放 电检 测 的光 纤 电流 传 感 器
胡 沥丹 ，袁 云 ，尹 雯 ．
（ 中国矿业大学 信息与 电气工程学院 ， 江苏 徐 州 ２ １０ ） ２ ０８ 摘 要 ：根据 Ｆ ｒｄｙ ａａａ 磁光效应原理设计 了一种新型 的光纤 电流传感器 ， 可用 于局部放 电电流 的检测 。基
ｄ ｓ ｎ ｄｆ ａ ｉ ｉ ｈ ｒｅ Ｐ ｄ ｔ ｔ ｎ Ｔ ｅ ｍ ｔｅ ａ ｃ ｏ ｅ ｏ Ｃ ａ ｅ ｕ ａｅ ｎ Ｊ ｎ ｓｍ ｔ ｘ ｅｉ ｅ ｒ ｒ ａ ｄｓ ａｇ （ Ｄ） ｅ ｃ ｏ ． ｈ ａｈ ｍ ｔ ｓｍ ｄ ｌ ｆＯ Ｓ ｗ ｓ ｓｔ ｐ ｂ ｓｄ ｏ ｏ ｅ ａ ｉ ｇ ｏｐ ｔ ｌ ｃ ｅｉ ｉ ｒ
ｍｅｈ ｄ， ｎ ｈ ｏｅ ｉａ ｑ ａｉｎ ｆｒ Ｃ ｒｅ ｔ ｄ ｔｃｉｎ ｉ ｄ ｒ ｅ ．Ｒ ｌｔ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎｓ ｗｅｅ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ Ｔｈ ｔｏ ａ ｄ ｔ ｅ ｒｔ ｌ ｅ ｕ ｔ ｕ ｎ ｅｅ ｔ ｓ ｅ ｖ ｄ ｅ ａｅ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｃ ｏ ｏ ｏ ｉ ｉ ｒ ａ ｒ ｕ ． ｅ ｅ ｐ ａ ｔ ａ ｉ ｔ ｆＯ ｓｐ ｏ ｅ ｙ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕｔ ． ｒ ｃｉ ｂ ｌ ｙ ｏ ＣＳ ｉ ｒｖ ｎ ｂ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｌ ｓ ｌ ｃ ｉ ｈ ｉ ｒ ｓ
＝
图 １给 出了光纤 电流传 感器 的结 构原理 图， 源 （ 光 激 光器） 发出的基本光 强为 ， 光束 经过起 偏器 后成 为线 偏
，
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光纤电流传感器（OCT）的研究论文摘要电流测量是电力系统运行的基本条件,从发变电到控制保护,无不出现对电流量值的要求。
随着电力系统输电电压的日益提高、传输功率的不断增大,传统的电流计量设备愈来愈显示出其局限性,主要表现在其性能价格比随电压等级的提高越来越低。
生产的发展导致了对新型电流测量装置的要求。
光纤传感器作为七十年代以来逐步发展成熟的一种新型传感技术,自其问世之日就显示出巨大的优越性,其良好的电气绝缘性能、卓越的抗辐射能力及极快的频响等特点都为其在电力系统中的应用提供了潜在的可能性,但其输出信号幅值较小、光路设计和制造复杂又限制了其广泛应用。
随着现代光学材料加工工艺水平的提高、集成光学技术的不断进步及计算机在电力系统的日益广泛应用为光纤电流传感器的应用提供了巨大的可能性。
本文将对目前光纤电流传感器(ＯＣＴ)的研究和应用情况进行探讨。
关键词:光学电流传感器,传感头,Faraday效应,结构设计,信号检测,性能分析.Research of the Optical Current SensorABSTRACTOptical current transducer(OCT) This paper introduced principle of a new current measuring system based on Faraday effect,optecal current transducer,whose principles differ from those of conventional. With the development of optical_fiber technology, OCT is used more widely. Briefly OCT is excellent in such aspects as control of electromagnetic Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌ＿ｆｉｂｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔ’ｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ,ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｓｍ＿ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｏｐｔｉｃａｌ＿ｆｉｂｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ;Ｆａｒａｄａｙｍａｇｎｅｔｉｓｍ＿ｐｈｏｔｏｅｆｆｅｃｔ;Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ第一章选题背景§1.1研制光学电流传感器的意义由于电力工业的快速发展，传统的电流测量设备已经越来越不能满足要求。
传统的电流测量设备，电流互感器和电压互感器是应用电磁感应原理，其自身的测量机制决定了他们在高压下以及超高压下，存在绝缘困难，易发生爆炸，测量范围和测量精度受到限制以及电力系统故障状态下易饱和等缺点。
而光纤电流传感器技术的快速发展，特别是其良好的电气绝缘性能，耐腐蚀性好，频响极快等有点使其具有极大的研究和应用前景。
但同时，现阶段由于其输出信号幅值较小，光路设计和制造工艺复杂，成本高等这些弱点又限制了其大规模应用。
随着现代光学器件和新光纤材料和结构的研究和应用，以及光纤处理技术的发展和新的检测技术的运用，为光纤电流传感器的应用提供了广阔的前景。
随着工业技术的发展，输电网络工作电压的日益提高，对高精度，高范围以及安全可靠的新型电流传感器的需求在增多，对光纤电流传感器的研究，将在全光纤电流传感器，光学玻璃，光电混合，光纤光栅，磁场传感等多个方向展开。
光学电流传感器(ｏｐｔｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ,简称ＯＣＴ)是以法拉第磁光效应为基础的,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磁场的作用而发生旋转的角度来确定电流的大小。
与传统的电流互感器(ｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ,简称ＣＴ)相比,ＯＣＴ有许多优点:(1)不含油,无爆炸危险;(2)不含交流线圈,在故障电流下不饱和;(3)不含铁芯,无铁磁共振和磁滞效应;(4)抗电磁干扰;(5)体积小、质量轻、易安装;(6)与高压线路完全隔离,运行安全可靠;(7)测量带宽宽、准确度高。
因此,ＯＣＴ必将逐步代替传统的ＣＴ,具有很高的经济价值。
§1.2光纤电流传感器研究新进展早在1894年,在Michael Faraday发现磁光效应49年之后,就有人提出用光学原理测量电流的想法[1],但光学(含光纤)电流传感技术的发展主要还是自本世纪七十年代开始的。
通常光学电流传感器可分为四个类型:全光纤型;块状光学材料(块状光学玻璃或钇铁石榴石简称YIG)型;混合型和磁场传感器型。
它们各自的优缺点及面临的问题已在较早的综述文章中予以阐述。
限于篇幅,本文仅介绍全光纤电流传感技术的研究进展。
全光纤电流传感器始终是光学电流传感技术研究领域所关注的主要方向之一。
使其实用化的关键问题是如何克服光纤内存在的线性双折射对系统性能的不良影响。
为此,自70年代以来已提出了近十种方案,其中包括“退火光纤”、“扭转光纤”和“干涉仪”方案。
自1994年以来,此研究在光纤处理技术、新结构光纤及新材料光纤方面均取得了一些新进展。
§1.2.1技术改进§1.2.1.1 光纤处理技术新进展为了抑制光纤中的线性双折射,曾分别提出用扭转光纤[4]或退火光纤[5]制作电流传感头的方案。
其中扭转光纤可显著减小由光纤中剩余应力及几何非对称性引起的内在线性双折射;退火处理可明显降低光纤中存在的弯致线性双折射。
最近Rose等人将这两种方法结合起来,将扭转过的光纤再经退火处理后用来制作电流传感头,使灵敏度与温度稳定性均获得明显改善,实验所得归一化灵敏度高达99%以上,温度稳定性达1.3³10-4/°C。
该报告同时报道了对该技术方案的理论分析。
§1.2.1.2 利用倒易性消除线性双折射设计新方案线性双折射具有倒易性,Faraday效应则是非倒易的。
二者间的这种差别可用来消除线性双折射的影响。
Fang小组近来采用强度型倒易非敏感结构(IRIS-based)光路设计 (图1),该设计全部采用光纤器件及低双折射光纤实现,与普通低双折射光纤传感系统相比, 系统对线性双折射及传输损耗的敏感性降低20倍。
在采用旋制光纤(spunfiber-based)的传感系统中,需与其它辅助技术诸如波长控制技术与极-零点消除(pole-zerocancella-tion)技术联用,以消除强度-偏振耦合效应。
仿真结果表明此技术可使传感器的稳定性趋于最大。
§1.2.1.3 干涉仪检测方案由电流感应产生光波偏振面偏转即Faraday效应可描述为电流导致的圆双折射变化或相位变化,该变化可用干涉仪检测。
其中Sagnac干涉仪具有下列优点:可采用简单的全光纤结构而不必使用偏振片,对输入光无偏振要求,可用于低相干光源。
更重要的是利用其具有共模抑制作用的结构可使其不受任何具有倒易性的因素,诸如光强改变、输入偏振态改变、弯致线性双折射及扭致圆双折射等的干扰,检测出具非倒易性的Faraday效应。
干涉仪与外差技术结合可使系统具有三个量级的动态范围,并可排除各种低频干扰。
但温度变化产生的圆双折射变化对某些干涉仪系统的影响仍是尚待解决的问题。
典型的Sagnac干涉仪的两个响应函数可分别表示为R1(I)=sin2(μVNI)和R2(I) =cos2(μVNI),其中μ为光纤的磁导率,V是光纤的菲尔德常数,N是围绕载流导体的圈数,I是待测电流的强度。
然而对于小信号检测(干涉仪用于检测Faraday效应即如此)而言,这两个响应函数的斜率均趋于零且具有明显的非线性;同时由于它们都是电流的偶函数,在检测响应函数超过半个周期的大信号时输出不再具备单值性。
为克服这些问题,Veeser和Day在1990年将带有光纤耦合器的Sagnac干涉仪引入到电流传感技术之中。
由此引进的三个响应函数分别为R1(I)=49cos2(μVNI-π3)、R2(I)=49cos2(μVNI)R3(I)=49cos2(μVNI+π3)。
从而将系统的工作点移到了第一、三个响应函数斜率达最大值的87%(零电流时)且相对变化的位置,系统的线性也得到显著的改善。
然而近来的理论分析表明[17],其响应函数依赖于注入耦合器的光的偏振态。
对于无损耗零双折射的系统,仅当输入光为圆偏振时才能获得相差120°相移的三个响应函数。
当输入线偏光或去偏光时,其相移变成180°并在小信号处产生零斜率。
不仅如此,两信号还会退化,使其表现与采用2³2耦合器的系统类似,从而失去了采用3³3耦合器所预期的优越性。
文献[14]在带有3³3光纤耦合器的Sagnac干涉仪的传感光纤环的两端分别加入一个光纤四分之一波片,以保证注入圆偏光,并用仿真方法分析了四分之一波片、传感环中的线性双折射及事先扭转光纤产生的圆双折射的影响。
其不带有任何有源或无源温度补偿装置的实验结果显示出优于偏振检测方案或普通Sagnac干涉仪方案的温度稳定性。
Frosio等人首次提出了一种所谓“串联式Sagnac干涉仪(in-lineSagnacinterferometer)”方案[18],其实质为半Sagnac干涉仪方案,其原理如图2所示。
两个互相正交的线偏光注入高双折射光纤的两个双折射轴后,每个线偏光在往返过程中分别利用了不同的两个光轴,致使二者总光程完全相同。
在经过1/4波片后,每个线偏光都成为圆偏振光。
若在波片与反射镜间存在Faraday效应,则圆偏振光间将产生非倒易性相位差。
于是经过一次往返之后,每个输出线偏光都经历了两次Faraday效应并产生4ΦF的相移。
这里ΦF=VNI为N圈光纤产生的Faraday偏转。
光纤及光纤元件中的线性双折射的影响则在线偏光往返传输过程中因其具备的倒易性而互相抵消掉。
用40A电流所做的实验获得了0.015A/Hz的噪声电流。
该值为理论计算所得散弹噪声值的20倍。
该实验也显示了很好的稳定性。
作者给出了对此系统的理论分析,并分别考察了高、低相干光源对系统性能的影响。
Blake等人则进一步研究了机械振动、环境温度变化、实用偏振调制器的不完备性、四分之一波片的不完备性、传感光纤中双折射等对采用“串联式Sagnac 干涉仪”方案系统的影响及克服的办法。
实验结果显示其精度超过0.3%,动态范围大于105,系统噪声为0.3A/Hz,该值已十分接近Sagnac干涉仪的散弹噪声限。
理论与实验研究的结果表明:该设计除了保持了偏振检测方案及Sagnac 干涉仪方案的共同优点之外,与Sagnac干涉仪相比,其灵敏度增加了一倍、显著地降低了传导光纤对振动与温度变化的敏感程度、并减少了所用的光学元件的数量。