光纤电流传感器的调研

光纤电流传感器的调研

一种高度灵敏的小型光纤电流传感器

摘要

中文摘要部分：

随着电力系统的发展，传统的电流测量器件在现代电力系统中缺点越来越明显，如：传统电磁式互感器已经不能满足高压下大电流的检测需要，因此寻求合适的替代产品成为必然。与此同时，光纤传感技术在电流测试中优势逐渐增多，所以人们对光纤传感技术在电流测量中的运用更加重视。本文介绍的光纤电流传感器正是以光纤传感技术为基础的传感器件，器件以光纤作为传输媒质，用以法拉第磁光效应为工作原理的磁光材料作为传感元件，具有抗电磁干扰、重量轻、尺寸小、带宽大、信号传输方便、结构稳定、灵敏度高、可实现电流值的线性检测等特点，适用于电力系统中高压下的电流检测。但同时，由于光纤自身存在弯曲损耗，限制了小型化设备的发展。文章中简要介绍了光纤电流传感器的研究现状、现实意义和研究背景，详细论述了一种新型的高灵敏度小型光纤电流传感器，包括理论基础，实验过程和数据分析。最后得出结论，此高灵敏度的小型光纤电流传感器，在保持很高的抗弯曲能力的同时，可以达到更高的电流灵敏度。

关键词：光纤电流传感器，法拉第效应，弯曲不敏感光纤，双折射PACS：07.07.Df ，02.10.Yn， 03.50.-z，06.30.Gv

1 引言

目前，国外已有2000 千伏的输电线路投入使用，国内的电压等级也将继续提高。随着电压等级的大幅度提高，传统的电磁感应式电流互感器逐渐显露出它的局限性。首先是绝缘问题，电压的提高给绝缘带来了更大的技术困难，同时绝缘尺寸的加大又造成了互感器的结构更加复杂，体积和重量又随之增大，导致了运输、安装、调试、维修上的困难。其次是成本问题，电磁感应式电流互感器的成本随着电压等级的升高按几何级数增加。在这种情况下，以光电子为基础的光纤电流传感器向传统的测量方式提出了挑战，研制全新的电流传感器就成为必然。

目前为止，所研究光纤电流传感器的工作原理可以概括为四大类。

第一类是利用法拉第效应(Faraday Effect)测量电流；

第二类是利用磁致伸缩效应测量电流；

第三类是利用电磁感应原理(例如Rogwski线圈)测量电流；

第四类是利用光栅原理和集成光学技术测量电流。

具体采用的光路和电路也各不相同，有采用起偏器、检偏器测偏振角变化的，有采用Sagnac或Mach-Zehnder干涉仪测相位变化的，也有采用数模、模数转换技术测电流电压的等等。其中基于法拉第效应的光纤电流传感器是当前研究热点。

近几年间，国内外学者对光纤电流传感器的研究屡有成果。如：一种高度灵敏的小型光纤电流传感器的研制[1]；使用刻在保偏光纤上的长周期光纤光栅作为传感器解调器的一个简单光纤电流传感器[2]；基于双折射效应光纤布拉格光栅电流传感器[3]；基于改进相位调制反射式光纤电流传感器的设计[4]；光纤布里渊光纤电流传感器；复用干涉电流传感器；带有温度补偿的光纤布拉格光栅电流传感器等。

光纤电流传感器由于其具有的诸多优点，如重量轻、低成本、以及它们在日益发展的全光设备中的使用，吸引着全世界的研究人员。虽然灵敏度较低，但光纤电流传感器相对于块状玻璃电流传感器有显著的优势，它们不需要散装光学器件，允许简单拼接等。然而，由于尖锐的圆弧会造成大量的能量损耗，所有的光纤电流传感器均需要7.5厘米半径大小的绕组；同时，为了研制小尺寸的，使用方便的电流传感器，该光纤缠绕的环必须尽可能小。因此，现有的石英玻璃光纤未必适合制作小尺寸的器件。在这一点上，火石玻璃显示具有较弱的弯曲敏感度和相当于石英玻璃两倍的电流灵敏度，其缺点是与现有的光纤和网络不相容。为了达到相对更好的效果，我们研制了一种高灵敏度的小型光纤电流传感器，采用掺CdSe量子点的弯曲不敏感光纤（BIF），使其具有较高的抗弯曲能力同时，达到更好的电流灵敏度。

2 理论基础与实验过程

2.1 理论基础

1)偏振光

光是频率极高的一种电磁波,它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时,理论和实验表明,对光检测器起作用的是电矢量而不是磁矢量,所以只需考虑电场的作用,因此用电矢量来表示光矢量。

光波是横波,因此光波具有偏振性。就偏振性而言,光一般可以分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中,光矢量的方向不变,其大小随相位变化的光,这时在垂直于传播方向的平面上,光矢量端点的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中,其光矢量的大小不变、方向规则变化,其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢

量的大小和方向在传播过程中均规则变化,光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直、相位有关联的线偏振光来表示。

设光波沿z轴传播,则光矢量必然在垂直于z轴的xy平面上振动,则光波可以表示为:

E=E0cos(τ+δ0)

式中: τ =ωt−kz，δ0为初相位。

用分量的形式可以表示为:

Ex=E0x cos(τ+δ01)

Ey=E0y cos(τ+δ02)

Ez=0

其中δ01和δ02分别为x，y分量的初相位,不同的取值可表示不同的偏振态,令初相位差δ=δ01−δ02,化简公式可以得到:

+2mπ，m=0，士由式可知:当δ=mπ,m=0,±l,士2,时,为线偏振光；当δ=π

2

+2mπ，m=0，士1,士2时,为左旋圆偏振光；1,士2时,为右旋圆偏振光；当δ=−π

2

其他情况为椭圆偏振光。

2)琼斯矩阵

Jones矩阵为分析偏振光提供了一种简单的方法,它使用最简练的矩阵形式,进行最简单的矩阵运算,推算出,由偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态作用,而不必去追究其中每一过程的具体物理意义。

偏振光E的两个正交分量的复振幅为:

E x=a1e iα1