光纖電流傳感器

光纖電流傳感器的討論新進(jìn)展一、流傳感器的基本原理依據(jù)Faraday磁光效應(yīng)，在被測電流產(chǎn)生的磁場作用下，光學(xué)介質(zhì)中沿磁場方向傳播的線偏振光的偏振方向?qū)l(fā)生變化，偏振角的變化，全HdL,式中'為Verde'常數(shù)，H為磁場強(qiáng)度?'為光線走過的路徑。當(dāng)介質(zhì)中的光路形成圍繞載流導(dǎo)線的閉合環(huán)路時(shí)，依據(jù)安培環(huán)路定理，O=VKI,k為比例系數(shù)，I為電流強(qiáng)度，這是Faraday磁光效應(yīng)光學(xué)電流傳感器的理論基礎(chǔ).常用的測量Faraday型光學(xué)電流傳感器輸出線偏光偏轉(zhuǎn)角的方法是正交偏振測量法，即用Wollaston棱鏡做檢偏器，線偏光經(jīng)過電流傳感元件輸出后，被Wollaston梭鏡分成兩束偏振態(tài)相互垂直的線偏光，兩束光的強(qiáng)度被分別檢測出來并進(jìn)行如下運(yùn)算:S}-(11-12)/(11+12).Wollaston棱鏡起偏器偏振方向的夾角為45'時(shí)，1=AIA[l-sin24z1.12=AuA[l+sin24;],所以，5=(11-12)/(11+12)=sin2lo當(dāng)法拉第偏轉(zhuǎn)角It比較小時(shí)，輸出信號(hào)正比于輸出線偏振光的法拉第偏轉(zhuǎn)角。即X24,。以上是理想狀況下的結(jié)論。假如在傳感元件中存在線性雙折射d,上述檢測系統(tǒng)的輸出信號(hào)則成為5=(11-12),(11+12)=2,bsin石兀百石了，石萬面，.上式可知.線性雙折射可明顯的降低系統(tǒng)的靈敏度和輸入與輸出之間的線性關(guān)系。不僅如此，由于線性雙折射與溫度，壓力等諸多因素有關(guān)，致使傳感頭的測量靈敏度易受工作環(huán)境的影響，因此顯著的降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，對(duì)于用光纖做敏感元件的電流傳感器而言，如何消退線性雙折射的影響，己成為研制開發(fā)光學(xué)電流傳感器中的核心問題。二、纖電流傳感器討論新進(jìn)展光纖電流傳感器是一個(gè)集材料科學(xué)、維光學(xué)、微電子學(xué)、電氣工程、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)等學(xué)科于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，這就注定了它的研制是一項(xiàng)技術(shù)難度大、協(xié)作配套廣的學(xué)問密集型項(xiàng)目。故對(duì)其理論的深層次討論以及開發(fā)并解決產(chǎn)品有用化的問題始終是大家努力的方向。新型傳感材料的討論為了適應(yīng)光纖電流傳感技術(shù)進(jìn)展的要求，制造能克服雙折射效應(yīng)與提高光纖的Verde.常數(shù)相結(jié)合的特種傳感材料是必定趨勢(shì)。在最近的討論中，從前被忽視的順磁和鐵磁性材料由于其性能的提高又重新引起了人們的關(guān)注。在順磁材料中，弱磁半導(dǎo)體材料如福鎰蹄(Cd,.Mr4Tc)、汞鎰磅(Hg,..Mn.Te)等獲得廣泛討論，其中某些材料在肯定的合成方式下，對(duì)于某個(gè)特定的波長，其Verdet常數(shù)比Si02大1000倍.中科院西安光機(jī)所研制的MR-3,MR-4高Verdet常數(shù)磁光材料，其性能要常規(guī)的順磁材料優(yōu)越的多。在鐵磁材料中，用摻稼的憶鐵石榴石(Ga:YIG)制成的傳感頭可辨別效噪聲電流為200nA/Hz的微小電流，為高靈敏度傳感頭的制作供應(yīng)了物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，采用YIG的靈敏度溫度系數(shù)符號(hào)正好與i4鐵石榴石cm)相反的特性合成一種新材料Tb.YWFe5O12,假如x選為0.2左右，則該材料的Verdet常數(shù)與溫度無關(guān)。新型傳感器結(jié)構(gòu)的討論目前在傳感器結(jié)構(gòu)方面的討論主要集中在如何設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，最大限度地減小或消退線性雙折射的不利影響。光纖的線性雙折射可分為內(nèi)在線性雙折射和外在線性雙折射。其中內(nèi)在雙折射是由于制備光纖過程中引入的光纖的不完備性引起的，諸如纖芯的非圓度和光纖內(nèi)部非對(duì)稱性應(yīng)力引起。外在線性雙折射則是環(huán)境溫度，壓力，振動(dòng)等因素變化引起的應(yīng)力雙折射。光纖中任何一種線性雙折射都會(huì)對(duì)光纖電流傳感器的測試性能造成極大影響。因此，如何減小或消退光纖線性雙折射及其影響，己成為光纖電流傳感器討論中的關(guān)鍵問題。人們提出了很多減小或消退光纖線性雙折射及其影響的方法，幾種有代表性的解決方法如下：在光纖中引入大量的圓雙折射來抑制線性雙折射法拉第效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是磁致圓雙折射現(xiàn)象，它可疊加在已引入的固有圓雙折射上，這樣就可以保持測量靈敏度。引入方法有兩種:一是沿光纖軸向扭轉(zhuǎn)己制好的光纖，缺點(diǎn)是受光纖自身強(qiáng)度限制，所引入的圓折射很有限;二是采納旋制單模光纖或旋制橢圓雙折射光纖，缺點(diǎn)是圓折射的大小極易受溫度的影響，致使這類光纖傳感器的性能隨環(huán)境溫度變化而變化，因而需要通過對(duì)溫度進(jìn)行檢測以便補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的電流測量值。采納將光纖匝退火的方法來消退線性雙折射其方法是將已繞制好的光纖匝加熱到800A9000C并保持24h.然后在幾天時(shí)間中將該高溫度漸漸降至室溫。該方法的缺點(diǎn)是在高溫退火處理過程中的光纖的愛護(hù)套層全被破壞掉，致使光纖易于損壞。(3)用幾何方法分別彎致線性雙折射在此方案中采用彎致雙折射來制成位相延遲器。經(jīng)過細(xì)心設(shè)計(jì)的光纖探頭的結(jié)構(gòu)與外形如圖3所示，在這個(gè)傳感元件中，將彎致線性雙折射被集中在一個(gè)四方形傳感元件的四個(gè)角。而四個(gè)臂則保-持平直的幾何外形，以求盡量減小彎致雙折射的影響。圖1采用分時(shí)起偏復(fù)用法測量電流的方案每個(gè)轉(zhuǎn)角都被細(xì)心地繞成半徑為10mm的環(huán)狀，每個(gè)環(huán)狀部分由三匝光纖組成。在這樣的光纖環(huán)中，彎致雙折射起的輸入線偏振光的兩正交重量之間的位相差為2：o由于四個(gè)角中線性雙折射產(chǎn)生的位相延遲恰為ZJT的整數(shù)倍，而光纖探頭的個(gè)臂圍繞待測電流形成閉合環(huán)路，它們不受線性雙折射的影響，故在輸出信號(hào)中只有法拉第旋轉(zhuǎn)。(4)用保偏光纖模式禍合法抑制線性雙折射的影響如上所述由于存在外界環(huán)境因素變化的影響，線性雙折射對(duì)偏振光的偏振態(tài)的作用也會(huì)轉(zhuǎn)變，因而使這些采納低線性雙折射光纖制作的電流傳感器的性能很難得到進(jìn)一步的改善和提高。反之，由外界引起的這些影響，包括Faxaday效應(yīng)，在高雙折射光纖中則會(huì)受到抑制.當(dāng)一根高雙折射光纖受到外磁場空間周期性的干擾時(shí)，原來注人該光纖并在其中以相互正交的兩本征模式之一傳播的線偏振光.由于F扣口day效應(yīng)會(huì)向另一個(gè)空置的本征模式禍合能量。當(dāng)該空間周期與這條光纖的拍長相吻合時(shí)，向空模禍合的能量最大。在這個(gè)系統(tǒng)中，一束線偏振光被注入一條橢圓芯高雙折射光纖之中，并在其兩個(gè)相互正交的本征偏振模式之一中傳播.兩個(gè)模式之間的消光比30dB.由Faraday偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的禍合到另一個(gè)模式的偏振光，可以用Gian—Tholnson棱鏡檢測出。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的輸出信號(hào)與所施加的電流成正比。由于這種傳感器的光纖內(nèi)的模式禍合系數(shù)對(duì)外加場的空間周期具有很強(qiáng)的依靠性，而該外加場又是在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先設(shè)計(jì)好的，因此這種傳感器對(duì)外界雜散電流場具有良好的抗干擾性能。(5)全面分析輸出偏振態(tài)法假如環(huán)境溫度僅在一個(gè)很小的范圍，比如5~01℃內(nèi)變化，則有可能用全面分析偏振態(tài)的方法，把輸出線偏振光中由電流引起的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變，與由溫度變化產(chǎn)生的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變分別開，所謂全面分析偏振態(tài)，是指同時(shí)測量出輸出光的偏振角與橢圓度，然后通過查表的方法來估價(jià)瞬時(shí)電流和溫度值.在這種檢測方案中.為了產(chǎn)生計(jì)算偏振角與橢圓度所需要的6個(gè)信號(hào).使用了3個(gè)W匕l(fā)laston棱鏡和一個(gè)含有6個(gè)探測器、并帶有一個(gè)偏振濾波器陣列的檢測陣列來得到被測信號(hào)，而探頭則用扭轉(zhuǎn)過的光纖或旋制光纖構(gòu)成。由于在扭轉(zhuǎn)或旋制的過程中在光纖內(nèi)引入了人量的圓雙折射，而圓雙折射又對(duì)溫度非常敏感.致使在光纖內(nèi)傳播的線性偏振光的偏振態(tài)隨外界環(huán)境溫度的變化而變化。由于由磁場導(dǎo)致的偏振角變化是疊加在由溫度引起的偏振態(tài)變化之上的，故不行能用偏振計(jì)把這兩種不同緣由引起的變化分別開。為了消退溫度波動(dòng)對(duì)圓雙折射的影響，系統(tǒng)中采納了一個(gè)后反射結(jié)構(gòu)，采納此系統(tǒng)已獲得了0」的測量辨別率。實(shí)現(xiàn)與光纖通信技術(shù)的結(jié)合，使傳感系統(tǒng)陣列化和網(wǎng)絡(luò)化光纖傳感技術(shù)與光纖通信技術(shù)相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和陣列化是光纖傳感技術(shù)的重要進(jìn)展方向，光學(xué)電流傳感技術(shù)也不例外.就光纖電流傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用而言，有專家預(yù)言，將來的電站將是“光纖化”的電站，光纖技術(shù)將可以用于電站中的測量、監(jiān)控、愛護(hù)、通信等各個(gè)方面。到目前為止，電力系統(tǒng)中大多數(shù)繼電愛護(hù)裝置都只能愛護(hù)安裝處的電氣量，繼電愛護(hù)的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍.這主要是由于缺乏強(qiáng)有力的通信手段。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合愛護(hù)，就要求每個(gè)愛護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息數(shù)據(jù)，這要求系統(tǒng)不但能“感”，而且能'傳”。明顯，基于光纖傳感技術(shù)的光纖電流傳感器，由于數(shù)據(jù)傳輸方面的便利性，在系統(tǒng)綜合愛護(hù)方面擁有寬闊的應(yīng)用前景。三、結(jié)論光纖電流傳感器有很多傳統(tǒng)的傳感器無法相比的特點(diǎn)，所以光纖電流傳感器的應(yīng)用前景非常寬闊，市場潛力巨