光电子
技术与信息Optoe
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反In
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on2002A
pr:
15
(2)
文献编号:zoD61231(2002)o
么003
不04
光纤电流传感器及其研究现状
李莉
武汉
理工大学张心天
武汉430070
摘要本文介
绍了
光纤电流传感器的分类及其测量原理光纤电流
传感器的研究
和实用化过程中的核心
间题同时介绍了
在这
些研究方面取得的新进展
关键
词光纤电流传感器线形双
折射光纤布拉格光栅
中
图分类号:
TP212;TN253文献标
识码:
A
Opt
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Bra
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ting
1引言
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
蚀性好频响极快等优点使其具有极大
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
2光纤电流传感器的发展现状及主
要问题
21光纤电流传感器分类
光纤电
流传感器o(CT
)分为两类即
电光磁
光型传感器(亦称Pasis
veOCT简称P
ocT
)辐
射内调制
型OCT
(亦称Aet
ive
OCT简称AOCT
)
收稿日期:
2001一
10一25l()辐射内调制
型OCT
(A
OC
T)
A
oc
T是将常规的电磁
式互感器感应信号
通
过光电转换方式传输感应信号至测量
和控制端进
行
二次信号
处理它因采
用发光二极管
而获得的长
期稳定性
和低成本等优点受到了
人们
的重视但
因
其未从根本上克服传统电磁式电流互感器
(CT
)的
缺点而只
是在高压绝缘性能方面有所改善
故总
体
上仍未能摆脱旧式cT
的束缚
(2
)电光磁光
型OCT
(p
OCT)
·
基于热度效应的温度
型光纤电
流传感
器
这是一种利用马
赫曾德尔干涉仪测量
的光
纤电
流传感器结构如图1所
示:
一根被覆铝金属
的单模光纤待测电流I直接通过铝被
覆层产生
热量为IRR为
铝层阻抗
测量臂的光纤在电流
的热效应作
用下温度升高长度
发生变化从
而
使干涉仪的两臂内两束
光的相位
不等
用这种相移
即可测电
流
该方法受光纤本身长期性能稳定可靠性及外
38
光电子技术与信息O
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及I;i
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n2002Apr:
15(2
)
界干扰等
因素的制
约比较严重这
使研究应
用未
能得以深
入近年来已难以
见到有关这方面的报
道Tl]
AL包
层
图1温度型
光纤电流传感器结构图
Fig1The
st
rueture
of
temper
ature(、
pt
ieifber
e
urre
n
tselisor
·
利用法拉
第磁光效应的电
流传感器
法拉第磁光
效应即磁场与
光相互
作用所产
生
的一种效应:
当线偏振光通过处于外磁场中的透
明媒质且光
的传播方向与外磁场方
向一致时线
偏振光
的偏振面将会发
生旋转其物理推导结论
是
线偏振光的旋转角正比
于外磁场沿
传播路径
的线积分即
。
一
关`
万d`
(1)
式中。o
为透
明介质的磁光
旋转率即vedret
偏振面旋转的角度;
z
为通过的路径;B为被测
电流在dl
处产生的磁场
如果将介质置于长直螺线内则上式变为
。=
吻
场Nc
l(2
)
肠和Nc
分别是光纤通过
螺线管的
次数
和螺
线管线
圈的匝数I是待测的电流强度当介质中
的光路形成绕载流导线的闭合或近似闭合的环路
时方程变为
闭合环路积
分
。
=
萝。”dl
(3
)
可知在闭合光路的条件下通过介质并
环绕
载
流导线的线偏振光的偏振角的变化与光
束所
围电
流成正比
这就
是法拉
第磁光效应的电流
传感
器的
理论基础阎
但只有当电流穿过
传感元件内部的
光学环路在传感
元件中
传播
的线偏振光的偏振
方
向保持
不
变时上式才能成立如果这一条件不被满
足则传感元件内光学环路的不同部分就会具有
不
同的测量灵敏度致使传感器总的结果受导线在传
感元件内部的位置以及由其
它电
流产
生的杂散场
的影响上式不再严格成立而由于存在光纤内在的以
及弯曲所致的线形双折射使上式所要的条件
不能满足所以对该类型的电
流传感器
而言其最
重要的间题是
如何消除线
形双折射
及其影响
法拉第效应
的
传感头可分为三种类
型:
电光
混合(集磁器)
型探头全光玻璃探头
和全光纤式探
头全光纤传感头
的优点
是光路简单
便于加工
但其输出灵敏度受
外界
温度光纤本身的双
折射及
入射偏振面的影响极大主要表现为:
〔1〕当用偏振
仪进行测量时由于光纤
的双折射使得入射偏
振光
的两个正交振动分量
之间产生了额外相差输
出光
变成椭
圆偏振光使得测量
的灵敏度降低a[]
而
且当
输出的光
变成圆偏振光时电流测量的灵敏度
为零勿由于线形双
折射
的存在探
头的灵敏度随
偏振方位
的改变
而周
期性变化
因为对
于不同
的入
射
偏振面传感器具有不同的测量灵敏度由于
光
纤的线形双折射使得不同偏振面的入射线偏振光
引入的位相
不同所以产生了以
上的结果卿
由于
应力引力的双折射分布随温度而改
变所以
传感器
的测量灵敏度
将随温度
变化而
漂移
冈
电光混合
ocT的特点在
于其加工
容易但
测量受被测物的相对位置影响很大
全光
玻璃
型
oc
T采用具有较高verlert
常数的整块光学玻璃作
探头这两种传感器(称为非功能型
传感器
)也会
受到以
下一些因素的影响:〔
1〕
用作光
学传感头的光
学玻璃要求有大的vedre
t
常数但通常oI/
越大
温度系
数越大
传感器的灵敏度随温度而变这就
存在一个温度补偿电路的设计依据
问题扩勿由
于光
束需要在探头内围绕载
流导体形成闭
合光路在此
过程中要采用全反
射由此引起“
由全反射
导致的
位相差”
的
间题输出偏振光的偏振态因此会发生
改变从
而影响全玻璃探头电
流传感器的检测
灵敏
度[5]
·
利
用磁致伸缩效应的光纤电流传感器
当将一块具有磁致伸缩特性
的
材料
置于磁场
中该材料的形状及尺寸将随磁
场的变化而
变化
磁致
伸缩
效应光纤电
流
传感器
一般把光纤
固定在
磁致
伸缩材料上磁
致伸缩材料伸缩将引起光纤
内的应
变利用光纤干涉仪即可检测出光纤内
应
变的
变化从而间接地测出被测的电流值
通
常它有下
列3
种结构形式:山
磁致
材料
圆
柱
体的圆周
上绕以光纤
(2)在磁致材料带或管
上
粘贴光纤(3)在光纤表面上涂或镀一层均匀的磁
致伸缩材料金属膜第1种情
况缠绕的光纤要比