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。