1 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 2
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。 3
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 4
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=𝐸0𝑥𝑐𝑜𝑠(𝜏+𝛿01)
𝐸𝑦=𝐸0𝑦𝑐𝑜𝑠(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:
由式可知:当𝛿=mπ,m=0,±l,士2,时,为线偏振光；当𝛿=𝜋2+2mπ，m=0，士
1,士2时,为右旋圆偏振光；当𝛿=−𝜋2+2mπ，m=0，士1,士2时,为左旋圆偏振光；
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: 𝐸𝑥=𝑎1𝑒𝑖𝛼1 5
𝐸𝑦=𝑎2𝑒𝑖𝛼2 矩阵表示法就是用一个成为琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光: 𝐸=𝐸𝑥𝐸𝑦=𝑎1𝑒𝑖𝛼1𝑎2𝑒𝑖𝛼2=𝑎1𝑒𝑖𝛼11𝑎2𝑎1𝑒𝑖(𝛼2−𝛼1) 偏振光通过一个偏振器件之后,光的偏振态将发生变化。设入射光的偏振态表示为𝐸1=𝐴1𝐵1,经过偏振器件之后变为𝐸2=𝐴2𝐵2,则偏振器的线性变换作用可以用一个二行二列的矩阵来表示,即 𝐴2𝐵2=𝑔11𝑔12𝑔21𝑔22∗𝐴1𝐵1，
或者表示为: 𝐸2=𝐺𝐸1 称矩阵G为该偏振器件的琼斯矩阵,其表达式为 𝐺=𝑔11𝑔12𝑔21𝑔22
若偏振光依次通过N个偏振器件,每个偏振器件的琼斯矩阵为Gi(i=l,2,3,……,N),则出射光的琼斯矩阵表示为
𝐸𝑁=𝐺𝑁…𝐺2𝐺1𝐸1
利用偏振器件的琼斯矩阵,可以方便地算出偏振光通过偏振器件的出射光。 3) Faraday效应 1864年,法拉第发现,当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转,这种现象称为磁致旋光效应,通常又称为法拉第效应。其原理示意图如图1所示。 6
图1-法拉第效应原理图 法拉第效应的本质为磁致圆双折射,即圆偏振光经过法拉第效应后相位发生变化。因为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加,则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应,其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率之差。 2.2 实 验 为了研制小型紧凑的设备，很自然的选择是采用弯曲损耗不敏感光纤（BIF），同时在可见光波长范围内使用，便于降低光源的成本。BIF应用在电流传感器上时，存在与单模光纤一样的缺陷，即对磁场的不敏感。弯曲不敏感以及高的黄色光灵敏度可通过掺杂光纤，产生一个高度敏感的磁场传感器，采用BIF和CdSe量子点两种技术来实现。 我们测得的CdSe量子点掺杂BIF在633nm处的电流灵敏度为单模光纤的16倍。 3 实验过程及测量结果 为了开发的弯曲不敏感光纤，具有锗玻璃组合物的光纤预制件将被制作出来，其中MCVD技术中低折射率沟槽由硼掺杂预制件的制造过程中所形成。 CdSe量子点在预制件的纤芯掺入是通过制作含有硒化镉量子点的甲苯溶液（Sigma Aldrich公司，峰值吸收<=600纳米，在1.5ml溶液7.5毫克）中使用的溶液掺杂技术实现的。溶液掺杂工艺之后，随后进行浸渍预制件的干燥和附加玻璃层沉 7
积以减少掺杂剂的可能蒸发。该光纤被绘制为125μm，使用牵引塔的外径在2000℃。该光纤具有的折射率分布，如图2所示，通过使用弯曲参考技术其截止波长测量为约600纳米。 CdSe量子点掺杂光纤的弯曲损耗特性通过使用不同直径的1至18个圆环进行了测量。输入功率使用宽带白色光源，输出功率由光谱分析仪检测。光纤在633nm处通过不同数量的5mm半径圆环的弯曲损耗特性示于图3。掺硒化镉量子点BIF的平均损耗为0.47分贝/环。该光纤在不同半径的各个环处的弯曲损耗变化示于图4。这些结果均证明了掺CdSe量子点BIF的弯曲不敏感是相当不错的。
图2-CdSe量子点掺杂弯曲不敏感光纤的折射率分布。