磁光调制的特大高压交流电电流传感器设计-信息工程毕业论文

南京邮电大学通达学院 毕 业 设 计（论 文） 题目基于磁光调制的特大高压交流电电流 传感器设计 专业信息工程 学生姓名毛仁杰 班级学号09000313 指导教师沈骁 指导单位南京邮电大学光电工程学院 日期：2012年 11 月 26 日至2013 年 6 月 21日 摘摘要要 本文基于法拉第磁光效应，研究了基于磁光调制的高压交流电流传感器。首 先，对课题的相关原理进行进一步的研究，包括偏振光的基本概念、磁光效应、 交流磁光调制以及安培环路定理。其次，设计了电流传感器系统，包括系统的设 计与分析、系统各部分元器件的选取等。最后，研究了交流磁光调制大角度检测 方法和电流传感器的检测性能； 主要包括基于频谱结构图分析的大磁光调制角检 测和基于相对频谱分量幅度值分析的大调制角检测两种方法， 从而可以利用相关 技术实现大电流的检测。研究结果表明，基于频谱分析技术的信号处理方式，电 流检测范围没有上限，同时可以消除光吸收、光源功率波动及部分环境因素等造 成的误差，可以实现高精度大范围高压交流电的检测。 随着国家智能电网的改造和建设，电流电压等级不断提高，该技术将具有较 广阔的应用前景。 关键字：法拉第磁光效应；安培环路定理；正交反射型传感头；磁光材料 ABSTRACT BasedonFaradayeffect,magneto-opticalmodulationstudiedbasedon high-voltage AC current sensors. First, the relevant principles of the subject for further research, including basic concepts of polarization, magneto-optical effect, AC magneto-optical modulation, and Ampere. Secondly, the design of the current sensor systems, including system design and analysis, selected parts of the system components and so on. Finally, the study of AC modulation large angle optical detection method and the detection performance of the current sensor; mainly on a large spectral structure of the magneto-optical modulation angular detection and based on the relative values of the spectral components of a large amplitude modulation angle detecting two methods, which can make use of relevant technology to achieve high current testing. The results show that, based on spectral analysis of signal processing techniques, the current detection range is no upper limit, and can eliminate the light absorption, light source power fluctuations and some errors caused by environmental factors, can achieve high-precision detection of a wide range of high-voltage alternating current. With the national reconstruction and construction of smart grid, the current voltage level continues to improve, the technology will have broader application prospects. Key words:Faraday effect; Ampere; orthogonal reflection type sensor head; magneto-optical materials 目录 第一章绪论1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题发展现状.1 第二章磁光电流传感器理论基础6 2.1 光的偏振.6 2.2 磁光效应.7 2.3 交流磁光调制.9 2.4 安培环路定理.10 第三章电流传感器系统设计11 3.1系统的设计与分析11 3.2 传感器系统各部分元器件的选取.15 3.3 磁光材料的选取.17 3.4 总结.18 第四章电流传感器检测技术分析19 4.1 大磁光调制角检测技术.19 4.2 电流检测分析23 4.3 总结25 结束语26 致谢27 参考文献28 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章绪论 1.1 课题研究背景 总览电力行业百年的发展历史进程，电流传感器在电力测量保护、控制、监 控等方面发挥了重要的作用，以确保电源系统的的安全性和可靠运行，并取得了 显著的成效。 在中国，随着国家经济的大规模快速发展，在过去二十年，对电力的需求急剧 增加，电力系统的传输容量越来越大，电压等级为 500 千伏，并已发展到一个更 高水平。 传统的电磁式电流传感器越来越的呈现呈现出因工作原理导致的技术上 难以解决的困难，如 1： 1 随着电压等级的提高，增加保温困难，导致绝缘结构复杂，尺寸、重量大， 安装、运输不便，成本上升。 2 由于在一些较大的工作电流或故障电流的磁特性的限制下，可能会发生严 重的磁芯饱和，从而导致测量结果出现不能忽略的偏差，向电力系统传送误差信 息。 3 如果是在打开状态下的传感器输出，该输出将诱发高电压，可能会导致绝 缘不良或其他设备和工作人员危害的安全隐患。 4 当内部填充有矿物油的绝缘和冷却介质， 出现突然的故障 （如： 绝缘击穿） ， 可能会导致火灾，周边设备和工作人员造成潜在的爆炸危险威胁。 面对这些问题，今天在许多文章可以看到人们（如传感器厂，科研院所等） 来解决这个问题，并采取各种技术措施所作的努力。 另一方面，无论是从解决问题的方法，还是在更广泛的意义上的对科学和技 术的发展需要， 人们对于其他的电力系统电流测量方法的探索在不断继续， 例如， 通过加热的电流，微变效应，磁致伸缩效应，霍尔效应和法拉第效应的影响等， 测量电流。这些方法都有各自不同的使用条件和优缺点。 目前基于法拉第效应的光学测量方法经过二十年的广泛研究， 在国内和国外 领域有了充分的发展。法拉第于 1846 年发现，当平面偏振光通过（电磁线圈通 电）磁场的材料时，如玻璃，汽油等，光的偏振平面发生旋转 2。1970 年，美国 康宁公司开发一个传输损耗 20dB/km 的石英光纤，以促进目前实际研究的进展。 用激光光源，光学纤维和其他物质条件，人们立即看到基于法拉第效应光学 电流传感器（简称 OCT 光学电流互感器）巨大的技术优势和潜在的经济价值。 开始这种传感器的全球研究和开发。 1.2 课题发展现状 在光学介质中（例如光纤，光学玻璃，水晶等）光的强度，频率，波长，相 位和偏振状态，五个参数的变化的结果，称为调制参数，所以总共有 5 个类别的 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 2 调制方式的光纤传感器。就目前情况而言，有三种强度调制，相位调制，偏振调 制。 1 强度调制型强度调制型 OCT 图 1.1 是一个多模光纤的强度调制 OCT。 多模光纤涂覆在前面的的导电性金 属层（具有由测得的电流确定的厚度） ，在固定筒在纵向方向上的开槽金属涂层 光纤周围的恒定的直流磁场探头放置在圆筒形的永久磁铁或磁场， 并通过在涂层 中所测量的电流，根据法拉第左手定律，纤维的内侧或外侧的移动，纤维会略显 弯曲3。光源所激发的各波导模式在光纤中，光纤的微弯，引起衰减的导模，通 过检测光纤末端的导向模辐射模式转换， 从而发射的能量的变化的大小反映测得 的电流。由于被覆的金属层的厚度是有限的，这一方法仅适用于电流的测量。 图 1.1强度调制型 OCT 2 相位调制型相位调制型 OCT 相位调制的的光学的光纤传感器技术包括两个方面：首先，相位的变化会产 生光的的物理机制；其次，光的干涉技术。 图 1.2Mach-Zchnder OCT 干涉仪为基础的结构中， 传感光束和参考光束在两 个光纤传输中。传感臂工作原理可以基于磁致伸缩效应，光纤固定到磁致电阻材 料， 磁致伸缩材料的膨胀将导致在光纤应变的变化。 传感头通常有三种结构形式： 1）在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） 光纤表面或镀磁致伸缩材料上具有均匀的金属膜。此外，该金属可以被涂覆在纤 维表面上，使待测电流直接通过金属被覆层,利用电流的热效应使光纤长度发生 变化,从而改变了干涉仪两臂中光束的相位差。由于传感光束和参考光束在两个 光纤传输， 在光纤内的双折射， 温度， 振动， 弯曲等的干扰会影响传感器的性能。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 3 图 1.2基于 Mach-Zchnder 干涉仪的 OCT 图 1.3Fabry-Perot 干涉仪基于的 OTC 结构。是与图 2 相似，它也利用磁致 伸缩效应，但反射的参考信号和传感信号共用一根光纤，从而有效地抑制光纤双 折射，环境因素，如在传感器上的温度和振动的影响。有特别设计的信号处理系 统，可以抵消光源的不稳定,光源的反射光强信号的变化所带来的位移，该系统 具有高稳定性，分辨率，灵敏度，和比较大的动态范围。 图 1.3基于 Fabry-Perof 干涉仪的 OCT 图 1.4Sagnac 干涉仪为基础的 OCT 结构图。形成一个 22 光纤耦合器和螺 杆光纤 Sagnac 环组成的干涉测量电流通过这个环。 图 1.4基于 Sagnac 干涉仪的 OCT 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 4 目前，各种各样的干涉式电流传感器的主要问题是：光纤线性双折射随温度 变化引起的被测信号漂移。这是 OCT 一个主要实际的障碍，这应该应使线性双 折射降低到足够小的水平 4。 3 偏振态调制型偏振态调制型 OCT 它目前正在研究一类光纤电流传感器。在 OCT 中，偏振调制主要依靠磁光 法拉第旋转等效果人工旋光现象，实现电流测量。其基本原理是：一束线偏振光 通过磁光材料在磁场作用，其偏振面将发生旋转。旋转角度成正比的磁场强度 H 沿着偏振光通过材料路径的线积分 5,即 (1-1) 其中 V 是维尔德常数的材料，L 为光在材料中通过的路径。由于法拉第传感 头使用不同的材料，极化调制 OCT 技术分为两类：全光纤（或光纤传感型）和 混合型（或光学无源感应式） 6 (图 1.6) 图 1.5偏振态调制型 OTC 全光纤 OCT 是指传光和传感都采用光纤的 OCT。是仅由几匝光纤圈组成， 具有结构简单，灵敏度可按光纤长度进行调节等优点。由于较早提出的全光纤 OCT 的探索和研究，在光纤中的双折射，可能导致检测灵敏度下降，纤维本身 容易受到振动等外部干扰因素的影响，纤环状传感头直径不能太小，所以有空间 分辨率低的缺点，使得此 OCT 实际使用中遇到障碍。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 5 图 1.6Faraday 传感头的两种基本形式 为了解决这个问题，研究人员能够探索两个方面。 首先， 从光纤本身的特性， 解决双折射问题。 采取的措施如圆截面完善光纤, 消除应力影响、螺旋光纤等,以避免椭圆形变,尽量消除内部应力不均匀的影响, 或者设法使几何双折射与应力双折射能够正负相消 7 。 第二个是采取的措施如圆截面完善光纤,消除应力影响、 螺旋光纤等,以避免 椭圆形变,尽量消除内部应力不均匀的影响,或者设法使几何双折射与应力双折 射能够正负相消 8。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 6 第二章磁光电流传感器理论基础 2.1 光的偏振 光按照电磁理论可以分为非偏振光、偏振光和部分偏振光三大类。非偏振光 指的是光波电场矢量(磁场矢量)在空间无规则变化不显示任何方向特性的光。偏 振光指的是光波电场矢量方向在空间以一定规律变化， 矢量端点在空间具有规则 的轨迹的光。此外还有一种偏振状态介于两者之间的光，如果利用检偏器去检验 这种光，随着检偏器转动 0-90，透射光的强度交替呈现最大和最小，但强度的 最小并不是零，具有这种性质的光，叫做部分偏振光。部分偏振光可以看作非偏 振光同偏振光的叠加。 按照偏振光电场矢量的方向变化和场矢量分量幅度的大小， 偏振光可以分为 线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。当对着传播方向观察电场矢量变化时，矢量 端点的轨迹是线的时候，称之为线偏振光。线偏振光分为水平线偏振光、垂直线 偏振光和任意方向的线偏振光。 当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是圆的时候，这种 偏振光称之为圆偏振光。圆偏振光又分为两种:电场矢量按逆时针方向变化的是 左旋圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和 右旋圆偏振光在 x、y 方向上场分量的相位相差 90，幅度相等。 当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是(x，y)坐标系平 面上的椭圆的时候，这种偏振光称之为椭圆偏振光，电场矢量按逆时针方向变化 的是左旋椭圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋椭圆偏振光；当椭圆 偏振光长轴和短轴长度相等时，椭圆偏振光演化为圆偏振光。 对于偏振光可以用统一的数学表达式表示 9： （2-1） 其中： （2-2） 当、取不同值时，可表达不同偏振态如下： 水平线偏振光； 初相位为的垂直线偏振光； 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 7 偏转方向与 x 轴成角的线偏振光； 右/左旋圆偏振光； 右/左旋椭圆偏振光； 在弱导近似下，单模光纤中传输模式可分解为两个正交的线偏振模、 ，它们电场分别沿着 x、y 方向偏振，在完善的光纤中其相位常数， 两种模式简并。由于实际光纤的不完善性，简并被破坏，出出现模式双 折射。单模光纤中，x、y 方向上的线偏振模、相位常数，称之 为线双折射 10。 如果光纤对左旋和右旋圆偏振光有不同的相位常数，引起两圆偏振光有不 同的相位变化，称之为圆双折射。线双折射和圆双折射同时存在时，形成椭圆双 折射。 2.2 磁光效应 1811 年，法国科学家阿喇果（Arago）发现：当一束平行线性偏振光沿光轴 方向在石英晶体中传播时，其光振动平面会随着传播距离的变化而旋转，且是以 传播方向为转轴。由于石英晶体是单轴晶体，因此不可能是双折射，后来把这种 现象取名为旋光效应。把具有旋光效应的物质称作旋光物质。后来发现不只石英 晶体具有这种性质，某些溶液如：蔗糖、酒石酸溶液也有这种性质。 后来，又有人对这一现象原因作了解释：由于旋光物质和光都具有角动量， 当光在旋光物质中传播时就会得到其部分角动量而使自身的转动动能增加。 根据旋光效应中，光振动平面的旋转方向的不同，又可把物质划分为左旋物质 和右旋物质，其划分方法为：对着光的传播方向观察，当光振动平面沿顺时针方 向旋转时，该物质就为右旋物质。相反，当光振动平面沿逆时针方向旋转时，该 物质就称为左旋物质。 而法拉第磁光效应就是在强磁场的作用下，物质的光学振动平面才发生旋 转。在 1846 年，法拉第发现：当光在一些晶体中沿光轴方向传播，在方向与之 相同的强磁场的作用下，光振动平面在本来不具有旋光性的物质发生了偏转，即 线偏振光通过加有外磁场的物质时，其光振动平面发生了旋转，这种现象就被称 为磁光效应，或法拉第效应。这种现象原因是：物质的电子运动受到外磁场的影 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 8 响。图 2.1 给出了磁光效应原理图。 图 2.1法拉第效应原理示意图 虽然磁光效应与旋光效应的现象相似，但它们却有明显的区别： 首先，旋光效应是由物质本身引起的，与外磁场无关。而磁光效应必须在外 磁场作用下才能发生。 其次，在旋光效应中，对某一旋光物质而言，光振动平面旋转方向与光传播 方向的关系是一定的，如果光在该旋光物质中传输一段距离后又原路返回来，由 于传播方向不同、传播物质相同，往返过程中光振动平面旋转方向就会相反，总 的旋转矢量就为零。但在磁光效应中，光振动平面旋转方向与光传播方向是没有 关系的，也就是说，如果光在某物质中传输一段距离后又原路返回来，往返过程 中光振动平面旋转方向是相同的， 因此总的旋转矢量就为单向的两倍。 总的来说， 旋光效应具有互易性，而磁光效应不具有这种性质 11。 下面，从理论公式上来进一步说明法拉第磁光效应中各量之间的关系，线性 偏振光在磁光材料中沿光轴传播时，在与传播方向同向的磁场作用下，光振动平 面沿传播方向的旋转角度与磁场强度 H 的大小及光在物质中传播的距离 L 的 关系如式 （2-3） 上式中,H 为磁场强度， L 为光在磁光材料中传播的距离。 V 为磁光材料的维 尔德常数 （Verdet） ， 其物理意义为光振动平面在单位磁感应强度作用下通过单位 长度的旋转角度，且它容易受到外界因素的影响，如：温度、在其中传播的光波 波长等。所以，在使用磁光材料时要注意外界环境的温度，且使用不同波长的光 源时应选取维尔德常数不同的材料 12。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 9 如果磁场强度是均匀的且线偏振光传播方向与它的方向相互平行。 则式(2-3) 可以写为如下形式： （2-4） 如果知道物质的维尔德常数，测出偏振面旋转角和物质长度 L，则可由公 式(2-4)计算出外界磁场强度 H。若磁场强度 H 是由电流 I 产生的，则通过毕-萨 定律可求出 I 的大小。这就是法拉第效应电流传感器的原理 13。 2.3 交流磁光调制 根据马吕斯定律， 如果不计光损耗， 则通过起偏器， 经检偏器输出的光强为： （2-5） 式中，I0为起偏器的输入光强。若在两个偏振器之间加一个由调制线圈、磁光调 制晶体和低频信号源组成的交流调制器，则调制线圈所产生的正弦交变磁场 ，能够使磁光 调制晶体产生的振动面转角，称为调制 角幅度 14。此时输出光强为： （2-6） 由式（2-6）可知，当一定时，输出光强紧随变化，因为是受交变磁场 H 或信号电流控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为 强度调制，这就是磁光调制的基本原理。如图 2.2 所示。 根据倍角三角函数公式由式（2-6）得 （2-7） 当=90时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，由式（2-6）知输出的调制光强 15： （2-8） 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 10 图 2.2交流磁光调制示意图 2.4 安培环路定理 在真空的恒定磁场中，磁感应强度沿任一闭合路径的积分（即 B 的环流） 的值，等于乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和，即 （2-9） 这就是真空中磁场的环路定理，也称安培环路定理。 由式（2-9）可以看出，不管闭合路径外面电流如何分布，只要闭合路径内 没有包围电流，或者所包围电流的代数和等于零，总有。但是，应当 注意，的环流为零一般不意味着闭合路径上各点的磁感应强度都为零。 使用安培环路定理时，一般要求是稳恒电流的磁场，这样电流分布(磁场分 布)具有某些对称性，以便可以找到恰当的安培环路 L，使能积出，从而 方便地求解出。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 11 第三章 电流传感器系统设计 3.1系统的设计与分析 整个系统统包括光路系统和电路系两部分，系统包括三个主要部分：光源、 光学电流传感系统、 信号处理系统。 光学电流传感系统又包括： 自聚焦透 （GRIN） 、 偏振分束棱镜（PBS） 、块状玻璃传感头等，如图 3.1 所示。 传感头采用“正交反射型”结构，传感头中心空洞用于穿过电流导线。激光 器 LD 发出的光经过透镜 1 耦合进光纤后传输到另一端从自聚焦透镜（GRIN） 输出平行光束，平行光束通过偏振分束棱镜（PBS）后成为线偏振光垂直进入传 感头，在传感头中往返两周后从入射端输出，输出光含有调制角的信息被 PBS 反射后经过透镜 2 耦合进光纤传输到光电探测器（PD） ，PD 将光信号转换成为 电信号输入到信号处理单元进行滤波选频等信号处理。 信号处理单元如图 3.2 所示，将 PD 输出的电流信号经过滤波选频系统，分 别选出 1 次频谱分量（2） 、2 次频谱分量（4） 、4 次频谱分量（8） 、和 5 次频谱分量（10） ，将 2 次频谱分量的幅度除以 1 次频谱分量幅度可以用于检 测一般电流； 将5次频谱分量幅度除以4次频谱分量幅度可以用于检测特大电流。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 12 图 3.1电流传感器系统结构图 图 3.2信号处理单元 1 正交反射型传感头 与纯光纤光学电流传感器（OCT）相比，块状光学材料型电流传感器 （BGOCT）受双折射影响较小，可以采用具有较大 Verdet 常数的材料制作传感 元件，故系统灵敏度也较高。然而,为了将待测电流包围在闭合光路之内,这类传 感器不可避免的要采用反射结构。由电磁场理论可知,当入射角大于临界角时， 光矢量的两个正交分量即 s、p 分量在全反射后会产生一定的相位差，使线偏振 光的偏振态发生变化。这与光纤中双折射产生的效果是一样的，从而使传播中的 线偏振光转化成椭圆偏振光，致使传感系统在灵敏度、温度稳定性、振动稳定性 和抗外部杂散场干扰能力等方面的性能均受到不良影响。 为了克服反射相移的影 响， 国内外近年来已提出双正交反射方案、临界角反射方案和反射面镀膜保偏方 案，并形成了正方形、三角形、圆环形等多种结构形式。 由 Sato 等人提出的双正交反射型传感头原理：在光路中每个反射点处用两 次反射代替原来的一次反射，并使第二次反射光的 s、p 分量与第一次反射光的 s、p 分量恰好旋转 90，使两次反射产生的相移相互抵消，光路如图 3.3a 所示。 为了提高系统的灵敏度，本系统采用改进型的双正交反射型传感头，为使光束 在传感头中构成两个环路， 在光线的输出端用一个屋脊棱镜使输出光线的传播方 向改变 180，并间隔一定距离沿原路返回输入端,如图 3.3b 所示。这种双环路 结构不仅使灵敏度提高一倍，而且在一定程度上抵消掉了光路中的温度、压力等 因素所引起的但具有互易性的一些干扰。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 13 图 3.3a 玻璃块型光学电流传感头图 3.3b 屋脊型光学电流传感头 图 3.4 为双正交反射型传感头相位补偿的光学系统简图。入射光线经两个相 互垂直斜面（s1,s2）两次全反射，实现了光线的保偏偏折（相位差的几何补偿） 。 图 3.4相位补偿的光学系统简图 2 传感头的法拉第旋转角计算 下面我们推导偏转角与待测电流大小的具体数学表达式。 令电流沿 z 轴的正 向传输， 并将一尺寸为的方形玻璃传感器平放在 xoy 平面内,中心坐标(b,c)(b,ca) 如图 3.5 所示。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 14 图 3.5传感头所在直角坐标系 考虑到磁场强度的大小和方向后，可以将其写成矢量形式 17 (3-1) 式中为场点的矢径，则当光传播后16，引起的偏振面 旋转为 （3-2） 这样，可以通过积分求出在各光臂中偏振面的旋转角： 利用关系式 (3-3) (3-4) 在不考虑反射相差时，可以得到光在完成闭合环路后四条光臂的总的旋转角为： (3-5) 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 15 可见，总的旋转角仅受电流影响，这符合安培环路定理。本系统中光在传感头中 往返两圈，所以总的旋转角： (3-6) 3.2 传感器系统各部分元器件的选取 1 光源的选取 光源是传感器中的重要部件，本系统中激光器作为光源，它的性能将直接影 响传感器的质量，由于激光器的性能和用途多种多样，其划准分标也有很多，按 照工作物质的状态可分为：半导体激光器、气体激光器、固体激光器、液体激光 器。 系统对光源的结构和性能有以下要求： 1 光学电流传感器结构所限，要求光源体积小且便于与光纤耦合； 2 光源应提供足够的光功率使得探头输出光功率足够强便于检测； 3 光源有适合的波长，以适合系统特定的工作条件； 4 光源低噪声，在室温下能稳定连续的工作。 基于上述考虑，选取半导体激光器作为系统的光源，发光波长为 632.8nm，半 导体激光器具有体积小、 效率高、 发光功率稳定、 寿命长、 便于集成耦合等优点。 2 自聚焦透镜 自聚焦透镜又称梯度折射率透镜， 是指其内部的折射率分布沿径向逐渐小的 柱状光学透镜，具有准直、耦合、成像的功能。加上它圆柱状小巧的外形特点， 它是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。 自聚焦透镜利用了折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，其折射率变化由式 （3-7）表述。 （3-7） 式中，r 为自聚焦透镜中心折射率；为自聚焦透镜的聚焦常数。 聚焦：根据自聚焦透镜的传光原理，对于 1/4 节距的自聚焦透镜，当从一端面输 入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上。这种端面聚焦的 功能是传统曲面透镜所无法实现的。如下图 3.6 所示： 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 16 图 3.6自聚焦透镜聚焦原理图 准直：准直是聚焦功能的可逆应用。根据自聚焦透镜的传光原理，对于 1/4 节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会 转变成平行光线。如下图 3.7 所示： 图 3.7自聚焦透镜准直原理图 由图 3.1 所示，本系统中是用自聚焦透镜的准直功能来获得平行光。 3 偏振分束棱镜 系统中偏振分束棱镜(PBS)起到起偏器和检偏器的作用，其透振方向正交。 PBS 使入射光的 p 分量通过，反射掉 s 分量的光波，同时提取输出光的 s 分量送 入光电检测器处理。 本系统中的偏振分束棱镜要满足以下两个主要指标： 1 消光比是指通过偏振器后两正交偏振光的强度比，一般偏振分束棱镜的消 光比为。消光比直接影响光学电流传感器的灵敏度和稳定性，特别是 当消光比随温度变化时，将给测量带来较大的误差，选择 PBS 时，一方面要关 注消光比的大小，另一方面要注意消光比随温度的特性。为了提高检测的精度， 本系统要求的消光比不低于 10-4。 2 带宽是指偏振分束棱镜的使用波长。 本系统中激光器波长为 632.8nm,因此 所选的偏振棱镜带宽应包含此波长。 4 光电探测器 光电探测器在光学电流传感器中起着光电转换的作用， 其优劣直接关系到整 个系统的性能。 选择光电探测器的主要依据是可获得理想的电信号和所需的信噪 比等因素。 本系统对光电探测器的要求： 1 线性度好，按比例地将光信号转换为电信号； 2 灵敏度高，能对微小光信号响应并输出较大电信号； 3 响应频带宽，响应速度快，动态特性好； 4 暗电流小，低噪声。 综合以上要求，本系统选用 PIN 光电探测器，该探测器具有线性度高、响 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 17 应度高、响应速度快、暗电流小、温度系数小、性能稳定、价格便宜、使用方便 等优点。 3.3 磁光材料的选取 1 磁光晶体 BGO 晶体是一种优良的人工合成晶体，将纯度 5N 的和 6N 的分 料按 2:3 摩尔比混合，熔制成 BGO 多晶体，然后用改进的 Bridgeman 法生长出 大晶体。所获得的晶体具有良好的光学质量，无明显的生长缺陷如条纹、包裹物 等。BGO 晶体属立方晶系，它的结构由孤立的四面体和离子构成，与天 然的硅铋矿为类质同晶型体，无自然双折射和旋光性，显示了良好的光 学性能。BGO 晶体（）的饱和磁场为 0.4T，633nm 波长下，其 V 值为 31.36rad/(T.m), 温度系数为。比较适合做传感材料。 磁光晶体材料的优点： 维尔德常数值很大、 磁光效应中性能非常好。 缺点是： 硬度大，因而不易被加工成各种复杂形状。 2 磁光玻璃 非晶体材料主要指磁光玻璃材料，这种玻璃又可分为两类：反磁光玻璃与顺 磁光玻璃。 1）反磁光玻璃 这类材料包含有反磁性离子，如 Sb3+，Bi3+等，离子极化率很高，由于没 有固定的电子轨道磁矩，在外磁场作用下这些离子会形成与外磁场反向的磁矩， 故称反磁光玻璃。反磁光玻璃的维尔德常数 V 受温度影响相对较小，但其值也 很小，所以在磁光效应实验中很少用。 2）顺磁光玻璃 这类材料与反磁光玻璃的特性正好相反，它的稀土离子地顺磁性离子，如： 、等，这些离子具有固定的、长久的电子轨道磁矩和不成对的 4f 电子，在外磁场作用下，这些 4f 电子取向与外磁场方向相同，故称为顺磁光 玻璃。它的维尔德常数 V 受温度影响相对较大，特别是在高温时，但其值也较 大，通光性能优良，容易被加工成各种复杂的形状,还能用来制造光纤，因而在 磁光效应实验中经常使用。 在众多的光学玻璃中，SF57 玻璃是最佳选择，因为其费尔德常数比绝大多 数光学玻璃都大。目前普遍使用的还有重火石玻璃 SF6，其费尔德常数的温度系 数很小。表 3.1 给出了各种磁光玻璃与 BGO 晶体的磁光性能 18。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 18 表 3.1BGO 晶体与几种磁光玻璃的磁光性能（） 材料费尔德常数（rad/(T.m)） BGO31.35 SF5937.2 SF5834.3 SF5728.78 SF5625.29 SF119.77 从表 3.1 中可以看出，BGO 晶体具有较大的费尔德常数，在其可见光区其 费尔德常数比 SF57、SF56、SF1 都大，而且 BGO 晶体的温度系数较小 （） 。因此，BGO 晶体是一种优良的磁光材料，适合用来做电流传感 器的敏感元件，满足本传感器的要求，且上海硅酸盐研究所已经可以成熟生产该 产品，所以本系统将选用 BGO 晶体作为传感头的磁光材料。 3.4 总结 本章主要是关于传感器系统设计。 首先设计了电流传感器系统的整体结构和 信号处理单元；其次设计了双正交反射型块状玻璃传感头，该传感头无线性双折 射现象，采用 2 次光路环绕等方法，有效提高了电流的检测精度，并推导了磁光 调制角与电流大小的数学关系式；最后简要介绍了传感器系统对光源、自聚焦透 镜以及光电探测器的相关要求，详细介绍了磁光材料并选择 BGO 晶体作为传感 头的磁光材料。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 19 第四章 电流传感器检测技术分析 4.1 大磁光调制角检测技术 1 基于频谱分析的大磁光调制角检测 设传感头中间的高压电流信号为 0sin iit ，则产生的交变磁场，设光线围 0sin HHt 绕导线 2 周线偏振光的旋转角为 19： 0sin t （4-1） 经过 PBS 后的入射光强为 0 I ，材料的光强吸收系数为，光路总长为L， 令 L e ，则根据马吕斯定律及朗伯定律，接收光强为： 2 0 00 1 cos(2sin) sin 2 t III （4-2） 利用贝塞尔函数将公式（4-2）化简得到相对光强： 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 20 0020 n-1 0 1(2)cos2 n I IJJn t I （2 ）（4-3） 其中， 20 (2) n J 为第一类贝塞尔函数。 提取公式（4-3）中的直流分量（ 00 1(2)J）和频率为2n（n=1、2、3） 的一系列频谱分量，频谱分量的幅度即为前面系数的绝对值。 2 基于相对频谱分量幅度值分析的大调制角检测 以上频谱分析方法具有无角度范围限制的优点，但检测误差相对较大；为了 提高检测精度，可以利用以上方法得出调制角的大概范围，再利用两个频谱信号 幅度值的比值来精确确定调制角的大小，该方法可以消除部分误差、 光吸收、光源功率波动等因素的影响。下面将详细介绍这一方案。 将直流分量除以 2分量幅度，得到相对比值与调制角度的关系，如图 4.3 所示，该比值在 140 度范围内是单调增加的，因此可以用做 140 度以内调制 角度的检测，此时可以用作一般电流检测。 将 4分量幅度除以 2分量， 得到相对比值与调制角度 的关系， 如图 4.4 所示， 该比值在 140 度范围内是单调增加的，因此可以用做 140 度以内调制角度 的检测，此时可以用作一般电流检测。 将 6分量幅度除以 4分量， 得到相对比值与调制角度 的关系， 如图 4.5 所示， 该比值在 210 度范围内是单调增加的，因此可以用做 210 度以内调制角度 的检测，此时可以用作特大电流检测。 将 10分量幅度除以 8分量，得到相对比值与调制角度 的关系，如图 4.6 所示，该比值在 340 度范围内是单调增加的，因此可以用做 340 度以内调制 角度的检测，此时可以用作特大电流检测。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 21 020406080100120140 1 2 3 4 5 6 7 直流分量与2分量的相对幅度值 调 制 角 度0(deg） 直 流 /2 图 4.3直流与 2分量的相对幅度值与调制角关系 020406080100120140 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 相对频谱幅度值 调 制 角 度0（ deg） 4/2 图 4.4相对频谱分量幅度值与调制角关系 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 22 050100150200 0 1 2 3 4 5 相对频谱幅度值 调 制 角 度0(deg)） 6/4 图 4.5相对频谱分量幅度值与调制角关系 050100150200250300 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 相对频谱幅度值 调 制 角 度0(deg)） 10/8 图 4.6相对频谱分量幅度值与调制角关系 由图 4.3、4.4 比较可看出，两者检测最大调制角相等，大约为 140，但前 者相对幅度值变化比后者更加明显，所以灵敏度也更高，因此在检测较小电流的 时候可以选择较低频谱分量。 由图 4.4、4.5、4.6 比较可看出，用更高分量的频谱信号相除可检测出更大的 调制角，三种情况可以检测的最大磁光调制角分别为 140、210、340；在 测量调制角时，曲线上斜率大的区间处，灵敏度和精度较高，所以要根据电流的 范围选择用不同的频率分量比值。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 23 4.2 电流检测分析 由式（3-6）知，当 Verdet 常数单位取时，偏振光的旋转角 20： =2VI（4-4） 将式（4-4）代入式（4-3）得： 0020 n-1 0 1(4)24cos2 2 ini I IJVJVn t I （）（4-5） 选择表 3.1 中的 BGO 磁光晶体，其 Verdet 常数为 31.35，根据式 （4-5）中各频谱分量的幅度与电流幅度的关系，画出相对频谱信号幅度值与 电流的关系如图 4.7、4.8、4.9、4.10 所示。 00.511.522.53 x 10 4 1 2 3 4 5 6 7 直流分量与2分量的相对幅度值 电 流 幅 度 i0（ A） 直 流 /2 图 4.7直流与 2分量的相对幅度值与电流幅度关系 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 24 00.511.522.53 x 10 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 相对频谱幅度值 电 流 幅 度 i0（ A） 4/2 图 4.8相对频谱分量幅度值与电流幅度关系 01234 x 10 4 0 1 2 3 4 5 相对频谱幅度值 电 流 幅 度 i0（ A） 6/4 图 4.9相对频谱分量幅度值与电流幅度关系 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 25 01234567 x 10 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 相对频谱幅度值 电 流 幅 度 i0（ A） 10/8 图 4.10相对频谱分量幅度值与电流幅度关系 由图 4.7、4.8 比较可看出，两者检测最大电流的幅度相等，大约为 30KA， 但前者相对幅度值变化比后者更加明显，所以灵敏度也更高，因此在检测较小电 流的时候可以选择较低频谱分量。 由图 4.8、4.9、4.10 比较可看出，用更高分量的频谱信号相除可检测出更大 的电流，三种情况可以检测的最大电流幅度分别为 30KA、45KA、75KA；在测 量电流时，曲线上斜率大的区间处，灵敏度和精度较高，所以要根据电流的范围 选择用不同的频率分量比值。 由于 BGO 晶体的饱和磁场为 0.4T，在设计传感头的尺寸时应予考虑。根据 安培环路定理，载流直导线周围的磁场计算公式为：， 为导线电流， 为离导线的距离，当，时，则，即传感头每个边 长。 4.3 总结 本章基于磁光调制理论和频谱分析技术研究得出了高精度大范围的电流检 测方法。该方法可以将检测精度和检测范围相统一，做到高精度大范围电流的检 测。 具体来说： 本章介绍了基于频谱分析的大磁光调制角检测和基于相对频谱分 量幅度值分析的大调制角检测两种方案的的实施，用 Matlab 对公式进行仿真， 对仿真图进行分析，得出了该方案可以实现高精度大范围的电流检测，从而实现 了检测精度和检测范围的相统一。 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 26 结束语 本文第一章研究了光学电流传感器的现实背景及研究意义，在第二章中对系 统运用的原理进行了整理回顾。在第三章中对系统的结构、系统使用的器件进行 了介绍和分析。在第四章中对电流的测量过程和原理进行了介绍。 光学电流传感器技术正经历着一个向实用化发展的新阶段.结果使得光学电 流的测量技术从实验室到实际工程应用的距离不断地缩小由于这些光学玻璃传 感元件同时具有测量精度高，动态范围大以及频率响应宽的特性，因此，它们既 可以用在电力计量仪表中，又可以装在电力系统的保护装置上.从而使得发电， 供电系的检测和保护手段大大加强.由于这些元件具有体积小，重量轻，结构坚 固， 绝缘性能好以及制造成本低等优点，这就使它们在实际应用中有较强的竞争 能力 南京邮电大学通达学院 2013 届本科生毕业设计（论文） 27 致谢 四年的大学生活在这个季节即将划上一个句号， 而于我的人生却只是一个逗 号，我将面对又一次征程的开始。在这四年的求学生涯中师长、亲友给与了我大 力支持，在这个翠绿的季节我将迈开脚步走向远方，怀念，思索，长长的问号一 个个在求学的路途中被知识的举手击碎，而人生的思考才刚刚开始。感谢我教书 育人的老师，我不是你们最出色的学生，而你们却是我最尊敬的老师。大学时代 的老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神 氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受 了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了对待知识，走向社会的思考 方式。 感谢父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报；感谢同学在我遇到 困境时向我伸出援助之手，同窗之谊我们社会再续；感谢这段时间对我帮助给与 关怀的叔叔，阿姨，是你们让我看到了人间真情暖人心，激励我时时刻刻努力， 奋发向上，排除万难勇往直前。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开 始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、