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西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于b g o晶体的光纤电流传感器研究 摘要 光纤电流传感器是一种集光纤传感技术、 光电技术、 非线性光学及信号处理技术等 多个学科的理论和应用于一体的新型传感器。 因其固有的特点和优势， 这种电流传感器 在电力工业中具有广泛的应用前景和良好社会经济效益。 传感材料的研究是光纤电流传感器中的一个重要问题。b g o 晶体是一种优良的电 光晶体， 近年来被大量用于光学电压传感器， 而将它用作电流传感器的研究却较少。 本 文通过理论分析和实验研究证实了 b g o晶体用于电流传感器的可行性，为利用一块 b g o晶体同时测量高压线上的电流和电压的技术奠定了基础。 本文的主要工作是在对 b g o 晶体的磁光特性进行了较深入研究的基础上，采用 b g o晶体作为传感元件，设计了一种基于法拉第效应的混合型光纤电流传感器，并对 其整体性能进行详细的研究。取得了以下研究成果: 首先，在理论分析 b g o晶体磁光特性的基础上，利用倍频法测量了不同工作波长 下b g o晶体的费尔德常数， 获得了与理论相符的实验结果。 同时根据b g o晶体费尔德 常数随波长的变化关系曲线，通过对该晶体吸收系数的测量，得出了其磁光优值曲线。 进而将 b g o晶体的磁光特性与光纤电流传感器常用的儿种磁光材料作了对比，结果表 明b g o晶体适合用于光纤电流传感器。 其次， 通过对传感器输出信号的特点分析， 设计了纯模拟电路和智能光电系统两种 光电检测与信号处理系统。 其中纯模拟电路探测处理系统己用于本文电流传感器的实验 研究。结果表明，该处理系统是完全可行的。 系统地讨论了基于 b g o晶体的光纤电流传感器的基本结构，并设计了一种闭合磁 环型的传感头。 在此基础上建立了一套实验系统， 对其性能进行了实验研究。 结果表明， 该系统线性良好、动态范围大，但存在一定的系统误差。 最后， 对产生系统误差的因素和消除方法进行了详细地分析和讨论。 对其中最主要 的反射相移误差， 在理论分析的基础上建立了其对电流传感器性能影响的数学模型， 并 对其进行了计算机仿真。 理论和实验都证明，基于b g o晶体的光纤电流传感器可以发展成一种性能优良的 实用传感器。 关键词:光纤电流传感器，b g o晶体，法拉第效应，费尔德常数，信号处理 * 西北丁业大学研究生创业种子基金 ( 批准号:z 2 0 0 4 0 0 6 2 )资助项日。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 i n v e s t i g a t i o n s o f o p t i c a l f i b e r c u r r e n t t r a n s d u c e r b a s e d o n b g o c r y s t a l ab s t r a c t o p t i c a l f i b e r c u r r e n t t r a n s d u c e r s ( o c t s ) a r e n e w - s t y l e s e n s o r s b a s e d o n t h e o p t i c a l f i b e r s e n s i n g t e c h n i q u e s , p h o t o e l e c t r i c t e c h n i q u e s , n o n l i n e a r o p t i c s a n d s i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s . b e c a u s e o f t h e i r n a t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d i n h e r e n t a d v a n t a g e s , o c t s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s a n d h a v e mo r e e c o n o m i c b e n e f i t s . i n v e s t i g a t i o n s o n t h e s e n s i n g m a t e r i a l s a r e v e r y i m p o r ta n t i s s u e s f o r o c t s . r e c e n t l y , b g o c r y s t a l a s a n e x c e l l e n t e l e c t r o - o p t i c m a t e r i a l h a s b e e n w i d e l y u s e d i n o p t i c a l v o l t a g e s e n s o r . h o w e v e r , t h e r e a r e f e w s t u d i e s o n u t i l i z i n g b g o c r y s t a l s f o r o c t s . t h e f e a s i b i l i t y o f u s i n g b g o c r y s t a l s f o r o c t s h as b e e n d e m o n s t r a t e d b o t h t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y i n t h i s p a p e r , w h i c h f o u n d t h e b as i s o f t h e t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g t h e c u r r e n t a n d v o l t a g e s i m u l t a n e o u s l y . t h i s p a p e r m a i n l y i n v e s t i g a t e s a h y b r i d o c t , w h i c h u t i l i z e s a b g o c ry s t a l a c t in g a s s e n s i n g e l e m e n t . f i r s t o f a l l , b a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s o f t h e m a g n e t o - o p t i c a l p r o p e r t i e s o f a b g o c r y s t a l , t h e v e r d e t c o n s t a n t s o f a b g o c r y s t a l a t d i ff e r e n t w a v e l e n g t h s a r e m e as u r e d b y e m p l o y i n g t h e d o u b l e f r e q u e n c y m e t h o d . a n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a g r e e w i t h t h e t h e o r e t i c a l v a l u e s . b y c o m b i n i n g t h e m e as u r e d a b s o r p t i o n c o e f fi c i e n t s w i t h t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e v e r d e t c o n s t a n t s a n d l i g h t w a v e l e n g t h s , t h e m a g n e t o - o p t i c a l f i g u r e o f m e r i t o f b g o c r y s t a l i s p r e s e n t e d . a d d i t i o n a l l y , t h e m a g n e t o - o p t i c a l p r o p e rt i e s o f b g o c r y s t a l a r e c o m p a r e d w i t h t h a t o f s o m e m a g n e t o - o p t i c a l g l a s s e s u s u a l l y u s e d f o r o c t s . t h e r e s u l t s s h o w t h a t b g o c ry s t a l s a r e s u i t a b l e f o r f a b r i c a t i n g o c t s . s e c o n d l y , b y a n a l y z i n g t h e o u t p u t s i g n a l s o f t h e o c t , w e h a v e d e s i g n e d t w o t y p e s s i g n a l - p r o c e s s i n g s y s t e m s : a p u r e a n a l o g e l e c t r ic c ir c u i t a n d a n i n t e l l i g e n t o p t o - e l e c t r i c s y s t e m. o f w h i c h , t h e p u r e a n a l o g e l e c t r i c c i r c u it h a s a lr e a d y b e e n u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s a n d t h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e s y s t e m i s f e a s i b l e . a d d i t i o n a l l y , a n o c t b a s e d o n t h e u s e o f a b g o c r y s t a l a s a m a g n e t i c f i e l d s e n s o r t o g e t h e r w it h a f e r r o m a g n e t i c c o r e w i t h a n a i r - g a p a s a f i e l d c o n c e n t r a t o r i s d e s i g n e d a n d e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e d . t h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e s y s t e m p o s s e s s e s a g o o d l i n e a r i t y a n d a l a r g e d y n a m i c r a n g e . h o w e v e r , t h e r e e x i s t c e r t a in e r r o r s b e t w e e n t h e m e a s u r e d a n d t h e r e a l v a l u e s . f i n a l l y , t h e o r i g i n s o f t h e e r r o r s a n d t h e m e t h o d s f o r o m i tt i n g t h e e r r o r s a r e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d i n d e t a i l . t h e i n fl u e n c e s o f th e p h as e s h i f t c a u s e d b y t h e r e fl e c t i o n , w h i c h a r e t h e m a i n r e s o u r c e s o f t h e e r r o r s , a r e t h e o r e t i c a l l y a n a ly z e d a n d n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d . t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e h y b r i d o c t b as e d o n b g o c rys t a l c a n b e d e v e l o p e d i n t o a p r a c t i c a l o c t w i t h g o o d p e r f o r m a n c e s . k e y w o r d s : s i o p t i 9 na l c a l f i b e r c u r r e n t t r a n s d u c e r s , b g o c r y s t a l , f a r a d a y e ff e c t , v e r d e t c o n s t a n t , p r o c e s s ing * s u p p o rt e d b y t h e p o s t g r a d u a t e s e e d s f o u n d a t i o n o f n o rt h w e s t e m p o l y t e c h n i c a l u n i v e r s i t y ( g r a n t n o z 2 0 0 4 0 0 6 2 ) . 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪论 1 . 1引言 在电力系统中，电流互感器是测量电流的重要器件， 其测量精度和可靠性直接与电 力系统的安全、可靠以及经济性能密切相关。 在电力发展史上，电磁感应式电流互感器 在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、控制和监视等起着非常关键的作用。 随着现代电力向高电压、 大容量方向的发展， 对在电力系统中起保护和监控作用的电流 互感器提出了小型化、自 动化和高可靠性的要求。 传统的电磁式电流互感器遇到了极大 的困 难和 挑战 1 1 . 2 1其中 最主要是绝 缘问 题，电 压的 提高 给绝缘技术带来更加复杂的， 甚至不易解决的困难;其次是体积庞大， 重量剧增，给生产、运输、 维护、防爆等带来 诸多困难 3 1 ; 此外， 传统的电 磁感应式电 流互感器的成本随电 压等级的提高呈指数规律 增加4 1 。因此，发展一种新型的高电 压大电 流测量系统已 成为迫切的需要并有着极大的 市场潜力。 所以目 前包括我国在内的世界各国都不惜花费大量的人力物力， 努力寻找更 为理想的高压大电流测量技术。 随着 6 0 年代激光及集成电路的出现以及 7 0 年代低损耗光纤的试制成功， 世界各发 达国家， 如美国、英国、日 本等都把精力集中到新型光纤电 流传感器 ( o p t i c a l c u r r e n t t r a n s d u c e r o c t )的研究与开发上，各自 制定了相应的实施计划，并取得了可喜的进 展。与目 前普遍使用的电 磁式电流互感器相比较， 集激光技术、 光纤传感技术和先进的 光电 信号处理等技术于一身的光纤电 流传感器的主要优点为3 - 2 7 . ( 1 ) 绝缘性能好， 造价低。电磁式互感器的高压线与二次线圈之间通过电磁藕合， 故结构复杂、造价昂贵。而光纤电流传感器所用材料主要是石英光纤，自 身为绝缘体， 结构简单，成本低廉，其价格随电压等级的增加只是略有上升。 ( 2 )不含铁芯，不存在磁饱和、磁滞效应等问题，因而测量线性度高、动态范围 大、频率响应范围宽、准确度高。 ( 3 )由光传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压端不存在因开路而产生的高压危 险，保障了操作人员的生命安全。 ( 4 )内部不充油，消除了常规电 流互感器易燃易爆的危险。 ( 5 )体积小，重量轻。以沈阳变压器厂互感器分厂生产的 l b 3 -5 0 0 ( wi )型电 磁式电 流 互感 器为 例， 重5 8 0 0 k g ， 外 形 尺 寸 为1 2 8 2 x 1 2 2 0 x 7 2 0 0 m m 3 ， 估 计同 样的 光 纤电 流传感器重约l 0 0 k g ， 尺寸也大大缩小。 这不仅 节省了 大量 贵重的 有色金属和绝缘 材料，也大大节省了运输和安装费用。 ( 6 ) 适应了电力保护和计量的数字化、自 动化以及光通信的发展趋势。 正是由于光纤电流传感器的诸多优点，因此它特别适用于高电压大电流的测量，能 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪论 1 . 1引言 在电力系统中，电流互感器是测量电流的重要器件， 其测量精度和可靠性直接与电 力系统的安全、可靠以及经济性能密切相关。 在电力发展史上，电磁感应式电流互感器 在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、控制和监视等起着非常关键的作用。 随着现代电力向高电压、 大容量方向的发展， 对在电力系统中起保护和监控作用的电流 互感器提出了小型化、自 动化和高可靠性的要求。 传统的电磁式电流互感器遇到了极大 的困 难和 挑战 1 1 . 2 1其中 最主要是绝 缘问 题，电 压的 提高 给绝缘技术带来更加复杂的， 甚至不易解决的困难;其次是体积庞大， 重量剧增，给生产、运输、 维护、防爆等带来 诸多困难 3 1 ; 此外， 传统的电 磁感应式电 流互感器的成本随电 压等级的提高呈指数规律 增加4 1 。因此，发展一种新型的高电 压大电 流测量系统已 成为迫切的需要并有着极大的 市场潜力。 所以目 前包括我国在内的世界各国都不惜花费大量的人力物力， 努力寻找更 为理想的高压大电流测量技术。 随着 6 0 年代激光及集成电路的出现以及 7 0 年代低损耗光纤的试制成功， 世界各发 达国家， 如美国、英国、日 本等都把精力集中到新型光纤电 流传感器 ( o p t i c a l c u r r e n t t r a n s d u c e r o c t )的研究与开发上，各自 制定了相应的实施计划，并取得了可喜的进 展。与目 前普遍使用的电 磁式电流互感器相比较， 集激光技术、 光纤传感技术和先进的 光电 信号处理等技术于一身的光纤电 流传感器的主要优点为3 - 2 7 . ( 1 ) 绝缘性能好， 造价低。电磁式互感器的高压线与二次线圈之间通过电磁藕合， 故结构复杂、造价昂贵。而光纤电流传感器所用材料主要是石英光纤，自 身为绝缘体， 结构简单，成本低廉，其价格随电压等级的增加只是略有上升。 ( 2 )不含铁芯，不存在磁饱和、磁滞效应等问题，因而测量线性度高、动态范围 大、频率响应范围宽、准确度高。 ( 3 )由光传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压端不存在因开路而产生的高压危 险，保障了操作人员的生命安全。 ( 4 )内部不充油，消除了常规电 流互感器易燃易爆的危险。 ( 5 )体积小，重量轻。以沈阳变压器厂互感器分厂生产的 l b 3 -5 0 0 ( wi )型电 磁式电 流 互感 器为 例， 重5 8 0 0 k g ， 外 形 尺 寸 为1 2 8 2 x 1 2 2 0 x 7 2 0 0 m m 3 ， 估 计同 样的 光 纤电 流传感器重约l 0 0 k g ， 尺寸也大大缩小。 这不仅 节省了 大量 贵重的 有色金属和绝缘 材料，也大大节省了运输和安装费用。 ( 6 ) 适应了电力保护和计量的数字化、自 动化以及光通信的发展趋势。 正是由于光纤电流传感器的诸多优点，因此它特别适用于高电压大电流的测量，能 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 够解决传统电磁式电流互感器难以克服的问题。并且，随着电压等级的升高， 光纤电流 传感器就越能显示出独特的优越性。 1 . 2光纤电 流传感器的 研究概况 利用光纤技术测量电流始于 2 0世纪 6 0年代，最早的一套装置是由美国发明的 t r a s e r 型电流传感器，以玻璃为脉冲传输通道， 它于1 9 6 3 年在俄勒冈的一家电力局 2 3 0 k v电网 上安装运行 1 3 1 o 2 0 世纪6 0 年代中期，s . s a i t o 等人基于磁光效应， 利用光 波导进行了超高压电力传输线电流的测量。这一时期为光纤电流传感器的兴起及理论、 方法的试验时期1 4 1 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代是光纤电流传感器的迅速发展时期。1 9 7 8 年美国学者以 t r a s e r ”型电流传感器为基础，通过改进设计，利用模数转换技术和 3 0 0 m 的低损耗 光纤实现了从现场到控制室的信号传输及显示。 这就是最早的有源光电混合式光纤电流 传 感 器 1 13 1 . 1 9 7 7 年 英国 电 力 研 究 中 心 的a . j . r o g e r s i 5 和a . m . s m it h 16 1 分 别 对 全 光 纤 磁 光电流传感器的原理进行了分析研究，在实验室对原理样机的研制获得了成功，并于 1 9 7 9年在发电 站试运行。1 9 8 0年以 块状晶体作为敏感元件，以光纤作为信号传输通道 的 磁光 式 光 纤电 流 传感 器 在1 2 0 0 k v的电 网 上 挂网 试 用1 7 ) ， 这 就是 最 早的 磁 光式电 流传 感器。 稍后， 德国的a . p a p p 等人对全光纤磁光式电 流传感器的原理、构成、 特性、 测 量以 及信号 处理等理论 和技术 进行了 专 题研究 1 8 。 这一时期， 由 于计算机 技术、 光电 子 技术、 光纤传感技术及光学器件都处于成熟阶段，为光纤电流传感器的深入发展提供了 客观条件，而高压工程和发电事业的发展越来越需要一种新型可靠的电流传感器的出 现， 这正是光纤电流传感器发展的直接动力。 该时期在这一领域研究成果最显著的是美 国， 其次为日 本和英国 1 9 1 美国以块状结构混合型磁光电流传感器的 研究为主体， 在磁光式光纤电流传感器的 传感探头结构、 温度影响的补偿、 信号处理、继电 保护、 监控、长期稳定运行等方面进 行了深入地研究，从 1 9 8 6年起取得了单相、三相电流计量与继电保护等性能指标测试 的 三 次 挂网 成 功， 动 态 范 围 在2 0 0 - 4 0 0 a ， 精 度 达 到土 0 .3 % 2 0 1 。 另 外， t . wc a a s e 还 用 电容器把 1 6 1 k v的电压信号变成电流信号，通过磁光式电流传感器测量电流，再间接 地测出电 压。以e . a . u l m e : 为首的课题组提出了一种有效消除温度引起的双折射的方 法， 对电 流测量中干扰影响的抑制和消除 起到了 积极的作用2 1 1 。 上述这些研究者在理论 和实用化方面的贡献， 加快了光纤电 流传感器的研究进程。 日 本的科学研究工作者对磁光式光纤电流传感器也进行了大量的研究和实验工作。 从1 9 8 1 年起， 在理论、 试验、 材料选择、 传感器结构等方面都进行了 独到的系统研究， 特别是在高压气体绝缘断路器 ( g as i n s u l a t e d s w i t c h g e a r , g i s ) 、 最佳光电功率匹配以 及解 决光纤远 距离传输时的 信号 功率衰 减等方面的 研究尤为 突出 2 2 1 。 在实用 化方 面的 研 究中，以 材料性能的研究成果最为显著， 先后得出s f 6 , s f 5 玻璃和y i g铁磁体等磁光 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 够解决传统电磁式电流互感器难以克服的问题。并且，随着电压等级的升高， 光纤电流 传感器就越能显示出独特的优越性。 1 . 2光纤电 流传感器的 研究概况 利用光纤技术测量电流始于 2 0世纪 6 0年代，最早的一套装置是由美国发明的 t r a s e r 型电流传感器，以玻璃为脉冲传输通道， 它于1 9 6 3 年在俄勒冈的一家电力局 2 3 0 k v电网 上安装运行 1 3 1 o 2 0 世纪6 0 年代中期，s . s a i t o 等人基于磁光效应， 利用光 波导进行了超高压电力传输线电流的测量。这一时期为光纤电流传感器的兴起及理论、 方法的试验时期1 4 1 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代是光纤电流传感器的迅速发展时期。1 9 7 8 年美国学者以 t r a s e r ”型电流传感器为基础，通过改进设计，利用模数转换技术和 3 0 0 m 的低损耗 光纤实现了从现场到控制室的信号传输及显示。 这就是最早的有源光电混合式光纤电流 传 感 器 1 13 1 . 1 9 7 7 年 英国 电 力 研 究 中 心 的a . j . r o g e r s i 5 和a . m . s m it h 16 1 分 别 对 全 光 纤 磁 光电流传感器的原理进行了分析研究，在实验室对原理样机的研制获得了成功，并于 1 9 7 9年在发电 站试运行。1 9 8 0年以 块状晶体作为敏感元件，以光纤作为信号传输通道 的 磁光 式 光 纤电 流 传感 器 在1 2 0 0 k v的电 网 上 挂网 试 用1 7 ) ， 这 就是 最 早的 磁 光式电 流传 感器。 稍后， 德国的a . p a p p 等人对全光纤磁光式电 流传感器的原理、构成、 特性、 测 量以 及信号 处理等理论 和技术 进行了 专 题研究 1 8 。 这一时期， 由 于计算机 技术、 光电 子 技术、 光纤传感技术及光学器件都处于成熟阶段，为光纤电流传感器的深入发展提供了 客观条件，而高压工程和发电事业的发展越来越需要一种新型可靠的电流传感器的出 现， 这正是光纤电流传感器发展的直接动力。 该时期在这一领域研究成果最显著的是美 国， 其次为日 本和英国 1 9 1 美国以块状结构混合型磁光电流传感器的 研究为主体， 在磁光式光纤电流传感器的 传感探头结构、 温度影响的补偿、 信号处理、继电 保护、 监控、长期稳定运行等方面进 行了深入地研究，从 1 9 8 6年起取得了单相、三相电流计量与继电保护等性能指标测试 的 三 次 挂网 成 功， 动 态 范 围 在2 0 0 - 4 0 0 a ， 精 度 达 到土 0 .3 % 2 0 1 。 另 外， t . wc a a s e 还 用 电容器把 1 6 1 k v的电压信号变成电流信号，通过磁光式电流传感器测量电流，再间接 地测出电 压。以e . a . u l m e : 为首的课题组提出了一种有效消除温度引起的双折射的方 法， 对电 流测量中干扰影响的抑制和消除 起到了 积极的作用2 1 1 。 上述这些研究者在理论 和实用化方面的贡献， 加快了光纤电 流传感器的研究进程。 日 本的科学研究工作者对磁光式光纤电流传感器也进行了大量的研究和实验工作。 从1 9 8 1 年起， 在理论、 试验、 材料选择、 传感器结构等方面都进行了 独到的系统研究， 特别是在高压气体绝缘断路器 ( g as i n s u l a t e d s w i t c h g e a r , g i s ) 、 最佳光电功率匹配以 及解 决光纤远 距离传输时的 信号 功率衰 减等方面的 研究尤为 突出 2 2 1 。 在实用 化方 面的 研 究中，以 材料性能的研究成果最为显著， 先后得出s f 6 , s f 5 玻璃和y i g铁磁体等磁光 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 材料的温度特性曲线。 英国、瑞典、意大利的研究者在理论、 材料及应用等方面也做出了重要贡献。 a . j . r o g e r s对单模光纤用于电流测量时双折射的影响进行了有效地分析2 3 1 . 例如 d.a j a c k s o n 基于 法拉 第 效应 用外 差 检 测 法 对电 流实 现了 高 精 度测 量 2 4 1 ; s . d o n a i 对 光 纤电 流 传感器的结构特性进行了综合分析和仿真; z . b . r e n 等利用复合光路的方法在消除双折 射对光纤电 流传感器的影响方面作了大量的工作。 我国对光纤电流传感器的研究起步较晚， 1 9 8 2 年在上海召开了激光工业座谈会， 为 磁光式电流传感器研究立项。 次年组建了水电部电力科学研究院电测所与清华大学合作 研制光纤电流传感器的课题组。清华大学、华中理工大学、机电部等 2 6所单位在理论 和实验方面都进行了一些探索，开发出了实用化的产品并进行了挂网运行试验。 清华大 学基于法拉第效应对光纤电 流传感器的关键材料及部件， 例如: 聚环结构、 方块状光学 材料结构、混合式光纤电流传感器的探测器和全光纤结构等，进行了范围较宽的研究， 取得一批有价值的成果。其中，应用块状光学材料作为传感头测量的结果表明，在 8 0 - 1 5 0 0 a的测量范围内 精度可达士 0 . 3 % 。 华中 理工大学与新会供电局共同 研制的电 流传 感器在 1 1 0 k v的高压、2 0 - 8 0 0 a电 流测量范围内，精度为士 0 .2 % 1 9 9 4 年通过了电力 部的科研成果鉴定。电科院、 中科院电 工所等单位都在光纤电流传感器的研究中起到了 推 动 作 用 25.291 文献资料表明，从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代末，混合型电流传感器的研究逐步向 实用化方向发展， 研究工作的重点集中在解决远距离信号传输时的功率衰减以 及噪声干 扰的消除 等问 题上;同时全光纤型电 流传感器则由 理想化模型向 着实验测量发展 5 如上所述，尽管国内外许多企业都在开发光纤电流传感器，并取得了可喜的进展， 但到目 前为 止均未见正规的光纤电 流传感器商品出 售。 从2 0 世纪9 0 年代起， 研究和实 验人员以 及各国的行政部门对光纤电 流传感器的优点认识更加清楚了， 开始或深入研究 光纤电流传感器的国家和人数日益增多。 1 .3磁光式电流传感器所存在的问题 磁光式电流传感器 ( m a g n e t i c o p t i c a l c u r r e n t t r a n s d u c e r , m o c t )是利用电 流的 磁 效应实现电流测量的。 本质上讲它是一种磁场测量方法。无论它的传感器如何不同， 但 其高压侧的信号和低压侧的仪表必须以光连接。 该传感器可以是直接的磁光效应， 也司 - 以是间接的磁光或电光调制。 磁光式电流传感器可以分为两大类: ( 1 ) 基于法拉第磁光 效应的mo c t ; ( 2 ) 基于磁致伸缩效应的m o c t 。 利用法拉第效应测量电流的检测系统 主要有两种类型:( 1 ) 全光纤型 ( 也称功能型) :单模光纤既是磁光介质也是光信号的 输入、 输出 通道;( 2 ) 混合型 ( 也称非功能型) : 传感头是由 光学玻璃等磁光材料构成 的闭合回路，光信号的输入、输出则利用光纤。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 材料的温度特性曲线。 英国、瑞典、意大利的研究者在理论、 材料及应用等方面也做出了重要贡献。 a . j . r o g e r s对单模光纤用于电流测量时双折射的影响进行了有效地分析2 3 1 . 例如 d.a j a c k s o n 基于 法拉 第 效应 用外 差 检 测 法 对电 流实 现了 高 精 度测 量 2 4 1 ; s . d o n a i 对 光 纤电 流 传感器的结构特性进行了综合分析和仿真; z . b . r e n 等利用复合光路的方法在消除双折 射对光纤电 流传感器的影响方面作了大量的工作。 我国对光纤电流传感器的研究起步较晚， 1 9 8 2 年在上海召开了激光工业座谈会， 为 磁光式电流传感器研究立项。 次年组建了水电部电力科学研究院电测所与清华大学合作 研制光纤电流传感器的课题组。清华大学、华中理工大学、机电部等 2 6所单位在理论 和实验方面都进行了一些探索，开发出了实用化的产品并进行了挂网运行试验。 清华大 学基于法拉第效应对光纤电 流传感器的关键材料及部件， 例如: 聚环结构、 方块状光学 材料结构、混合式光纤电流传感器的探测器和全光纤结构等，进行了范围较宽的研究， 取得一批有价值的成果。其中，应用块状光学材料作为传感头测量的结果表明，在 8 0 - 1 5 0 0 a的测量范围内 精度可达士 0 . 3 % 。 华中 理工大学与新会供电局共同 研制的电 流传 感器在 1 1 0 k v的高压、2 0 - 8 0 0 a电 流测量范围内，精度为士 0 .2 % 1 9 9 4 年通过了电力 部的科研成果鉴定。电科院、 中科院电 工所等单位都在光纤电流传感器的研究中起到了 推 动 作 用 25.291 文献资料表明，从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代末，混合型电流传感器的研究逐步向 实用化方向发展， 研究工作的重点集中在解决远距离信号传输时的功率衰减以 及噪声干 扰的消除 等问 题上;同时全光纤型电 流传感器则由 理想化模型向 着实验测量发展 5 如上所述，尽管国内外许多企业都在开发光纤电流传感器，并取得了可喜的进展， 但到目 前为 止均未见正规的光纤电 流传感器商品出 售。 从2 0 世纪9 0 年代起， 研究和实 验人员以 及各国的行政部门对光纤电 流传感器的优点认识更加清楚了， 开始或深入研究 光纤电流传感器的国家和人数日益增多。 1 .3磁光式电流传感器所存在的问题 磁光式电流传感器 ( m a g n e t i c o p t i c a l c u r r e n t t r a n s d u c e r , m o c t )是利用电 流的 磁 效应实现电流测量的。 本质上讲它是一种磁场测量方法。无论它的传感器如何不同， 但 其高压侧的信号和低压侧的仪表必须以光连接。 该传感器可以是直接的磁光效应， 也司 - 以是间接的磁光或电光调制。 磁光式电流传感器可以分为两大类: ( 1 ) 基于法拉第磁光 效应的mo c t ; ( 2 ) 基于磁致伸缩效应的m o c t 。 利用法拉第效应测量电流的检测系统 主要有两种类型:( 1 ) 全光纤型 ( 也称功能型) :单模光纤既是磁光介质也是光信号的 输入、 输出 通道;( 2 ) 混合型 ( 也称非功能型) : 传感头是由 光学玻璃等磁光材料构成 的闭合回路，光信号的输入、输出则利用光纤。 4西北y - 业大学硕士学住论文 1 3 1 全光纤型光纤电流传感器及所存在的问题 全光纤型电流传感器实验装置简图如图i i 所示。这种传感器的优点是结构简单、 成本低、电绝缘性好。但由于传光与传感部分均采用光纤，所以光纤中的双折射效应使 测量误差大大增加，系统稳定性削弱。这是它至今尚未实用化的主要原因。光纤中的双 折射有两种：种是内部双折射，主要是由于光纤纤芯对接时的不对称和光纤内应力所 引起的；另一种就是外部双折射，主要是弯曲或挤压光纤造成的。光纤内双折射的存在 大大的降低了系统的灵敏度，使得系统精度易受环境温度和机械振动的影响。在研究全 光纤型电流传感技术的几十年里，研究主要集中在怎样减少测试系统中光纤双折射的问 题上。研究者们针对光纤中双折射的起因分别采取了很多措施，这些方法在一定程度上 减少了传感系统的双折射效应，并为全光纤电流传感器的发展提供了宝贵的思想。但是， 这些方法并不能完全消除双折射效应，有些甚至还会引入其它问题。因此要发展实用的 全光纤电流传感器还有很长的路要走“”j 。 目前，人们致力于寻找法拉第效应、线性和圆形双折射效应之间的区别，来消除系 统中的双折射效应。除此以外，研究者们还采用低双折射、低光弹系数的玻璃光纤来研 究基于法拉第效应的电流传感系统。最近新报道的两种全光纤型光学电流传感器都是采 用线性双折射的互易性来克服系统的双折射效应的3 0 o 图1 1 全光纤型电流传感器 图1 2 混合型光纤电流传感器 1 3 2 混合型光纤电流传感器及所存在的问题【3 0 3 2 1 这种电流传感器通常采用高v e r d e t 常数的光学玻璃或磁光晶体制成传感头，如图 1 2 所示。为防止杂散磁场的干扰，传感头出磁光材料构成一封闭的光路。出于传感头 西北工业大学硕士学位论文 5 不采用光纤，因此它不受光纤中存在的本征双折射及弯曲引起的线性双折射的影响，温 度双折射和应力双折射效应也都比较小。所以这种电流传感器的长期稳定性优于全光纤 型电流传感器，目前商品化的光纤电流传感器主要是采用这种结构。 这类传感器的缺点是传感头的加工较复杂，要求较高。研究过程中存在的问题主要 有两个：一是环境温度变化对传感器的影响；二是振动对传感器的影响。温度变化使磁 光材料的法拉第效应减弱，从而使传感器的性能发生变化( 信噪比降低、敏感材料的 v e r d e t 常数发生改变) ，而降低了传感器的灵敏度和稳定性。另外，周围环境中各种物 体的振动使测量系统的各环节间的相对位置发生变化，也会影响仪器的性能。 1 4 光电式电流传感器及所存在的问题 光电式电流传感器( o p t o e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e r ，o e c t ) 是一种基于光强调制 的电流测量技术。它是用感应线圈把母线上的电流转换成电压，同时在母线上采取偏置 电源，在两者的共同作用下，使l e d 发出受电流强度调制的光，由光纤传输至仪表端 利用p i n 进行光电转换和信号处理。传统的电流互感器( c u r r e n tt r a n s d u c e r ，c t ) 是将一 次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，而o e c t 则利用光纤将一次侧的电流信号传输 到低压侧的数据处理系统。o e c t 的具体测量原理如图1 3 所示。对电流采样采用铁心 线圈( 或空心线圈) ，然后将采样来的电流信号进行电一光转换，转换后的光信号通过光 纤传输到低压侧数据处理系统，低压侧系统利用光一电变换器再将光信号转换成相应的 电信号，由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低压侧的通信联系作用，又起到高、 低压侧的隔离作用。这一对矛盾的统一使得其性能优于传统的电磁式电流互感器。 母线 图1 3 光电式电流传感器( o e c t ) 结构图 光电式电流传感器高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行，由于高压侧 和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压侧的电源问题是o e c t 的一个难点。目前解 决电源的方法有以下几种：由母线上电流产生的电磁场感应而产生；由低压侧将电 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 不采用光纤，因此它不受光纤中存在的本征双折射及弯曲引起的线性双折射的影响， 温 度双折射和应力双折射效应也都比较小。 所以这种电流传感器的长期稳定性优于全光纤 型电流传感器，目前商品化的光纤电流传感器主要是采用这种结构。 这类传感器的缺点是传感头的加工较复杂， 要求较高。研究过程中存在的问题主要 有两个:一是环境温度变化对传感器的影响;二是振动对传感器的影响。温度变化使磁 光材料的法拉第效应减弱，从而使传感器的性能发生变化 ( 信噪比降低、敏感材料的 v e r d e t 常数发生改变)，而降低了 传感器的灵敏度和稳定性。另外，周围环境中各种物 体的振动使测量系统的各环节间的相对位置发生变化，也会影响仪器的性能。 1 .4光电式电流传感器及所存在的问题 光电 式电流传感器( o p t o - e l e c t r o n i c c u r r e n t t r a n s d u c e r , o e c t ) 是一种基于光强调制 的电流测量技术。 它是用感应线圈把母线上的电流转换成电压，同时在母线上采取偏置 电源，在两者的共同作用下，使 l e d发出受电流强度调制的光，由光纤传输至仪表端 利用p i n进行光电转换和信号处理。 传统的电流互感器( c u r r e n t t r a n s d u c e r , c t ) 是将一 次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧， 而o e c t则利用光纤将一次侧的电流信号传输 到低压侧的数据处理系统。o e c t的具体测量原理如图1 .3 所示。对电流采样采用铁心 线圈( 或空心线圈) ， 然后将采样来的电流信号进行电 一光转换， 转换后的光信号通过光 纤传输到低压侧数据处理系统， 低压侧系统利用光一电 变换器再将光信号转换成相应的 电信号，由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低压侧的通信联系作用，又起到高、 低压侧的隔离作用。这一对矛盾的统一使得其性能优于传统的电磁式电流互感器。 母线 图1 . 3 光电式电 流传感器 ( o e c t )结构图 光电式电流传感器高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行， 由 于高压侧 和低压侧没有电磁联系， 因此如何解决高压侧的电源问题是o e c t的一个难点。目前解 决电 源的方法有以下凡种: 由 母线上电流产生的电 磁场感应而产生; 由 低压侧将电 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧;在高压侧用电池解决电 源问题。 这几种方法各有优缺点， 从经济上和系统的易操作性上考虑，第一种方案较好。光电式 电流传感器方法简单，线性度好。 主要的问题是需要高压端的电源。 此方法是最早