（光学工程专业论文）光纤光栅内腔式法布里—珀罗电流传感器研究.pdf

摘要 光纤光栅内腔式法布里一珀罗电流传感器研究+ 摘要 电流互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的正常运行和电力的精确计量 有非常重要的作用。随着电力工业的发展，输变电电压等级不断提高，系统的测量和保 护精度要求不断提高，传统的电流传感器已经不能很好的满足电力工业的需要，新型光 电式电流互感器替代传统的电磁式电流互感器是必然的趋势。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。由于其具有电气绝缘性好，不受电磁场的干扰，无电源，体积小，灵敏 度高等固有的特点和优势，将成为传统电流互感器的最具优势的替代品。 本文针对目前电力工业对电流互感器的要求，在详细研究了国内外光纤电流传感器 发展现状的基础上，提出了一种新型光纤电流传感器方案。传感头的设计是基于磁致伸 缩效应，采用光纤光栅法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 干涉仪结构。通过在一根单模光纤 上制作两个参数完全相同的光纤布拉格光栅( f b g ) 作为f a b r y p e r o t 干涉腔的两个反射 镜，构成一个光纤光栅内腔式f a b r y p e r o t 电流传感头。该传感器不仅具有一体化光纤结 构的全部优点，而且采用了光强变化频率测量技术，和传统的光强测量技术相比，避免 了直接测量模拟信号带来的较大误差，使传感器系统具有较强的抗干扰能力和稳定性。 在光电信号检测方面，本文设计了传感器光电信号处理的电子线路。利用最新的数 字信号处理技术，实现了光强变化频率测量。在器件的选用、信号处理和软件算法等方 面都作了深入的研究，对光电转换、信号处理等各部分的组成和工作原理进行了详细地 分析和阐述，力求精简电路并提高测量精度。 在上述工作的基础对该光纤电流传感器系统进行了初步的实验研究，分析了实验系 统的测量结果和试验误差。利用实验中获得的数据画出了与理论值对比的输入输出特性 曲线，初步证明了该电流传感器系统的可行性。研究结果表明该传感器结构简单、灵敏 度高、价格低、输出特性良好、易于应用，对进一步的实用化设计和产品研制提供研究 基础。最后，针对系统中的不足之处提出了改进措旌，并对所做工作进行了总结。 关键词：光纤电流传感器，磁致伸缩，光栅光纤，f a b r y p e r o t 干涉，频率测量，信号处 理 西北工业大学研究生创业种子基金( 批准号：z 2 0 0 0 6 6 0 ) 资助项目。 a no p t i c a lf i b e rc u r r e n ts e n s o ru t i l i z i n gt w i nf i b e r b r a g gg r a t i n gf a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t e r 搴 a b s t r a c t a sv e r yi m p o r t a n te q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , c u r r e n tt r a n s d u c e r s ( c t ) p l a ya p r i m a r yr o l ef o rw o r k i n g w e l la n dc a l c u l a t i n gp r e c i s e l yi np o w e rs u p p l y i n gs y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , h i g h e rv o l t a g el e v e le m e r g e sc o n t i n u o u s l y , a n dh i g h e r a c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o n a r ed e m a n d e di n c r e a s i n g l y t h et r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rw a sn o ts e a s o n e dw i t hr e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n t i ti s a na b s o l u t et r e n dt h a tn o v e lp h o t o e l e c t r i cc ts u b s t i t u t et h eo l dc t o p t i c a lf i b e rc u r r e n t t r a n s d u c e r s ( o c t ) b a s eo nm o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n do p t i c st e c h n o l o g yw h i c hh a v e m a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r s o c th a v ea l r e a d yb e e na c c e p t e db ye l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g b e c a u s eo fa t t r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fa v o i de l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e ，s m a l lv o l u m e ，h i g h s e n s i t i v e ，h i 【g ha c c u r a c y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dw i d eb a n d w i d t h t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sd e s i g nan e wo c ts y s t e mb a s e do ns t u d yt h e i n t e r n a la n do v e r s e a so c ta tp r e s e n tp a r t i c u l a r l y s e n s eo r g a nw h i c hu t i l i z e st w i nf i b e rb r a g g g r a t i n gf a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e ri nas i n g l e m o d ef i b e r t h eo c ts y s t e m sn o to n l yp o s s e s s o ft h eg o o dq u a l i t i e so fa l l - o p t i c a lf i b e rs t r u c t u r e ，b u ta l s oa d o p tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yo fl i g h ti n t e n s i t y t h i st e c h n i q u ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e sf l u c t u a t i o n so fa m b i e n t c h a n g e sa n di n t e r n a lb i r e f r i n g e n c eo fo p t i c a lf i b e ra n da l s om a k e st h es e n s o re n t f f e l y - f i b e r , s t a b i l i t y ，b r i e f e c o n o m i c a la n da n t i - j a ma b i l i t yo f t h es e n s o rs i g n i f i c a n t l y a tt h ef i e l do fp h o t o e l e c t r i cs i g n a lp r o c e s s ，t h et h e s i sd e s i g n e dt h ee l e c t r o n c i r c u i t r y g a v et h ep r i n c i p l e so fc o m p o n e n ts e l e c t i o n ，p r e a m p l i f y ，b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t ，s i g n a l p r o c e s s ，a n ds o f t w a r ea r i t h m e t i cd e e p l y a d o p td i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g ya n dm a k e t h ee l e c t r o c i r c u i th a r d w a r ep e r f o r m a n c ea n d p r o f i c i e n c y t h ep r i m a r ye x p e r i m e n tw a sm a d eb a s eo nao c t s y s t e mo fl a b o r a t o r y f r o ma n a l y z e m e a s u r e m e n tr e s u l ta n dt h ee r r o ro fe x p e r i m e n t ，t h ed a t ao fe x p e r i m e n tc o i n c i d e n tt ot h e t h e o r yp e r f e c t l y c o r r e c t n e s so fa l lp r i n c i p l e sa n dd e s i g no ft h eo c ts y s t e mw a sp r o v e d t h i s o c ts y s t e mh a ds i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs e n s i t i v e ，l o wc o s ta n de a s yu s e p o s s e s s o f c o n s i d e r a b l er e f e r e n c ev a l u et oap r a c t i c a b l ep r o d u c td e v e l o pa n dd e s i g n i nt h ee n do ft h e t h e s i sp u tf o r w a r db e t t e r m e n tm e a s u r eo ft h eo c ts y s t e m t h er e s e a r c hi n t h i st h e s i si s e x p e c t e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st od e v e l o p m e n to ff a b r y p e r o to p t i c a lf i b e rc u r r e n t t r a n s d u c e r sa n dt oh e l pf o rp r a c t i c ep r o d u c td e s i g n k e y w o r d s ：o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r , m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c t ，f i b e rb r a g gg r a t i n g , f a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t e r ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，s i g n a lp r o c e s s i n g + 弛s u o o o p p o 。r t 弼e d b y t h ep o s t g r a d u a t es e e d s f o u n d a t i o n ? 曲”鲥“胛0 1 ”“h 记洲m ”商哆州。 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文1 作 的知识产权单位属于两北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西j l 工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：豳望 砷年牛月 日 指导教师签名：妪 0 7 年4 月4e l 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导r 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：监 一l ；7 年f 月；口 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设备，其测量精度和可靠性直接与电 力系统的安全、可靠性密切相关，在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、安 全监控等方面起着非常关键的作用。目前，主要是以电磁式电流互感器为主流产品。随 着电力工业的迅速发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，我们不 得不面对棘手的强大电流的测量和高压绝缘问题，一次仪表和二次仪表之间的电绝缘的 安全性和信息传递的可靠性要求，使传统的电磁式电流互感器遇到了极大的困难和挑战 1 1 卅。在高电压、大电流和强功率的电力系统中，常规测量电流的技术所采用的以电磁 感应原理为基础的电流互感器( c u r r e n tt r a n s d u c e r ，简称为c r ) 暴露出以绝缘问题为主的 一系列严重的缺点。此外制造成本高，体积大，重量重，以及由于c t 固有的磁饱和、 铁磁谐振、动态范围小、频带窄和有油易燃易爆等缺点，给生产、运输、维护、防爆等 带来诸多困难，己难以满足新一代电力系统在线检测的发展需求。而且高精度故障诊断、 电力数字网等发展的需要，都要求寻求更理想的新型电流传感器产品。针对这些问题， 经过人们作了多方面的探索和努力，目前最具竞争力和应用前景的当属充分发挥光学传 感技术的优势，以实现对电流的检测和有效保护整个电力系统的光学电流传感器( o p t i c a l f i b e rc u r r e n tt r a n s d u c e r ，简称o c t ) ，这也是世界各国积极开发这一技术的动力。由于 光学传感器有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题。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。 1 2 光纤传感器简介 1 2 1 光纤传感器的特点 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，光纤传 感器经过了2 0 多年的发展已经有了长足的进步，并且已经研制成功了种类繁多的光纤 传感器。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以待测量一电 量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的 限制和影响。而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号。它具 有很多独特的优点【5 1 2 】： ( 1 ) 不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，电磁场几乎不对其产生影响，因 而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，使且特别适合 乜力系统； 第1 章绪论 ( 2 ) 绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，可 以方便地应用于高电压环境的测量。解决了传统c t 系统绝缘技术复杂这一主要问题； ( 3 ) 防爆性能好，耐腐蚀。由于在光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火 花、高温、漏电等不安全因素，因此，光纤传感器是安全性能好，适合于强腐蚀性对象 的参数测量。因此能在户外长期使用； ( 4 ) 导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计；在光 通信产业的强大推动下，性能更好、损耗更低的光纤及光学器件不断涌现，促使光纤传 感器，传输距离越来越长，利于形成远程测量与监控网络； ( 5 ) 光纤细而柔软，可支持非常小巧的光纤传感器用于特殊测量对象及场合；利于改 善传统c t 系统笨重、成本高、安装维护不便的缺点； ( 6 ) 光纤传感器的载体是光波，其频率数量级为1 0 1 4 h z ，从而使传感频带范围很宽， 动态范围很大； ( 7 ) 灵敏度高。光纤电流传感器灵敏度高，分辨率高可达到光波长量级的测量，这是 电磁式电流互感器无法比拟的； ( 8 ) 便于和计算机连接，实现多功能。智能化光纤电流传感器还可以与未来的光计算 机、光信息系统、光接口等先进技术设备兼容，实现更高级的电流信息处理。 1 2 2 光纤传感器基本原理o ” 当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量( 如强度、波长、频率、相位、偏振 态等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等) 的作用会直接或间接 地发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得到作用在光纤外面的物理量的大小，从 而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。 光纤传感，包括对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外 界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如强度( 功率) 、波长、频 率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即可“感知”外界信号的变化。这种感 知实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施的调制。所谓传输，是指光纤格受外界信 号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按照需要进行 数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两个方面的技术，即外界 信号如何调制光纤中的光波参量的调制技术( 或加载技术) 及如何从已被调制的光波中 提取外界信号的解调技术( 或检测技术) 。 光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。从光纤作 用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器。在非功能型传感器中光纤仅起到传光的 作用；而在功能型传感器中光纤既超到传光的作用又起到传感的作用。在晷莳开发的高 精度、高分辨力及结构小型化的传感器中多以功能型传感器为主。从光调制方式的角度 分类，主要有光强调制型、偏振调制型和相位调制型。随着科学技术的高速发展，对传 2 西北工业大学硕士学位论文 感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此偏振调制型和相位调制型传感器是 目前研究和开发的主要对象。本文设计的光纤电流传感器就是相位调制型光纤电流传感 器。相位调制型光纤传感器的原理是利用外界因素引起光纤中的相位发生变化，以此来 探测各物理量。 1 2 3 光纤电流传感器分类 目前的光纤电流传感器系统主要分为四种类型：全光纤型；块状光学材料型；光电 混合型和磁场传感器型。下面分别予以介绍： ( 1 ) 全光纤电流传感器【1 9 i ( a i if u n c t i o no p t i c a lf i b e rc u r r e n tt r a n s d u c e r ，简称a f o c r ) ， 利用光纤进行传光和传感，又称为功能型光学电流传感器。目前，主要发展的是基于法 拉第磁光效应的o c t ，它是将光纤缠绕在被测通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通 过测量光纤中的法拉第旋转角间接地测量电流。a f o c t 结构简单，重量轻，形状随意， 测量灵敏度可按光纤环数调节。但是，由于光纤内部存在线性双折射，从而影响测量精 度和长期稳定性。 ( 2 ) 块状光学材料型o c x f 2 0 j ，也是基于法拉第磁光效应的o c t ，不过其传感头是用块 状磁光玻璃制成。利用全反射使线性偏振光，在中心有通电导体的闭合光学材料中传播， 测量线偏振光的法拉第旋转角，从而间接的测量电流。块状光学材料型o c t 与a f o c t 相比，光学材料的选择范围宽，稳定性好，精度较高，受线性双折射影响较小。但存在 加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入反射相位 偏移，使两两正交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能。 ( 3 ) 光电混合型o c 一”】，由常规电磁式c t 与光纤传输结合构成，这种光电混合型o c t 具有高度绝缘的优点，但由于系统中仍然采用常规c t ，所以无法克服磁饱和现象，而 只能作为电磁式c t 向全光学o c t 的一种过渡方案。 ( 4 ) 磁场传感器型o c q 脾j ，是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，然后将光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料 伸缩将引起光纤的应变，利用光纤干涉仪原理即可检测出光纤应变的变化量，从而问接 的测出被测的电流值。这种o c t 的目前主要问题在于，它大都采用马赫曾德尔干涉仪 原理来实现，由于传感光束和参考光束在两根光纤中传输，故光纤内部的双折射、环境 温度、振动、弯曲等因素的干扰，严重影响传感器的性能，因而尚有很多问题需要解决。 总而言之，适合于电力工业使用的光纤电流传感器必须具有如下主要特点： ( 1 ) 精度高，且有较高的电流灵敏度； ( 2 ) 传感特性不会因为传输光路中环境因素的变化而受到影响； ( 3 ) 因各种原因引起的光强起伏不会影响检测结果； ( 4 ) 体积小且安装方便； ( 5 ) 具有长期的稳定性和高的可靠性。 第1 章绪论 1 3 光纤电流传感器研究概况 由于光纤电流传感器的高绝缘性和强抗电磁干扰性等优良性能，其研究对电力系统 的电流测量具有重要应用价值和重大经济效益，因此，有关适用于电力系统的光纤传感 技术的研究受到越来越多的重视。近些年来，许多用于光纤电流传感器的方案被提出， 其中的一些已经取得了显著的效果和应用前景。 1 3 1 国外研究进展 在二十世纪六十年代国外就开始了利用法拉第( f a r a d a y ) 效应的电流传感器的研究 工作，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。 到八十年代和九十年代初光纤电流传感器就已初具商品使用价值，1 9 7 7 年英国电力 研究中心的a j r o g e r s l z 3 1 乘la m s m i t h 2 4 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 的电网上挂网试用瞄j ，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。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，而高压工程和电力行 业的发展越来越需要一种新型可靠的电流传感器，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。 现据有关资料统计，目前大约有2 0 0 0 多台光纤电流传感器已经挂网试运行，有的 公司已形成正规产品，在5 0 0 k v 系统中投入运行，如美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了光纤电流传感器专题研究小组，且研制成功了1 6 1 k v 光纤电流传感器，且 在1 9 8 9 年至1 9 9 2 年又成功的研制了最高工作电压为3 4 5 k v ，测量范围为2 0 。2 0 0 0 a 的 光纤电流传感器，且挂网运行成功。 1 9 9 1 年6 月a b b 电力有限公司公布了用于计量和继电保护用的3 4 5 k v 电站的光纤 电流传感系统，并在运行4 个月后与标准电流互感器比较，误差仅为0 4 。到1 9 9 4 年 a b b 公司不仅拥有多种电压等级的交流数字光电式电流传感器，而且也有了直流数字 光电式光纤电流传感器，并且在多个地区挂网运行。 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 p ”。从1 9 8 1 年起起组织了五大电力公司对光纤电流传感器的理论、材料、性能等进行 了研究。日本的东方电气公司与东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月研制的g i s 设备用的光纤电流传感器与电压互感器安装在制造厂长时间运行试验，情况良好运行。 更有同本的三菱公司在它的1 0 0 0 k v 特离i 系统的g i s 组合电站的设计配套中，明确列 出它的测量系统采用光纤电流传感器系统存实用化力面的研究中，以材料性能的研究 西北工业大学硕士学位论文 成果最为显著，先后得出s f 6 、s f 5 玻璃和y i g 铁磁体等磁光材料的温度特性曲线。 文献资料表明，从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代末，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实验室模型向着实用化方向发展。 1 3 2 国内研究进展 我国对光纤电流传感器的研究起步较晚，始于八十年代 2 a l 。总的来讲，国内无论是 从技术角度还是研制情况都要比国外落后，至今见诸于公开报道的挂网运行的仅有三 家。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。最早对该产品进行研究的是沈阳变压器厂和四 平电业局共同研制的1 1 0 k v 光纤电流传感器于八十年代在四平电业局挂网试运行，但后 来又拆除。 由清华大学和中国电力科学研究院i 捌，在国家自然科学基金支持下共同研制了 1 1 0 k v 光纤电流传感器，1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网运行，运行情况未见详细报道。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t 0 3 。 第三家进行挂网试运行的研制单位是华中理工大学与广东新会供电局【3 0 l ，它们的系 统于1 9 9 3 年1 2 月3 1 日在广东省新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行。在1 9 9 4 年 通过原电力部鉴定，对外公布的技术指标为额定电压1 1 0 k v ，额定电流1 0 0 - 3 0 0 a ，挂 网至今运行正常。 国内所研究并挂网运行的光纤电流传感器都是利用法拉第效应。在理论探讨方面， 哈尔滨工业大学对利用法拉第效应用于高压光纤电流传感方面进行了较全面的讨论和 研究【3 l j ，福州大学等单位是用空心线圈对高压电流进行检测，再用红外线发射接收方式 对高压电流进行测量，该方法也是一种另外形式的光纤电流传感器。重庆大学、燕山大 学等几家单位在对光纤电流传感器的研究方面也都有类似的文章公开发表。 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 验人员以及行政部门对光纤电流传感器的优点有了更加清楚的认识，开始或深入研究光 纤电流传感器的科研机构和科技公司日益增多。我们相信在不久的将来我国自行研制的 实用型光纤电流传感器将广泛应用于电网在线检测。 第1 章绪论 1 4 光纤电流传感器的主要问题 1 4 1 磁光型电流传感器及所存在的问题 磁光式电流传感器( m a g n e t i co p t i c a lc u r r e n tt 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，也可 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m o 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。 1 4 2 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基本构成如图1 1 所示。这种传感器具有测量范围大、绝缘性 优良、结构简单、灵敏度高等特点。全光纤以光纤作为传感材料，将光纤绕在被测电流 导线周围，形成光路。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：一种是内部双折射，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 图1 1 全光纤犁电流传感器 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。 目前采用的方法t 要有以下几种1 3 2 - 3 3 】： 6 西北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 采用扭转光纤：将传感光纤沿轴向扭转多圈以增加其固有圆双折射，这样，电 流磁场产生的法拉第旋转将叠加在其固有圆双折射上，使测量灵敏度增加。这种方法的 主要问题是扭转产生的圆双折射随温度变化，为了满足实际工作环境的要求，需要采取 复杂的温度补偿措施。 ( 2 ) 采用退火光纤：所谓退火，就是将绕制完成后的传感光纤圈加热到大约8 0 0 ， 然后慢慢冷却，这样可以消除光纤弯曲引起的线性双折射。如果在绕制光纤圈之前先将 光纤扭转多圈，退火后还可以消除光纤几何形状误差引起的线性双折射。这种方法的缺 点是退火后的光纤变得非常脆，并且光纤的透光率会受到影响。 ( 3 ) 采用旋转光纤：在光纤拉制的同时使其绕中心轴旋转，可以大大减小线性双 折射。c l a r k e 利用耦合模理论证明了这种方法的有效性。 ( 4 ) 光纤圈采用特殊绕法：在绕制光纤圈时不断改变缠绕方向，可以使光纤固有 双折射在一定程度上得到抵消，而法拉第效应只与磁场方向有关而与光传播方向无关， 因而不会受到影响。 ( 5 ) 补偿法：采用两种不同偏振态的传感光波，一种为线偏振光，一种为圆偏振 光，将其交替输入传感头，则输出信号可同时反映法拉第旋转和线性双折射效应，通过 数据处理算法补偿双折射影响。 以上方法均能在一定程度上减小光纤固有双折射的影响，要进一步提高准确度，还 可以通过传感头处的温度测量从外部进行补偿。除温度外，振动也会对测量准确度产生 一定影响，这给整个光路的调整、校准及防振等带来了很大的困难。现在，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。 1 4 3 混合型光纤电流传感器及所存在的问题 混合型光纤电流传感器的基本结构如图1 2 所示。传统电磁式电流互感器通过多年发展， 在测量准确度及可靠性等方面已非常成熟 1 3 4 - 3 5 1 ，其主要缺点是高压隔离问题造成的系统 复杂和高造价。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。 为防止杂散磁场的干扰，传感头由磁光材料构 成一封闭的光路。由于传感头不采用光纤，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 幽1 2 混合掣光纤电流传感器 第1 章绪论 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 商品化的磁光式光纤电流传感器主要是采用这种结构。 混合型的主要问题是传感头部分涉及到有源电路，其电功率提供比较困难，目前采 取的方法主要有三种： ( 1 ) 母线供电：利用另一个电磁式互感器，直接从母线上得到电功率，稳压后供给 电子电路。稳压电源应保证在母线电流很小时能提供足够的功率，在系统出现短路，母 线电流很大时能够吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定的电源，其技术相当复杂。 ( 2 ) 光供电：在系统中增加一根传能光纤，将光功率从控制室传送到传感头后经光 电变换获得电源。这种方式能够提供的功率非常小，对电子线路的设计带来了困难。 ( 3 ) 电池供电：利用可充电电池提供电功率，电池由太阳能板充电。这种方式受制 于天气条件，太阳能板长期工作的效率也难以保证。 此外，这类传感器还存在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) ，降低了传感器的灵敏度和稳定性。另外，周围环境 中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 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，同时在母线上提取偏置 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。 传统的电流互感器是将一次侧电流信号通过电磁感应传n - - 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。对电流采样采用铁芯线圈( 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。 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 和低压侧没有电路联系，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： ( 1 ) 由母线上电流产生的电磁场感应而产生； ( 2 ) 由低压侧将电能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧； ( 3 ) 在高压侧用电池解决电源问题。 8 西北工业大学硕士学位论文 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 提出的光纤电流传感器，但却未受到足够的重视，未成为光纤电流传感器的主流开发对 象。 这种传感器利用低压电流传感器作为探测器，经过电一光信号转换后实现光信号的 强度、频率调制，它所存在的问题是环境温度和电子器件的热噪声影响电流一电压的转 换精度，其次电压调制电路的工作电源的功率大小、稳定性以及非线性等问题直接影响 电流传感器的实现和实现质量。尽管日本学者yy a n a g a t a 和t k u m a g a i 等在这方面作 了一些有实用意义的工作，解决了光功率推动光一电转换中的最佳匹配，实现1 k m 的 推动距离，获得2 3 m w 的光功率，但稳定性和非线性问题还未得到满意地解决【3 6 j 。 除以上方法外，还出现了一些新的原理，如利用光纤光栅磁致伸缩原理和集成光学 技术实现电流测量等。上述几种形式的光纤电流传感器都取得了巨大的进展，并取得了 一些挂网运行的成功经验。但是理论研究和实践证明，它们也存在许多问题。例如光纤 损耗、光纤和晶体中存在的双折射和旋光本领的变化、磁致伸缩材料或压电晶体的非线 性、集成光波导的不对称性等，严重影响互感器的准确度和可靠性。上述这些问题是影 响光纤电流传感器研究与实用化的主要原因，也是这个领域研究工作者关注的焦点和急 需完成的任务。 1 5 光纤电流传感器的发展趋势口7 侧 从现在的研究状况和相关学科的发展速度上看，光纤电流传感器的发展有以下几个 特点： ( 1 ) 全光纤小型化。近年来传感头全由光纤构成且只用一根光纤已成为发展趋势。全 光纤传感头的体积小且工作可靠。目前光纤之间熔接损耗为0 1 d b 左右，这样的损耗不 影响传感头的正常工作。但目前光纤之间的粘接技术及光纤端面抛光、镀膜等相关技术 还有待进一步研究。 ( 2 ) 光纤电流传感器的研究将在理论、实验和实用化三个方面更紧密地结合。光纤电 流传感器的理论是在电子学、电工学、光学、材料学的基础上形成的一种新理论，为此， 这个理论的研究必须在实验和实用的支撑下才能更深入地进行，才能为实验、实用指出 正确的方向。反过来实验研究和实际应用也为理论的深入研究提出了课题，比如：环境 因素中温度影响、振动敏感、电磁场噪声干扰等问题，都是在现场中提出的，它决定着 电流传感器应用的关键，为理论研究提供广阔的空间。 ( 3 ) 数字化、智能化、网络化是光纤电流传感器发展的必然趋势。由于工业及其它企 业对能源的需求量剧增，电力企业规模空前扩大，从客观上要求对多路电流乃至多个电 参数同时进行测肇，这样，传统测量方式及仪器的弊端就明显的5 口露出束了。另外，从 计算机技术和智能技术及大规模集成电路的发展现状束看，光纤m 流传感器的数字化、 9 第1 章绪论 智能化也具备了客观基础和条件。未来的电流传感器将是一种同步测量多个电流、电压、 功率参数瞬时值的智能装置，它将在自动控制系统中执行自动测量、传输、控制、报警 等综合功能。 ( 4 ) 光纤电流传感器的发展将促进磁、光、电材料的进一步开发。首先，光纤电流传 感器的发展将促进电流探测材料的开发与研究；其次，电流传感器研究的进一步开展渴 求新型的光波导材料和光电子器件的出现，这将促进光纤、光电子学器件质量的大幅度 提高；现行的光纤传感器的光电转换的功率损耗还十分严重，同时，干扰对测量精度的 影响还不易消除，这就要求大功率性能稳定的光源投入使用以及准光学计算机和全光学 计算机的问世。同时新材料、新器件、新技术的出现也将促进光纤电流传感器的研究产 生质的进步。 1 6 本文的主要工作 本文主要研究内容为提出了一种基于光纤光栅f a b r y p e r o t 干涉仪的新型光纤电流传 感器。本文深入的研究了该传感器的基本原理，设计出了一种新型干涉式的光纤电流传 感器系统。实验结果证明，由此建立的电流传感器结构简单、灵敏度高、更易于实际应 用，并且具有较宽的线性范围。为电流系统中测量高压端电流提供了一种切实有效的新 方法。全文共分为6 章： 第一章，简要介绍本领域的研究背景，光纤传感器的分类及发展趋势。介绍光纤电 流传感器的发展概况，并讨论其发展过程中所存在的问题。最后说明了作者所做的工作； 第二章，简要论述磁致伸缩效应和光纤光栅f a b r y p e r o t 干涉仪的原理、解调方法以 及应用。详细描述了光纤传感头的数学模型和工作原理，这是该传感器最重要的部分之 一： 第三章，从系统整体的角度对光纤电流传感器的系统构成和工作原理做了简单介绍， 分别介绍了组成传感器系统的光纤传感子系统和信号处理子系统： 第四章，针对传感器系统中另一个重要部分，光电转换及信号处理电路部分的设计 等方面做了详细的论述； 第五章，实验验证设计的光纤光栅f a b r y p e r o t 电流传感器的特性，并给出了实验数 据，分析误差产生的原因和解决的方法： 第六章，总结全文，对下一步工作的展望。 【 西北工业大学硕士学位论文 第2 章理论基础与传感头设计 本章对理论基础作简要地论述，并给出该传感器传感头的基本结构。前两节分别介 绍了磁致伸缩效和制作传感头使用的超磁致伸缩材料t b d y f e 2 的性质；然后介绍了光纤 光栅和f a b r y p e t r o t 干涉仪的基本原理和应用；最后在上述的理论基础上详细讨论了基 于磁致伸缩效应和光纤f - p 干涉的复合结构传感头的设计方