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光纤电流传感器技术研究 学科：光学工程 研究生签字：陬三锋 指导教师签字争刁锄嘧切v 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等多个学 科的理论和应用于一体的新型传感器。它具有某些传统电流互感器无法比拟的特点和优 势，在电力工业中具有广泛的应用前景和社会经济效益。 本文详细阐述了光纤电流传感器的原理及应用，对应用光学玻璃传感头的光纤电流传 感器进行了研究。这种传感器避免了光纤双折射带来的缺点，其传感单元主要由传感头与 偏振器件构成。 本课题设计的光纤电流传感器是基于法拉第效应原理。半导体激光器发出的光经起偏 器及自聚焦透镜耦合进入传感器头，当偏振光在传感头中传播时，由于受到载流导线磁场 作用而产生的法拉第效应，使得偏振光的偏振面发生旋转。只要测算出偏振面旋转的角度 即可推导出被测量电流的大小。 本文还精心设计了激光器驱动电路。该电路采用新型具有自动光功率控制的激光器驱 动芯片，使该系统的光源能够稳定输出，并且对激光器的输出功率完全可调，保证了传感 系统的测量精度。 最后，对系统的实验结果进行了深入分析，对产生系统误差的因素和改进方法进行了 讨论，本文认为在光学传感头加工及光路耦合工艺等方面需要加大改进。采用这种方法设 计的光纤电流传感器可以实现对工频大电流的测量。 关键词：光纤电流传感器：法拉第效应；偏振器；激光器驱动 s t u d yo nf i b e ro p t i cc u r r e n ts e n s o rt e c h n o l o g y d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： c 3 慨4 叶 岬d 勺夕认 厶鼽扩? h a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rc u r r e n t s e n s o ri san e wk i n do fs e n s o rt h a ti n t e g r a t e st h et h e o r i e s a n d a p p l i c a t i o n si n v o l v i n gm a n ys u b j e c t s ，s u c ha so p t i c a lf i b e rs e n s e ，o p t i c a le l e c t r o n i c s ，n o n - l i n e 缸 o p t i c sa n ds i g n a lp r o c e s s i n g w i t hs o m ea d v a n t a g e s o v e rt h et r a d i t i o n a lc u r r e n ti n d u c t o r s ，i th 硒 w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dg o o ds o c i a l e c o n o m i cb e n e f i t s t h i st h e s i se x p a t i a t et h ep r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o n so ft h eo p t i c a lf i b e rc u r r e n ts e n s o r a n dp e r f o m e dr e s e a r c ho nt h eo p t i c a lf i b e rc u r r e n ts e n s o rw i t ho p t i c a lg l a s ss e n s o rh e a d t h i s k i n do fs e n s o rc o n s i s t e dm a i n l yo fs e n s o rh e a da n dp o l a r i z e rd e v i c e ，s o a v o i d e dt h ed e f e c t s r e s u l t i n gf r o mt h eo p t i c a lf i b e rb i r e f r i n g e n c e t h eo p t i cf i b e rc l m e n ts e n s o ri nt h es u b j e c ti sb a s e d o nt h ef a r a d a ye f f e c t t h el i g h ts e t b vt h es e m i c o n d u c t o rl a s e rg o e si n t ot h es e n s i n gh e a d st h r o u g ht h ep o l a r i z e ra n da u t o m a t l c f o c u s ( a f ) l e n s t h ep o l a r i z a t i o np l a n e o ft h el i g h tr o t a t e sf o r t h ef a r a d a ye f f e c ti n d u c e db y t h e c a r t i e r1 i n em a g n e t i cf i e l d w ec a l ld e r i v a t et h ev a l u eo ft h ec u r r e n tb yt h er o t a t i n ga n g l eo f t h e p o l a r i z a t i o np l a n e t h ea r t i c l ed e s i g n st h ed r i v ec i r c u i tt ot h el a s e r t os t a b l ea n dc o n t r o lt h eo u t p u tp o w e r o f t h el a u s e r t h ec i r c u i tt a k e st h en e wt a p ed r i v ec h i p sw h i c hh a v et h ea u t o c o n t r o lf u n c t i o nt ot h e l i g h tp o w e r a l lo f t h em e a n sa s s u r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y a tm ee n do ft h ea r t i c l e ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ee x p e r i m e n tr e s u l td e e p l y ，a n dd i s c u s s e s t h er e a s o 璐o ft h ee r r o rf a c t o ra n dt h ei m p r o v e m e n tm e a n s c o n c l u d i n gt h a t t h eg r e a t i m p r o v e m e n tw o u l do nt h ew o r ko f t h eo p t i ct h es e n s i n gh e a d sa l l e g i a n c e b yt h em e a n s ，t h e o p t i cf i b e rc u r r e n ts e n s o rw o u l d t a k et h em e a s u r e m e n to fg r e a tc u r r e n t k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cc u r r e n ts e n s o r ；f a r a d a ye f f e c t ；p o l a r i z e r ；l a s e rd r i v e r 2 西安工业大学工程硕士学位论文 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 豫弓锌 指导教师签名手刁勃m e t 期： 如6 7 r o 7 两安r 丁业大学丁程硕士学位论文 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：互译 指导教师签名：t 刁铂 日期： 加) 7 化，7 蜘沁 1 绪论 11 光纤传感技术发展概况 l 绪论 在很早以前，人类就已有利用光来传递信息的历史。而到现代1 9 6 6 年，英籍华人 高锟( c k k a o ) 博士和h o c k h a r n 预见利用玻璃可以制成衰减为2 0 d b k m 的通信光纤。在 1 9 7 4 年，光纤衰减降低到2 d b k m 。到1 9 8 0 年，光纤衰减低达0 2 d b k m ( 1 5 5 0 n m ) ，使 得长距离通信成为可能“1 。现在，光纤及光纤通信技术己取得了长足的发展。 光纤技术不仅仅用在通信上，在很多领域都有很好的应用。光纤传感技术就是其中之 一。光纤传感技术是伴随着光导纤维的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光线为媒 质，感知和传输外界信号的新型传感技术，它属于光子与承载信息传输的导波光子技术的 一个领域。1 与传统传感器相比，光纤传感器有一系列独特的优点。它可以在强电磁干扰、 高温商压、原予辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点使其 用途“泛。例如能够组成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、环境监测等 方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器，同时也指出了乐观的市 场前景。2 0 世纪9 0 年代，更多的光纤传感器( f o s ) 在不断地商业化，比如压力应力传感 器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。据第1 5 届国际光 纤传感器会议( o f s 一1 5 ) 统计，按照光纤传感被测物理量来分，如图l1 所示，“应力” 占2 3 ，“温度”占1 72 ，“气压声学”占1 52 ，“电流电压”占1 2 2 ，“化学，气体” 占1 13 t “旋转”占62 。就传感嚣类型来说，如图12 所示，“光纤光栅”占4 4 2 ， “分光计”占1 i1 ，“散射反射”占1 0 o ，“f a r a d a y 旋光效应”占6 9 ，“荧灯黑体” 占66 ，“f o g ”占4 4 ，“低相干千涉计”占35 其它占1 33 0 1 。 1 5a 圈11o f s 一1 5 据被测物理量的分布 西安1 ：业人学j 程硕上学位论文 其它 光扦光栅 散鬻射碟 图12o f s 1 5 据技术类型1 9 1 分* l i 现在，随着光纤通信技术的发展和信息商速公路热潮的到来，光纤传感技术将与光通 信一起走入千家万户，深入到军事和民用的各个方面，我国要赶超世界先进水平，必须要 重视光纤传感技术的研究与开发。 l2 光纤电流传感器的研究背景 电力工业是我国国民经济的命脉。目前，在电力系统中，测量电流的常规技术是采用 以电磁互感原理为基础的电流互感器。随着电力1 二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，甚高雎( e h v ) 乃至超高压( u h v ) ，我们不得不面对棘 手的强大电流的测世问题。一次仪表和二次仪表之间的电绝缘和信息传递的可靠性要求可 能使传统的测量手段无用武之地。而在高电压、大电流和强功率的电力系统中，测量电流 的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流互感器c t ( c u n e n t t r a n s f o r m e r ) ，暴露 出一系列严重的缺点”： ( 1 ) 体积大，重量重。安装运输难度大； ( 2 ) 易受电磁干扰影响； ( 3 ) 绝缘刚难； ( 4 ) 精度低，测量误差较大； ( 5 ) 大故障电流导致铁芯磁饱和； ( 6 ) 时高压线路卜的暂态过程不能正确反应。这足由于电磁感应式电流互感器足用 铁芯制成的，对高频信号的响应特性较差； ( 7 ) 若输出端的二次侧负荷开路，将会产生高压，对配电设备造成危害甚至危及人 身安全，存在安全隐患； ( 8 ) 对于具有大体积的电器机械和已经安装使用的电器机械其测定很不方便，特 别是长距离传输后信号畸变十分严重，使高频高压的洲试精度根本无从保障。 西安工业大学工程硕士学位论文 对于传统测量中面临的问题，在科技发达的国家都寻求把光电子学技术用于超高压大 电流的电网中。当前国内外最有应用前景的就是光纤电流传感器( f i b e r - o p t i cc u r r e n t s e n s o r s ：f o c s ) 。它的出现能够满足现代电力系统的要求，这是因为光导纤维具有许多金 属传输线所不具有的优良特性，由它组成的光纤电流传感器与传统的电磁式互感器相比具 有以下优点1 t ( 1 ) 绝缘性能好，造价低。电磁式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合， 结构复杂，造价昂贵，其价格随输电电压的增长呈指数上升。光纤传感器所用材料主要是 石英光纤，自身就是绝缘体，结构简单，造价随电压等级的增加略有增加； ( 2 ) 不含铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，因而测量范围大，线性度好，频 率响应范围宽，测量精度高； ( 3 ) 由光来传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压侧不存在因开路而产生的高压危 险，也消除了常规电磁式互感器因充油产生易燃易爆等问题； ( 4 ) 体积小，重量轻。光纤传感器的传感头，重量小于1 公斤； ( 5 ) 适应电力计量、保护的数字式、微机化、自动化及光通信等的发展潮流； ( 6 ) 动态测量范围大。正常情况下，电网运行的额定电流并不大，但短路电流却很 大，且随着容量的增加，故障短路电流越来越大。电磁式电流互感器的电流测量范围有限， 同时大电流时会影响它的精度。光纤电流传感器额定电流可测到几千安培，瞬时过电流可 测到几十万安培。 1 3 光纤电流传感器原理分类及研究现状 1 3 1 光纤电流传感器原理分类 到目前为止，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r o g o w s k i 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。 1 ) 利用法拉第效应( f a r a d a ye f f e c t ) 测量电流 线偏振光在某种材料中传播时，由于电磁场的变化使得线偏振光的偏振面发生了旋 转，旋转的角度与平行于传播方向的磁场分量成正比，这就是发拉第效应。利用法拉第效 应来测量电流的f o c s 主要分以下两种t ( 1 ) 全光纤电流传感器( 简称a f o c s ) 全光纤电流传感器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问接的测量电流，传光与传感部分都用光纤，又称为功能型光学 电流传感器盯】。a f o c s 传感头的优点是光路简单，便于加工，但其输出灵敏度受外界温度、 光纤本身的双折射及入射偏振面的影响极大。主要表现为： 当用偏振仪进行测量时，由于光纤的双折射使得入射偏振光的两个正交振动分量之 西安工业大学：r 程硕+ 学位论文 间产生了额外相差，输出光变成椭圆偏振光，使得测量的灵敏度降低哺1 。而且当输出的光 变成圆偏振光时，电流测量的灵敏度为零。 对于不同的入射偏振面，传感器具有不同的测量灵敏度。在光纤电流传感探头中， 由于线性双折射的存在对不同偏振面的入射线偏振光，双折射引入的位相不同，因而使整 个探头的灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变化。 测量灵敏度受外界温度的调制。由于应力引入的线性双折射分布是随温度的变化而 改变的，传感器的测量灵敏度将随温度变化而产生漂移，且沿光路上不同部分的灵敏度逐 渐变化。因而，在一个封闭的环形光路中灵敏度的分布是非均匀的。这样，传感器元件的 信号输出不仅会受到被测导体位置的调制。而且还会受到外界大磁场的干扰旧1 。 ( 2 ) 块状光学材料型光纤电流传感器 利用全反射使线性偏振光在光学材料内围绕穿过材料中心的通电导体闭合，测量线偏 振光的法拉第旋转角，从而间接的测量电流，块状光学材料型光纤电流传感器与a f o c s 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 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口1 。具体的结构与原理会在后续章 节中作详细介绍。 2 ) 利用磁致伸缩效应测量电流 当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。磁致伸缩效应光纤电流传感器一般把光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料 伸缩将引起光纤内的应变，利用光纤干涉仪即可检测出光纤内应变的变化，从而间接的测 出被测的电流值。通常它有下列三种结构形式： 磁致材料圆柱体的圆周上绕以光纤； 在磁致材料带或管上粘贴光纤； 在光纤表面上涂或镀一层均匀的磁致伸缩材料金属膜； 第一种情况缠绕的光纤要比后两种长，所以它的灵敏度较高，但体积偏大。后两种情 况由于光纤磁致材料的粘合处存在“负载效应，它降低了传感材料的磁致伸缩效应n 0 | 。 3 ) 利用电磁感应原理测量电流 这类传感器通常的构成包括高压侧部分，光纤传输部分和低压侧部分。高压侧的采样 线圈对一次电流采样形成采样信号，经放大、调制( 直接a d 转换、相位调制、频率调制 与脉宽脉位调制等) 后，经电光转换形成光信号，再经由光纤传递到低压侧，进行逆变 换，转成电信号经适当处理后输出。其中，光纤是联系高、低压侧的介质，并未参与到对 电流的传感过程中去。因而，a o c s 实际上是一种光纤传导技术和c t 技术的组合体，属于 非功能型光纤传感器的范畴。 在利用电磁感应原理测量电流的传感器中，可用于电流采样的元件有多种。较为典型 的就是r o g o w s k i 线圈。r o g o w s k i 线圈是将导线均匀绕制在非磁性材料骨架上的空心线 4 西安工业大学工程硕士学位论文 圈，如图1 3 所示。若线圈匝数为w ，其截面为长a 宽h 的长方形，载有待测电流i ( t ) 的母线 尺寸( 截面大小) 可忽略不计，则在空心线圈输出端的开路输出电压v ( t ) 为n u ： = 警= 一趟2 x 哆业d t = 州型d t ， 诸、r 7 一“7 唾 - l i ， 图1 3 空心线圈结构图 式中m 为互感系数，r 、r 为线圈的外圈和内圈半径。由( 1 1 ) 式可知，r o g o w s k i 线圈 的作用是将被测的电流量i ( t ) 转换为与之成微分关系的电压量v ( t ) ，且输出电压的大小范 围可由调节m 的大小进行控制。 欲使a o c s 能够实用，必先保证其具有足够的稳定性与可靠性。其实用化的主要技 术障碍包括罗氏( r o g o w s k i ) 线圈结构、抗电磁干扰能力、电磁兼容特性、采样线性与 精度等性能的保证及稳定问题；高、低压侧电子线路( 含电光一光电转换) 及光纤传输系 统的温度稳定性问题；为高压侧电子线路供电问题。 为保证罗氏线圈的温度稳定性，应选用热膨胀系数小的非磁性材料制作骨架；为保证 其测量精度，应使线圈有足够的圆度，并尽可能减小载流母线偏离线圈圆心的程度；在罗 氏线圈的圈内绕上一返回匝会很好的解决外磁场对测量信号的干扰问题n 引；罗氏线圈支撑 结构的设计则要考虑防振效果，尽量使载流母线在振动状态下也能保持处于罗氏线圈中心 位置。 4 ) 利用光栅原理和集成光学技术测量电流 其基本原理为：当光纤光栅发生轴向应变时，其布拉格波长将随应变的变化而被调制， 布拉格波长和应变之问的关系为n 3 1 a 2 口= ( 1 一p e ) 厂兄曰 ( 1 2 ) 式中，九是光纤光栅的布拉格波长，姚礼是布拉格光栅中心波长的漂移，f 是光纤光 栅的应变，p c 是有效的光弹常数，定义为 5 西安t 业大学工程硕十学位论文 一n c l o r e i - p , 2 1 ，( 日l + 暑2 ) ( 1 3 ) 么 一一 式中，p l l 和p 1 2 是应变光学张量的光弹常数，v 为泊松比，i l c m 为光纤芯的折射率。 光纤光栅传感器的制作基础是：用紫外光刻把折射光栅写入涂硅单模光纤( 单光栅) ， 或者更直接更有效的是在光纤退火过程中用短激光脉冲的干涉图纹把折射光栅写入涂硅 单模光纤中( 光纤阵列) 。 对纤芯中传播的光，本征布拉格光纤光栅能够反射以布拉格波长为中心的一段很窄的 波段。布拉格波长是由光栅周期、光栅折射率决定的，而这些因素与温度和压力有关。因 此它对机械应力、温度有很高的灵敏度。近几年，人们研究出各种对不同因素敏感的材料， 再把这些因素的影响转换成温度和压力的影响，使其用于布拉格光栅传感器中。如果把磁 致伸缩材料和光纤光栅合理地结合，则可以利用电流产生的磁场对磁致伸缩材料的作用调 制光纤光栅，通过布拉格波长漂移的测量，以确定待测的电流。 1 3 2 光纤电流传感器研究现状 1 ) 国外光纤电流传感器研究现状 在六十年代国外就开始利用法拉第效应从事电流传感器的研究。1 9 7 3 年a j r o g e r s 首次提出光纤电流传感器的想法以来n 钔，光纤传感技术不断更新，趋于成熟。 上世纪七十年代，苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司一起制造了7 5 0 k v 的频率一脉冲调制式光纤电流传感器的试验样品，样品中有一个测量仪表通道和三个 继电器保护通道。该7 5 0k v 频率一脉冲调制电流传感器技术指标为：被测额定电流为 2 0 0 0 a ，测量仪表通道的电流范围( 0 2 1 2 ) m ，数字仪表入口的额定脉冲频率为1 k h z ； 保护通道( i - o ) 载波频率为5 0 k h z ，测量仪表通道出口额定电流为l a ；测量仪表分离通 道的准确度为0 5 级，保护通道的准确等级为3 ，相角误差为士2 度，测量范围为( o 2 2 0 ) i h 。此外，前苏联对光通量外调制式光纤电流传感器，带编码脉冲调幅式光纤电流 传感器以及脉冲调幅式光纤电流传感器等形式都进行了深入仔细的研究n 5 m 1 。 到八十年代和九十年代初期光纤电流传感器就已初具商品使用价值n 卜憎1 ，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，有的公司已经形成正规产 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 独立式光纤电流传感器( 1 9 8 6 - - , 1 9 8 8 年) ， 1 6 1k v 组合式光纤电流传感器光学电压传感器和1 6 1k v 的继电保护式光纤电流传感器 ( 1 9 7 8 年) ，以及在1 9 8 9 年5 月至1 9 9 2 年又成功的研制了最高工作电压为3 4 5k v 测量范 围为2 0 - - 2 0 0 0a ，准确等级为o 3 级的计量与保护光纤电流传感器，且挂网运行成功啪卫。 1 9 9 1 年6 月a b b 电力t & d 有限公司公布了用于计量和继电保护用的3 4 5k v 电站的 光纤电流传感系统，并在运行四个月后与标准电流互感器比较，误差仅o 4 。到1 9 9 4 年， a b b 公司不仅拥有交流数字光电式光纤电流传感器，而且也有直流数字光电式光纤电流 6 西安工业大学工程硕士学位论文 传感器，电压等级为7 2 5k v 7 6 5k v ，额定电流为6 0 0 a 6 0 0 0 a 。3 m 公司在1 9 9 6 年 已宣布开发出用于1 3 8k v 电压等级的全光纤电流测量模块，据称可用于5 0 0k v 电压等 级。p h o t o n i e s 公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，称之为“混合式光电电流 传感器”，他们曾于1 9 9 5 年至1 9 9 7 年期间在美国、英国、瑞典等国家的超高压电网上 试运行。 1 9 9 1 年9 月2 2 2 7e l 在美国德克萨斯州d a l l a s 会议中心，由i e e e 电机工程学会主办 的输变电会议上，3 m 公司的i e e e 的会员twm a c d o u g a l l 等三人以“用于电力系统的 光纤电流传感器的研制”为题介绍全光纤电流互感器，描述了产生高稳定的传感光纤线圈 和把光纤线圈与新奇的保偏光纤连接起来的新技术，还介绍了理论上的限制与初步特性曲 线和数据啤1 。 日本也于1 9 8 1 年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 行研究。在1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月，日本的东方电气公司与东芝公司合作，其研制的 g i s 设备用的光纤电流传感器与电压传感器安装在制造厂的条件下长时间进行试验，一直 能很好的运行，试验数据皆符合j g c l 2 0 1 标准。更有日本的三菱公司在它的1 0 0 0 k v 特 高压系统的g 1 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测量 系统。据e l 经b p 社报道，东京电力与横河电机联合开发成功了使用光纤的电流测量仪( 光 纤电流传感器) ，并在“t e c h n o - f r o n t i e r 2 0 0 5 ”( 2 0 0 5 年日本电子工业博览会，2 0 0 5 年4 月2 0 2 2 日，东京幕张m e s s e 国际会展中心) 上展出了试制品。利用的是强磁场可 使光的偏振面发生旋转的法拉第效应。 在第1 7 届国际光纤传感会议上，瑞典a b b 公司公布了一款可测量高达5 0 0 k a 电流 的光纤电流传感器，精度为0 1 。这是目前见报道的最先进的光纤电流传感器”“。a b b 产品的大小及外观如f 图l4 ( a ) 光纤电流传感器传感头部分及1 4 ( b ) 传感信号处理部 分所示。 ( a ) 光纤电流传摩器传感头部分( b ) 传感信号处理部分 图1 4 光纤电流传岳器传露头和传感信号处理部分 7 两安工业大学工程硕士学位论文 2 ) 国内光纤电流传感器研究现状 国内在光纤电流传感器方面的研究开始于八十年代。主要是一些大学和科研院所等研 究机构进行研究工作，无论是从技术角度还是研制情况都比国外落后，目前公开报道的已 挂网运行的仅有为数不多的几家。最早对该产品进行研究的是沈阳变压器厂和四平电业局 共同研制的光纤电流传感器于八十年代在四平电业局挂网试运行，创造了国内首次挂网运 行的记录。再就是由清华大学和中国电力科学研究院，利用国家自然科学基金共同研制 1i o k v 光纤电流传感器，它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行，运行情况未见有详 细报道。华中理工大学与广东新会供电局对这项技术开展研究并进行了挂网试运行，它们 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1l o k v ，额定电流1 0 0 一- - 3 0 0 a ，精度士3 ， 挂网至今运行正常。 清华大学、华中理工大学、南开大学等国内一些著名高等院校做了大量的理论和实 际研究工作。国内一些有实力的集团和厂家，如沈阳变压器厂、保定天威集团、上互公司 等，凭借他们多年生产经验，利用他们的设备、经济实力和人才优势，在引进国外先进技 术的基础上，或自行独立研制或与高等院校走联合开发的道路。清华大学在廖廷彪、罗承 沐等教授主持下，先后与中国电力科学研究院、沈阳变压器厂等开发出多种电子式电流和 电压传感器，包括全光纤干涉型、块状晶体型、激光驱动的混合型传感器。不仅如此，清 华大学对晶体材料的热应力效应、传感头的组装工艺、补偿措施和接口技术也进行了深入 研究，取得了可喜的成绩。 燕山大学曾在国内首次提出利用差分式s a g n a c 干涉原理测高压母线电流，并在原机 械工业部基金赞助下完成了样机的试制。由于差分式s a g n a e 干涉仪对由温度产生的热应 力和外界震动产生的干扰有自动补偿功能，样机具有很高的稳定性1 。后来又在河北省重 点基金资助下，完成了有源式光纤电流传感器的研制。 我国是电力大国，又处于快速发展阶段，光纤电流传感器在国内有很大的市场容量， 具有巨大商业价值和良好的社会效益。目前各大院校及科研院所都在加快光纤电流传感器 的研究与商品化试制，并且有很多私营企业也在积极寻求技术开发与合作。 1 4 本文的研究内容及主要工作 由目前国内外对光纤高压电流传感器的研究现状，可以看出，采用有源型的光纤电流 传感器面临的主要问题是高压侧取电源的困难，而对这一难题至今也没提出一种较为理想 的解决办法，采用无源型或全光纤型的光纤电流传感器面临的最大问题就是光纤特性受温 度影响使测量非线性误差增大，线性双折射效应是光纤电流传感器实用化的最大障碍，线 性双折射效应对旋光效应有熄灭作用。线性双折射使线偏振光的两个正交光振动分量之间 产生了相位差，使输出光变成了椭圆偏振光。而椭圆偏振光转角的测量灵敏度比线偏振光 要小，这相当于使系统的等效v e r d e t 常数变小。在最不理想的情况下，当两个正交分量间 r 西安工业大学t 程硕士学位论文 的相位差为9 0 0 时。输出光就会变成圆偏振光，这时的测量灵敏度将下降为零。 克服线性双折射问题的思路是采用具有较高费尔德常数的整块光学玻璃做探头，因而 具有体积小、重量轻、结实耐用等特点。由于经过退火处理的光学玻璃其内在双折射极小， 故这类传感器几乎不存在线性双折射导致的偏振态退化问题。 基于上述论点，本文建立了基于法拉第效应的块状玻璃光纤电流传感器。选用带尾纤 的半导体激光器，经偏振片起偏，光束在传感头内传输，利用法拉第效应及其与光的传播 方向无关的特性，反映在流导线中电流的大小和相位信息。该方案在高压端无需电源，被 测信号在高压端变成光的相位变化，相位变化了的光信号经光纤传输至低压端，在低压端 对光的相位的变化进行检测，计算出相应的电流大小。对系统可能会出现误差的地方进行 分析，并提出相应的解决方案。 1 5 本章小结 本章重点对国内外光纤电流传感器的研究现状进行了较为详细的论述，并且对各种类 型的电流传感器进行比较说明。阐述了当前存在的主要问题，明确了本课题的基本目标和 实现方法。 9 2 光纤电流传感器理论基础 2 光纤电流传感器理论基础 2 1 平面光波的偏振特性 平面光波是横电磁波，其光矢量的振动方向与光波传播方向垂直。而在垂直传播方向 的平面内，光振动方向相对光传播方向是不对称的，这种不对称性导致了光波性质随光振 动方向的不同而发生变化。我们将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质，称为光 波的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。 2 2 光波的偏振态 根据空间任一点光电场e 的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为线偏 振、圆偏振和椭圆偏振。 设光波沿z 方向传播，电场矢量为 e = e oc o s ( c o t k z + 呼o o ) ( 2 1 ) 为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿x 、y 方向振动的两个独立分量的线性组合， 即 e = 皈+ 归， ( 2 2 ) 其中 e = e o jc o s ( c o t 一舷+ 吼) e y = e o y c o s ( ( o t l c z + 9 0 将i - - - 式中的变量t 消去，经过运算可得 ( 每 2 + ( 若) 2 _ 2 ( 去 ( 专 c 。s 缈划n 2 缈 晓3 ， 式中，缈= 缈，+ 纯。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆，椭圆偏 振诸参量如图2 1 所示。相位差缈和振幅比e v e x 的不同，决定了椭圆形状和空间取向 的不同，从而也就决定了光的不同偏振态。不同缈值相应的椭圆偏振态如图2 2 所示。实 际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况。 2 2 1 线偏振光 当e 】【、e y 二分量的相位差，缈= m t t ( m = 0 ，l ，2 ，) 时，椭圆退化为一条直线， l o 西安工业大学工程硕士学位论文 称为线偏振光。此时有 ( 2 4 ) 当m 为零或偶数时，光振动方向在i 、i i i 象限内；当m 为奇数时光振动方向在i i 、象 限内。 由于在同一时刻，线偏振光传播方向上各点的光矢量都在同一平面内，所以又叫做平 面偏振光。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面。 图2 1 椭圆偏振诸参量 产0y产丌4萨订2 产3 耳4 田囫囹圈田 户5 n 4产3 玎2 产7 霄4 圈囹囫 图2 2 不同缈值相应的椭圆偏振 2 2 2 圆偏振光 当e 】【、e y 的振幅相等( e o x _ e o y = e o ) ，相位差9 = ，叫2 ( m = l ，3 ，5 ) 时， 椭圆方程退化为圆方程 + e = 霹 该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有 ( 2 5 ) 小 i = 髟一t 囫 孙网朋几u劬叼圃 西安工业大学工程硕士学位论文 争= e + f 三划 ( 2 6 ) e y 式中，正负号分别对应右旋和左旋圆偏振光。所谓右旋或左旋，与观察的方向有关，通常 规定逆着光传播的方向看，e 顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之，称为左旋圆 偏振光。 2 2 3 椭圆偏振光 在一般情况下，光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变，它的末端轨迹 是由2 3 式决定的椭圆，故称之为椭圆偏振光。在某一时刻，传播方向上各点对应的光矢 量末端分布在具有椭圆截面的螺线上，如图2 3 所示。椭圆的长、短半轴和取向与二分量 e ，【、e y 的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差缈：当扫何 缈 ( 加+ 1 ) 万时，为右 旋椭圆偏振光；当( 2 优一1 ) n ( a j 万一4 万一2 v i 一 z 口 一 一 万一4 口 z 1 i 耋毒 锄 协 眦 = = 瓦扛一口 西安工业大学1 ：程硕士学位论文 这个矩阵通常称为琼斯矢量。这种描述偏振光的方法是一种确定光波偏振态的简便方法。 对于在i 、i i i 象限中的线偏振光，有讫= 哆= 鲲，琼斯矢量为 菪 = 乏二 p ( 2 1 3 ) 对于左旋、右旋圆偏振光，有哆一致= 叫2 ，e o 斯e 0 ，其琼斯矢量为 善 = 二， 五。p 坪，o c 2 4 ， 考虑到光强，= t 2 + e y 2 ，有时考虑到光强，有时将琼斯矢量的每一个分量除以 , 7 - ，得到标准的归一化琼斯矢量。例如，x 方向振动的线偏振光、y 方向振动的线偏振 光、4 5 。方向振动的线偏振光、振动方向与x 轴成0 角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋 圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为： 嘲， o ，孚 ： ， 茹升孚阱孚已 如果两个偏振光满足如下关系，则称此二偏振光是正交偏振态： e e ；= c e he 。y 篆： = 。 ( 2 1 5 ) 例如，x 、y 方向振动的二线偏振光、右旋圆偏振光与左旋圆偏振光均互为正交的偏振光。 利用琼斯矢量可以很方便地计算二偏振光的叠加： 乏 = 主：二 + 乏 = _ 上e l 2 工v + + 正e 1 2 工v 亦可很方便地计算偏振光e i 通过几个偏振元件后的偏振态： ( 2 1 6 ) 笔 = 兰二宝： 兰；耋： ： 笔 ( 2 7 ， 西安工业大学工程硕士学位论文 式中， 乏 为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵，可由光学手册查到。 2 3 3 斯托克斯参量表示法 如前所述，为表征椭圆偏振，必须有三个独立的量，例如振幅b 、e v 和相位差缈， 或者椭圆的长、短半轴a 、b 和表示椭圆取向的l ! f ，角。1 8 5 2 年斯托克斯( s t o c k e s ) 提出用四 个参量( 斯托克斯参量) 来描述一光波的强度和偏振态，在实用上更为方便。与琼斯矢量不 同的是，这种表示法描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光，也可以是 单色光、非单色光。可以证明，对于任意给定的光波，这些参量都可由简单的实验加以测 定。 一个平面单色光波的斯托克斯参量是： 薹s2=2e工e引cosc,os3=2efes i n c , o & = 一g i yl ，i 其中只有三个是独立的，因为它们之间存在下面的恒等式关系： 菇= 彳+ + g ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 参量s o 显然正比于光波的强度，参量s l 、s 2 和s 3 则与图2 1 所示的表征椭圆取向的 y 角和表征椭圆率及椭圆转向的z 角有如下关系： ( 2 2 0 ) 2 3 4 邦加球表示法 邦加球是表示任一偏振态的图示法，是1 8 9 2 年由邦加( p o i n c a r e ) 提出的。邦加球在晶 体光学中非常有用，可决定晶体对于所穿过光的偏振态的影响。 邦加球是一个半径为s o 的球，其上任意点p 的直角坐标为s l 、s 2 和s 3 ，2 z 和2 杪 是该点的相应球面角坐标( 如图2 4 所示) 。一个平面单色波，当其强度给定时( s o = 常数) ， 对于它的每一个可能的偏振态，上都有一点与之对应，反之亦然。可以证明，赤道上 1 s 缈形 傩g 彩劲豺爱咄 两昂岛 = = = 西安工业大学工程硕士学位论文 ( z = o ) 不同点代表不同振动方向的线偏振光，球面上赤道上半部分的点代表右旋椭圆偏 振光，下半部分的点代表左旋椭圆偏振光，南、北极两点则分别代表左、右旋圆偏振光。 图2 4 单色波偏振态的邦加球表示法 2 4 光学系统的矩阵表示 知道一个光学系统装置的琼斯矩阵后，从该光学系统出射的光束的琼斯矢量，就可以 简单地通过入射光束的琼斯矢量乘以该系统的琼斯矩阵而求得；或用入射光矢依次与构成 光学系统元件的琼斯矩阵相乘而求得。 因此，如果我们用口、a o 和，来表示入射和出射光束的琼斯矢量以及该装置的琼斯 矩阵，则有： a - j a o ( 2 2 0 ) 关系式( 2 2 0 ) 是琼斯运算的关键公式。因此，如果有琼斯矩阵为以和以的两个光 学系统装置相串联，并且嘞、嚷、呸分别为初始入射光束，两装置之间的光束以及从第二 装置出射光束的琼斯矢量，则可以得到： 口l - - - l 口o ( 2 2 1 ) 口2 = j 2 9 t l ( 2 2 2 ) 两式联立，可得： 口2 = j 2 ( j l 口o ) = j 2 j l 口o ( 2 2 3 ) 与此类似，我们来考虑一个琼斯矢量为的光束依次进入琼斯矩阵为 ，j ：，以的 一系列光学系统装置，那么从这一系列装置出射的光束的琼斯矢量为： 口= 以以以 ( 2 2 4 ) 因矩阵运算不满足交换律，故上式中矩阵相乘的顺序不能颠倒。 1 6 西安工业人学工程硕士学位论文 2 5 偏振器件特性的描述 当一束偏振光通过一个光学器件时，假设入射光的偏振态用巨= 盖 表示，透射光的偏 振态用e = 乏 表示，偏振器件g 起着巨和e 之间的变换作用。假定这种变换是线性的 ( 在线性光学_ 4 4 - -1 ：1 、- t 4 。- 足) ，也就是说透射光的两个分量彳：、b ：是入射光的两个分 量a l 和b l 的线性组合： 4 = g l l 4 + 9 1 2 b il 色= 9 2 l a i + 9 2 2 b ij 式中，g l l 9 1 2 ，9 2 l ，9 2 2 是复常数。( 2 2 5 ) 式写成矩阵形式表达如下： 三： = ；：；兰 罢： ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) e t = g e f ( 2 2 7 ) 式中： g ：r 鼠醌 ( 2 2 8 ) l 如j 因此，一个偏振器件的特性可以用矩阵g 来描述。矩阵g 称为该器件的琼斯矩阵。 下面为几种常用光学元器件的琼斯矩阵： 产生式( 2 3 0 ) 所表示的方位角为沙，椭率为国的椭圆偏振光的理想椭圆偏振器的 琼斯矩阵为： l c o s 2 0c o s o s i n ol id c o s o s i n 0 c o s 2 0 l q 2 9 ) 其中：t a n ( 2 y ) = t a n ( 2 0 ) c o s5 ，s i n ( 2 m ) = s i n ( 2 0 ) s i n t $( 2 3 0 ) 理想的右旋圆偏振器的琼斯矩阵是： 互1 b 习 眨3 ， 理想的左旋圆偏振器的琼斯矩阵是： 1 7 西安- t 业大学工程硕十学位论文 $ 习 出矧 嘲 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 2 6 反射光的偏振特性 2 6 1 偏振度 在前面讨论了平面光波按其光矢量端点的变化轨迹定义的线偏振光、圆偏振光和椭圆 偏振光的偏振特性。实际上，由普通光源发出的光波都