（光学工程专业论文）基于块状yig晶体的光纤电流传感器.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文设计了一种以块状纯钇铁石榴石晶体作为传感元件的光纤电流传感器，并 对其各方面性能进行了理论研究和实验测试。由于纯钇铁石榴石晶体具有强法拉第 旋光效应以及快速响应等特点，而与此同时此传感器还具备小巧坚固的结构和固有 的电绝缘性能，此传感器在高压电力系统中的弱暂态电流的测量中将会有很好的应 用前景。 首先，论文对本设计项目的出发点进行了简明的阐述，对各种前沿的电流测量 技术进行了概述和优劣比较。在对不同材料磁光晶体的各方面性能进行了比较之 后，论文对此传感器的基本原理进行了阐述，对设计及组装上需要注意的地方进行 了总结。 其次，论文对传感器的灵敏度、磁滞效应、温度依赖性等进行了实验研究，研 究结果表明，传感器具有很好的线性度以及快速的响应。此外，设计了一个由4 个 传感头组成的传感器系统来对传感器的载流导线位置依赖性进行了研究。研究结果 表明，实验测量与理论计算取得了很好的一致性。 最后，设计了一个为弱暂态电流的测量进行了特别优化的系统，并对此系统的 性能进行了实验研究。研究表明，此系统能够测量弱至2 0 毫安的暂态电流。 关键词：法拉第效应，钇铁石榴石，磁滞效应，电流传感器，暂态响应 浙江大学硕士学位论文 a b s tr a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eu s eo fb u l ky t t r i u mi r o ng a r n e tc r y s t a l sw i t hl a r g em a g n e t o o p t i c a le f f e c ta n df a s tr e s p o n s ea so p t i c a ls e n s o r sf o rt h em e a s u r e m e n to fs m a l lt r a n s i e n t c u r r e n t si sd i s c u s s e d t h es e n s o ri sc o m p a c ta n dr o b u s t ，w h i l ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h i n t r i n s i cs e n s i t i v i t y ，f a s tr e s p o n s ea n da l s oi n t r i n s i ce l e c t r i c a li s o l a t i o na r eo f f e r e da sw e l l ， w h i c hm a k ei ta t t r a c t i v ef o rm e a s u r e m e n to fs m a l lt r a n s i e n tc u r r e n t si nh i g hv o l t a g e p o w e rs y s t e m s a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o n ，i nw h i c ht h em o t i v a t i o no f t h ep r o j e c ti sp r e s e n t e da n d s e v e r a lg e n e r a lc o n s i d e r a t i o n so fs e n s o rd e s i g na r ed i s c u s s e d ，v a r i o u ss t a t e - o f - t h e a r t c u r r e n ts e n s o r sa r er e v i e w e da n dc o m p a r e d ac o m p a r i s o no fv a r i o u sp r o p e r t i e so f d i f f e r e n tm a g n e t o - o p t i c a lc r y s t a l si sa l s op r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，a f t e rw h i c ht h eo r i g i n a l r e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n da l s ot i p so nt h ed e s i g no ft h es e n s o ra r ep r e s e n t e d t h ev a r i o u s s e n s o rc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e m o n s t r a t e d ，w h i c hs h o w sg o o dl i n e a r i t ya n df a s tr e s p o n s i v i t y af o u r - s e n s o rs y s t e mf o ri n v e s t i g a t i n gt h ec o n d u c t o rp o s i t i o nd e p e n d e n c ei sd e s c r i b e d a n dm e a s u r e m e n tr e s u l t sh a v es h o w ng o o dc o n s i s t e n c yw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a tl a s t , ac o n f i g u r a t i o no p t i m i z e df o rm e a s u r e m e n to fs m a l tt r a n s i e n tc u r r e n t si s d e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sc o n f i g u r a t i o ni se x p e r i m e n t a l l yc h a r a c t e r i z e d ，a n dt h e c a p a b i l i t yt om e a s u r et r a n s i e n tc u r r e n td o w n t o2 0 m ai sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：f a r a d a ye f f e c t ，y i g ，h y s t e r e s i se f f e c t ，c u r r e n ts e n s o r s ，t r a n s i e n tr e s p o n s e 1 i 浙江大学硕士学位论文 1 1 论文的目标及结构 第一章简介 随着工业应用和科学研究的不断发展。对电流传感器的响应速度和响应灵敏度 的要求也越来越高，然而与此同时使用传感器的物理条件却变得越来越苛刻。因 此，由于其抗电磁干扰能力强、电绝缘性能优秀、体积小、结构简单等众多优点， 光学传感器有了越来越广泛的应用。光学传感器的上述优点在高压电力系统中显得 格外的重要和显著。 本论文主要是基于在a b b 公司瑞士研发中心的工作而完成的。此论文项目的 目标就是要设计一个应用于高压断路器研发的磁光电流传感器。 高压断路器能够快速而可靠的截断短路电流，因此它在高压传输及配电网络中 有着十分重要的作用。电流穿过零位置的时候，电路的瞬时能量是最小的，因此电 流零位前后的这段时间是断路器截断电流的关键时刻。研究结果表明，这段时间内 的电流和电压信息对于预算断路器截断电流的能力有很关键的作用。另一方面，这 段关键的时间通常只持续大约几十个微秒【1 】【2 】，这也就成为了本论文的动机。 本论文的目的就是分析用一个基于块状钇铁石榴石晶体的磁光电流传感器用于 测量暂态的磁场及电流的可行性。 本文的结构如下所述。首先，我们对光学传感领域以及光学传感器做了一个简 要的介绍。紧接着，在第二章中我们对目前最新的电流传感器做了简单的分析及比 较。在第三章中我们对不同种类以及几何参数的晶体的磁光性能进行了比较。本文 所设计的磁光电流传感器的基本原理以及所涉及到的物理原理将在第四章中进行说 明。在第五章中，我们通过大量的实验对传感器的各方面性能做了分析。最后，在 结论中我们对进一步优化磁光电流传感器所需要继续作出努力的方面进行了简要的 讨论。 浙江大学硕士学位论文 1 2 光学传感器简介 1 2 1 传感器设计中的几点考虑 传感器能够将一种特定的物理量或者化学量等，通常称作被测量，转换为另一 种物理量( 目标域) 。因此一个理想的传感器应该具备以下特点： 传感器应该对于被测量敏感 传感器不应该对其他的量敏感 传感器本身不应该对被测量有任何影响 理想的传感器一般具有线性性，即其输出信号应该与被测量呈线性关系。传感 器的性能通常用很多参数来表征，如灵敏度、非线性度、信号漂移、噪声、滞后 量、稳定性等。 1 2 2 光学传感器以及光纤传感器 对于光学传感器而言，目标域就是光域。图1 1 给出了一个典型的光学传感系 统的示意图。 物理量光学量电学量 图1 - 1 典型的光学传感系统 对于光学传感器而言，被测量可以是电场、磁场、机械位移及震动、速度及加 速度、应力，以及一些生物化学物质及气体等等，这也使得光学传感器有着极为广 泛的应用领域。 光学传感器的传感机理一般是基于一种或者几种下列的光波特性，即光强、相 位、偏振态以及波长或频率的漂移等等。需要指出的是，事实上光强是唯一可以直 接用探测器测量的物理量，诸如相位、偏振态之类的所有其他的量都必须通过某种 方式转换成光强才可以进行测量。 2 浙江大学硕士学位论文 光学传感器在众多工业领域都有着广泛的应用，尤其是在一些条件比较恶劣以 至于很难使用传统的测量设备的环境下。由于其具有的诸如体积小、抗电磁干扰能 力强、电绝缘性能良好，以及能够多路复用等特点，光纤传感器在很多应用中都显 得十分有吸引力。 光纤传感器通常包含一个或多个光学传感元件，并且用光纤作为波导。光纤传 感器一般可以分为两类，一类是本征型光纤传感器，一类是非本征型光纤传感器。 前者中光纤在作为波导的同时，也是传感元件；而后者中一般包含另外的传感元 件，而光纤仅仅是作为波导。 3 浙江大学硕士学位论文 第二章电流测量技术 在很多的工业应用中，电流信息都显得非常重要。为了满足这些不同的需要， 科研人员已经对电流的测量技术作出了大量的研究。在本章中，我们将对一些最新 的电流测量技术，如基于分流电阻、r o g o w s k i 线圈、霍尔效应、巨磁阻( f i m r ) 效应以及法拉第旋光效应等的测量方法，进行一个简单的介绍。 2 1 分流电阻 具有电绝缘性能的测量技术已经被广泛的应用在各个领域，然而，由于具备低 成本、高精度、原理简单等优点，以分流电阻为代表的非绝缘测量技术仍然在某些 应用中有着一席之地。 分流电阻测量电流的基本原理十分简单，即在电流的通路中引入一个分流电 阻，从而电阻两端的电压降与流过的电流成正比。【3 】分流电阻既可以应用于交变 电流的情况，也可以应用于直流的情况。 分流电阻被广泛的应用在一些要求好的高频特性的应用中。为了增加其带宽， 人们对如何减少如寄生电感、趋肤效应等电寄生效应进行大量的研究。【3 7 】 另外，由于电阻被引入到电流通路中，由欧姆定律p = r 1 2 我们可以看到，在 电流很大的情况下，功率损耗将会变得很显著，这也在一定程度上限制这分流电阻 的应用。 2 2r o g o w s ki 线圈 r o g o w s k i 线圈在电流传感方面同样有着十分广泛的应用，其基本原理图如图 2 1 所示。 4 浙江大学硕士学位论文 c 图2 一lr o g o w s k i 线圈 如图2 1 所示，线圈内的磁感强度强度云可以有安培环路定律得到： y o u t q b d = ，( 2 1 ) e 式中：云为磁感强度，单位为t ； o 为真空中的磁导率，a 。= 4 万xl o 7 h m ； i 为载流导线中的电流，单位为a 。 当线圈的截面面积远小于其半径r 时，线圈内的磁感强度强度云可以简化为： 召= 型 ( 2 2 ) 2 m 、7 因此，r o g o w s k i 线圈两端的电压v 可以有法拉第电磁感应定律得到： ，= 一型d t = 一鲥笠2 n r 坐d t ( 2 3 ) ，= 一= 一，川三一 i z j i 、， 式中：n 为线圈的匝数； a 为线圈的横截面积，单位为m 2 。 从而，通过积分得到的输出电压v 为： 矿训一去警i ( 2 4 ) 矿训一而嚣 ( 2 4 ) 5 浙江大学硕士学位论文 研究表明，r o g o w s k i 线圈对载流导线的位置以及线圈的形状均无依赖性。8 1 由于使用的是非磁芯，r o g o w s k i 线圈即使在极大的峰值电流下也呈现出良好的线 性度。【9 】不过，研究指出，r o g o w s k i 线圈不能够测量d c 分量。【1 0 】 2 3 巨磁阻( g m r ) 电流传感器 某些材料在磁场的作用下其电阻会发生改变，这种现象称为磁阻效应。巨磁阻 ( g m r ) 效应是磁阻效应的一种，即微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变 化。巨磁阻效应在近年来得到广泛的关注，法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家 彼得格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2 0 0 7 年诺贝尔物理学奖。 g m r 传感器通常包含一个4 层结构，如图2 2 所示。当然也有更多层的结构 构成的g m r 传感器，不过研究表明这种4 层结构在许多应用中能够提供更好的性 能。【1 1 1 2 1 如图2 2 a 所示，一层很薄的导体夹在两层铁磁层之间，其中一个铁磁层 的磁化方向被一个反铁磁层钉住，而另外一个铁磁层的磁化方向则可以随着外部磁 场的变化而自由变化，从而引起电阻的变化。 a ) b = 0 r = 粕 r - 2 = 白2 , l 0 6 0 ) ，则我们可以得到： r 20 出 _ 0 q 加， 一束线偏光可以用琼斯矢量的形式表示为： 云= 乏 = e 耍+ _ 矿 c 2 - ， 其中，贾= 习和矿= o 是该线性卒- i m 的正交规范基。 这束线偏光也可以表示为： 云= 乏 = 既三+ e 尺。晨c 2 _ 2 ， 黼三= 堋躲出p 线性空间的正交规撼撕孙 三= 击阴和晨= 击嘲分别表示一束左旋圆偏光和一束右旋圆偏光。也就是 说，一束线偏光可以分解为正交的一束左旋圆偏光和一束右旋圆偏光。 基忙，矿 可以变换为基仁，晨 ，其基变换矩阵u 为： 材= 黜爿 亿 从而有j = 以以及p = 妇，进而波动方程变为【17 】： + f 0 一刀2 一，乏一以： 笔 = 。 c 2 4 ， 【-一，s ；一以2j l b j 。 p 7 由此而得出的结论是，以不同速度传播的左旋及右旋圆偏光是波动方程的本征 解，其速度分别为【1 7 】： r l r = 属j 石 ( 2 1 5 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 如前所述，这两束以不同速度传播的圆偏光产生一个净相位差，从而引起了原 入射线偏光偏振面的旋转。 在抗铁磁性材料中，偏振面旋转的角度和磁场之间的关系由下式给出： 0 = vb l ( 2 1 6 ) 式中：e 为旋转角，单位是r a d ； v 为材料的v e r d e t 常数； b 为磁感强度，单位为t ； l 为作用长度，单位为1 1 1 。 除了电流的测量外，法拉第效应由于其非互易性而被广泛应用与微波频段以及 光波频段的隔离器和环形器中。【1 8 】 2 5 2 光纤双折射和保偏光纤 我们知道，单模光纤仅支持一种模式光波的传播，即基模h e l l 模。对基模模 场的分析表明，其轴向分量相对小很多，因而在弱导波光纤中h e l l 模通常可以近 似地看作线性偏振的。事实上，一根单模光纤同时支持两个简并的正交偏振模，即 它们有着同样的模式折射率。 然而，这种简并特性仅仅对于有着均匀芯径的完美圆柱型纤芯的理想的单模光 纤。而实际的光纤往往并非如此理想，这种正交偏振模的简并特性通常会由于不完 美的结构、温度的变化以及机械振动等因素而失去，从而表现出我们通常称为“光 纤双折射 的性质。这种双折射的程度由下式给出【1 9 】： b 。= i 刀，一刀yl ( 2 1 7 ) 式中：刀，和唧分别是两个正交偏振模的模式折射率。这两个模式之间将会发生周 期性的能量交换，这个周期成为“拍长”，由下式给出【1 9 】： 厶= 纠吃 ( 2 1 8 ) 在传统的单模光纤中，由于纤芯形状以及各向异性的应力的作用，召。并不总 是常数，而是随机地变化着。 1 9 , 2 0 】因此，入射到光纤的线偏光会很快的形成一种 浙江大学硕士学位论文 任意偏振的状态，这对于我们的光学传感器而言是不好的。此外，它还能够引起一 种限制高速光纤通讯系统的性能的光脉冲的展宽，即偏振模色散。 保偏光纤是一种特殊的光纤，在其中传播的光能够保持其偏振态。这是通过人 为地引入一些双折射，从而使得上述的随机变化的双折射不再起主导作用。【1 9 】需 要说明的是，由于保偏光纤的本征模是线偏光，而法拉第效应是一种圆双折射，因 而保偏光纤并不能用作基于法拉第效应的电流传感器中的波导。不过，保偏光纤可 以用来制作消偏器，后者是光纤电流传感器中的重要组件，将会在第四章中介绍。 2 5 3 基于光纤中的法拉第效应的电流传感器 近年来，人们对能应用于电力系统的光学电流测量技术进行了大量的研究工 作。 2 1 , 2 2 j 这种基于光纤中的法拉第效应的电流传感器的基本原理是，在光纤中传播的线 偏光的偏振面在磁场的作用下发生了旋转，其旋转角由下式给出： o = vjh l ( 2 1 9 ) 式中：v 为v e r d e t 常数，与波长有关； h 为磁场强度； l 为作用长度。( 粗体字母代表矢量) 此类电流传感器的基本装置是用一匝或者多匝的光纤来环绕载流导线，从而， 根据安培环路定律有： jh l = i( 2 2 0 ) 式中：l 为待测电流。 从而有 0 - - v i ( 2 2 1 ) 这样，对于给定波长的光，旋转角只与光纤回路内的电流有关，因而不受载流 导线在其中的位置、光纤回路形状以及杂散场的影响。 光纤电流传感器在高压电站中的计量、控制以及保护等各个方面都起着越来越 重要的作用。【2 3 】 1 2 浙江大学硕士学位论文 这种光纤电流传感器的发展和应用在过去的很长一段时间内都受制于温度、应 力及振动等引起的线性双折射的影响。 2 3 - 2 5 1 研究人员为了解决这个问题，做出了 大量的努力并且提出了不少解决方案，其中包括退火融硅光纤【2 6 l 、具有低光弹性 系数的火石玻璃光纤阳、扭转光纤【2 8 】、旋制椭圆双折射光纤【2 9 】等等。 此外，v e r d e t 常数还与温度有关，这也在很大程度上限制了光纤电流传感器的 发展。【2 3 】不过，k b o h n e r t 等人的近期研究表明，这种温度依赖性可以通过使用 双折射相位延迟器得到有效的补偿。【2 3 】 2 5 4 基于块状材料中的法拉第效应的电流传感器 上节所介绍的基于单模光纤中的法拉第效应的光学电流传感器已经有着十分广 泛的应用。然而，对于某些应用而言，其灵敏度和响应速度还显得不够。另一方 面，由于块状材料具有很强的法拉第效应，这种电流传感器往往还有着体积小、总 量轻的优点。人们已经对这种块状材料光学电流传感器进行了大量的研究工作。 3 0 - 3 2 通常，这种采用块状材料的电流传感器有着与如前所述的光纤电流传感器类似 的结构。不同的是，在这里光波是通过全反射来形成包围载流导线的回路。然而， 由菲涅耳公式我们知道，对于全反射而言，当入射角大于临界角的时候，两个正交 的偏振分量之间将会引入一个相位差，从而引起了偏振态的变化。这种偏振态的变 化对传感器性能的影响与光纤双折射对光纤电流传感器的形象类似。 人们已经提出了一些方法来解决这个问题，如双正交反射法【3 1 , 3 3 】，临界角反射 法，等等。 图2 5 给出了一种基于双正交反射法的结构： 3 3 , 3 4 】 1 3 浙江大学硕士学位论文 u m 图2 - 5 双正交反射法 如图2 5 所示，由于其独特的“双正交 结构，在此方框形结构的每个直角处 都会有两次全反射，因而前一次反射所引起的偏振态变化将会被后一次反射补偿， 详细的j o n e s 矩阵分析见f 3 5 】。 另一方面，同样由菲涅耳公式我们知道，当光以临界角入射时不引入上述的相 位差，即其偏振态可以得到保持。【3 6 】c h u 等人提出了一种使用三角形结构的块状 光学电流传感器，如图2 - 6 所示。【3 7 】在这种结构中，通过精密的设计和制造使得 光刚好是在临界角进行全反射，从而可以保持其偏振态。 图2 - 6 三角形结构传感器【3 5 】 1 4 浙江大学硕士学位论文 与采用方框形的双正交反射法传感器相比，这种三角形的配置更为简单，便于 低成本生产。然而，由于光必须以临界角反射，这种结构的角度容限相对较小，从 而对于反射表面的抛光等工艺必须十分精细，这也对生产加工提出了较高的要求。 浙江大学硕士学位论文 第三章晶体的比较与选择 由于本课题的所设计的电流传感器是基于块状磁光晶体的，我们在本章中将对 磁光材料的性能影响因素以及不同材料磁光晶体的各方面性能作一个比较详尽的分 析。 3 1 磁光材料的基本知识 研究表明，亚铁磁铁石榴石晶体有着很高的磁光灵敏度，因此在磁场传感中有 着十分广泛的应用。【3 0 】 3 8 3 亚铁磁材料由许多的磁畴构成，而这些磁畴有着与外磁场对齐的倾向。法拉第 旋转角与平行于传播方向的磁化强度分量成正比，其饱和法拉第旋转角为：【3 0 】 铲= f l( 3 1 ) 式中：l 为样本的长度； f 为法拉第旋转系数，对于一定的波长在特定的材料中为常数。 饱和磁场强度k ，即使得亚铁磁材料饱和的磁场强度，由下式给出；f 3 0 】 h 删= ms 矾n d0 式中：虬为材料的饱和磁化强度，与温度以及材料的成分都有关： d 为去磁因子，仅与样本的几何条件有关，如形状等。 从而，当皿 仃，2 。因此，我们可 以将闪粒噪声项忽略不计，则信噪比可以简化为： 1 9 1 册：墨：肇 ：生墨：笠 ( 4 1 2 ) ( 4 k j | r l 廿n na k j f n 萄 、 浙江大学硕士学位论文 因此，在热噪声起主导作用的热噪声受限系统中，信噪比将随着入射光功率而 变化。通常，我们将能够使得性噪比等于1 的单位带宽的光功率定义为噪声等效功 率( n e p ) 。在实际应用中，噪声等效功率经常被用来量化热噪声的效果，由下式 给出：f 1 9 】 n e p = 每= ( 等r l r ) 矽l2 浙江大学硕士学位论文 第五章传感器性能分析 5 1 单个传感器的性能分析 5 1 1 灵敏度 一个包含2 个y i g 晶体的传感器是我们的第一个实验原型( 以下称作原型 1 )。 我们使用了一组h e l m h o l t z 线圈来产生均匀磁场。磁场在两个方向进行了扫 描，从而能够通过取均值来补偿磁滞效应。信号都已经对无磁场时的信号进行了归 一化。h e l m h o l t z 线圈所加的电流最大值为直流1 0 a 的情况下的归一化灵敏度如图 5 1 所示，其中无磁场时探测到的光功率为1 0 0p w 。 ! ： p 州= 1 0 0u w 一v p 。 r 。 z 7 。 0坩与- 4202 j 681 c u r r e n ta p p l i e dt oh e l m h o l t zc o i l s 图5 1 低场归一化灵敏度( p o p t = 1 0 0 p w ) 如图5 1 所示，传感器在低场中的响应具有很好的线性度。 为了研究光功率对y i g 晶体的影响，我们增大了驱动电流从而使得无磁场时 探测到的光功率增大到2 0 0p w 。如图5 - 2 所示，实验得到的灵敏度与图5 1 中的 灵敏度保持了很好的一致性，可见较高的光功率并未对晶体产生大的影响。 浙江大学硕士学位论文 p o p l ：2 u u “w z _ ， 。 7 c u r r e n ta p p l i e dt oh e l m h o r zc o i l s 图5 - 2 低场归一化灵敏度( p o p t = 2 0 0 “w ) 为了能够得到更大的法拉第旋转从而得到完整的灵敏度曲线，我们采用了具有 较大的匝数长度比( n l ) 的螺线管来产生强磁场。实验得到的归一化灵敏度曲线 如图5 3 所示，其中无磁场时探测到的光功率未1 0 0 w 。图5 3 中同时给出了一 条理论上的正弦曲线以供参考。 c u r r e n ta p p l i e dt os o l e n o i d 渊 图5 - 3 高场归一化灵敏度曲线( p o p t = 1 0 0 岬) 浙江大学硕士学位论文 如图5 3 所示，实验结果与理论值保持了很好的一致性，尽管整个曲线表现出 来了一个很小的偏移，这个偏移是由于起偏器和检偏器的主轴之间的角度并不是理 想的4 5 。而导致的。不过，由于我们要测量的电流是非常小的因而我们主要是在线 性区内操作，因此这个小的偏移并不会对传感器的性能产生较大的影响。 5 1 2 磁滞效应分析 为了验证实验的可重复性，我们制作了另一个包含2 个y i g 晶体的传感器 ( 以下称作原型2 ) 。然而，如图5 _ 4 所示，实验结果显示出一些异常，即电流增 加的情况下得到的曲线与电流减小的情况下得到的曲线有着巨大的差异。 c u r r e n ta p p l i e dt os o l e n o i d 图5 4 传感器原型2 表现异常 另外，这种异常仅仅在一个方向表现出来。经过分析，我们认为造成这种异常 表现的原因有两个，一个是y i g 晶体的磁滞效应，另一个就是两个偏振片间的夹 角不是理想的4 5 0 。通过检查归一化前的原始数据，我们发现，信号在螺线管电流 为：i ：2 0 a 的极值下有着与原型1 在相同电流下相近的光功率值：然而，无磁场即零 电流时的光功率值则发生了很大的变化，这种现象是典型的磁滞效应，正是它导致 了归一化后的灵敏度曲线表现出异常。 浙江大学硕士学位论文 接下来，我们通过几组实验验证了上述观点。首先，我们将电流在士2 0 a 的范 围内进行了一个完整周期的扫描，传感器表现出较大的磁滞效应。随后，我们将电 流在士5 a 的范围内同样进行了一个完整周期的扫描，磁滞效应减弱了很多。如图 5 5 和图5 - 6 所示，低场的磁滞效应要弱的多。 荸 ； 虽 0 3 簟7 -i j ，? 7 i f l r 一n ir 羔 7 7 z c u r r e n ta p p l i e dt os o l e n o i d 图5 5 高场下的磁滞效应 c u r r e n ta p p l i e dt os o l e n o i d 图5 - 6 低场下的磁滞效应 3 l 浙江大学硕士学位* 女 51 3 传感器在测量暂态电流及磁场时的性能表现 在第一章中我们己经提到，本项甘所要设计的传感器是为了测量暂态电流及磁 场，比如高压断路器在截断短路电流后的弧后电流。在本节中，我们通过对电流的 通断控制来模拟高压断路器中的电流截断操作，并使用数字示波器来记录此暂态信 号。 最初，我们使用螺线管米产生磁场。数字小波嚣的采样率设置为5 ms a s ，所 记录下来的光信号轨迹以及电流信号轨迹圈5 7 a 和图5 7 b 所示。 国57 a 光信号轨迹 国57 b 电流信号轨迹 浙江大学硕学位论文 图5 7 中所示的信号轨迹表现出来一定的电感效应，我们分析这应该是由螺线 管引起的。因此，我们改用长直导线来产生磁场，并且长直导线也是实际应用中的 载流导线的一个更好的模拟。然而，长直导线所产牛的磁场强度要比此前使用的通 电螺线管产牛的磁场要弱得多。因此，我们需要通过增大光信号功率以取得更好的 分辨牢。数字不波器的采样牢设置为1 0 ms a s 。所记录下来的光信号轨迹以及电 流信号轨迹图5 - 8 a 、图5 9 a 和图5 8 b 、图5 - 9 b 所示。 罔58 a 光信号轨迹 图58 b 电流信号轨逊 图5 9 a 光信号轨迹 图5 9 b 电流信号轨迹 如图5 - 9 所示，小至3 0 0 m a 的电流均可以被分辨出来 52 四传感器系统 我们设计了个网传感器系统。此传感器系统可以用来进行常规的电流测量 并且我们通过几组实验对系统对于载流导线的位置依赖性进行了研究。 浙江大学碗学位论文 521 传感器系统性能分析 此四传感器系统包含有4 个含2 块y i g 晶体的传感器，这几个传感器通过3 个3 d b 耦合器联接起来形成系统，其结构如图5 1 0 所示。 图5 一l o 四传感器系统示意躅 另外，需要注意的是，这4 个传感器的传感头需要以一种使得其各自单独的法 拉第旋转角累积的方向放置，实际的实验装置中这4 个传感头形成一个2 m m 2 m m 的方形回路，如图5 - 1 1 所示。 圉5 1 1 传感器系统传感头示意图以及实际的实验装置 浙江大学硕学位论文 一一一， ，一_ 7 ， 圉5 一1 2 传感器系统的归化灵敏度 如图5 1 2 所示，上述的传感器系统表现出来很好的线性度 522 长直导线位置对传感器性能的影响 对于常规的电流测量应用而言，载流导线位置的灵活性有时是比较重要的。理 论分析表明，系统性能对于导线位置的依赖性在方形回路中心附近的较大的一块面 积内是很弱的。我们搭建了一个8 m m s m m 的方形回路来验证此系统对导线位置 的依赖性，实验装置如图5 - 1 3 所示。 图5 - 1 3 用来验证导线位置依赖性的实验装置 hte2m*，! 浙江大学硕士学位论文 由于系统中有多处光纤熔接，而这种光纤熔接损耗是不可控的，因此每个传感 头的光功率是不同的。因此，我们共用了一个探测器，并且通过适当的调整光纤尾 端距离探测器的距离，从而使得每个传感头对总的光功率有着同样比重的贡献。 我们在三个方向上对此传感器系统对载流导线位置的依赖性进行了研究，即两 个直角边方向和一个对角线方向。我们对这种位置依赖性在直流系统和交流系统中 的表现分别加以验证，如图5 1 4 所示。图中的信号先是对无电流时的信号进行归 一化处理，然后再取此归一化信号对于方形回路中心处的相对值而得到的。我们对 系统在直角边方向的位置依赖性进行了理论分析，理论计算所得到的曲线同样在图 5 1 4 中给出。 图5 1 4 a 传感器系统对载流导线位置的依赖性( d c ) 图5 1 4 b 传感器系统对载流导线位置的依赖性( a c ) 浙江大学硕士学位论文 如图所示，实验结果与理论分析有较好的一致性。当然，实验所得曲线表现出 来轻微的非对称性，这是由于实验装置的方形回路的不理想以及一定的测量误差所 造成的。 5 3 为弱暂态电流的测量而优化的系统 5 3 1 系统的结构 在5 2 节中，我们介绍了一个四传感器系统。然而，为了得到更好的性噪比， 我们可以通过提高光源的功率，然而探测器在过高的功率下会发生饱和。因此，我 们需要为每个传感器配置一个单独的探测器，这就增大了系统的成本和复杂度。 为此，我们采用了一种新的优化配置，如图5 1 5 所示。 i 图5 1 5 传感器装置的示意图 在如图5 1 5 所示的装置中，我们仅需要一个传感器，不过我们需要使用4 块 y i g 晶体。这也就给光路的对准带来了一定的困难，因为很显然元件越多带来的系 统的失准就越多。一个近似圆形的铜块包围着传感头，而电流则通过导线导入铜 块。这样，沿着圆形路线流动的电流将产生一个沿着光传播方向的均匀磁场。铜块 的宽度略小于级联晶体的总长度，从而可以减小电流引起的温度上升所带来的影 响。 需要指出的是，第二章中所介绍的电流传感器几乎都有一个共同的特点，即他 们通过形成一个回路来消除杂散场以及杂散电流的影响，这在我们所设计的系统中 并非必不可少。由于我们所设计的传感器是为了测量暂态电流，这种暂态电流通常 持续时间非常之短，比如高压断路器的弧后电流只持续几十个微秒，因此，大部分 的杂散场只会对信号施加一个小的偏移，应而能够通过相应的后期处理设计将其消 除。 浙江大学硕士学位论文 5 3 2 灵敏度 为了研究上述传感器装置的性能，我们使用了一块薄的铜片来进行模拟。传感 器的性能如图5 1 6 所示，环形铜片回路的大小规格为直径6 m m 、宽度8 m m 。 7 一 p r 。 一7 r c u r r e n t 图5 - 1 6 归一化灵敏度 5 3 2 传感器在测量暂态电流时的性能表现 与5 1 3 节类似，我们同样通过几组实验来测试了传感器在测量暂态电流时的 性能。如图5 一1 7 所示，小至2 0 r n a 的暂态电流均可以被分辨出来，尽管分辨率不 是太高。 3 9 淅江大学硕士学位论立 图5 一1 7 弱暂态电流的光信号轨迹 533 温度依赖性 我们在0o c 一6 0 。c 的范围内研究了此传感器系统的温度依赖性。信号首先对无 电流时的信号进行了归一化处理，然后再取此归一化信号对于t - 0 0 c 时的相对值 而得到的，实验结果如图5 1 8 所示。 t * m p e ”t u r 0 ( 。q 图5 一1 8 传感器系统的温度依赖性 4 0 m口iqe口1日4 * 人学士学位* 女 如图所不，此传感器系统表现出较弱的温度依赖性。经过分析，我们认为这种 温度依赖性主要是由于温度的变化引起光学胶的徽弱膨胀或收缩而导致的机械失准 造成的。 534 传感器的机械封装 为了能够实现远程控制，我们将传感器进行了牢固的机械封装，即将光源和探 测器装入一个金届龠了而将传感头装入另外个盒了里而，其间的光纤则加 了坚 固的套层。此传感器机械封装的原理图以及实物分别如图5 - 】9 、图5 2 0 所示。 司o 0 o _ _ 一 u r xl 图5 1 9 忙感器机械封装下意国 图5 2 0 传感器宴物图p 浙江大学硕士学位论文 第六章结论 本文对基于具有强法拉第旋光性能以及快速响应等特性的块状纯钇铁石榴石晶 体的电流传感器在测量弱暂态电流时的性能进行了研究。此传感器使用光纤作为光 波导，此外，级联的钇铁石榴石晶体在一定程度上增强了传感器的灵敏度。此电流 传感器的主要特点是体积小巧、灵敏度高、响应迅速以及固有的电绝缘性，正是这 些特点使其在高压电力系统中的弱暂态电流的测量中将会有很好的应用前景。 文中对此快速磁光电流传感器的基本原理进行了阐述，对设计中需要注意的问 题进行了总结。此外，论文对单个传感器的性能以及一种由4 个传感头组成的传感 器系统的性能都进行了详细的理论与实验研究。研究结果显示出很好线性度以及快 速的响应。最后，文中设计了一个为弱暂态电流的测量进行了特别优化的系统，并 对此系统的性能进行了实验研究。研究表明，此系统能够测量弱至2 0 毫安的暂态 电流。此外，对传感器进行了坚固的机械封装，并且能够实现远程控制。 实验表明，本文所设计的传感器表现出很好的各方面性能。然而由于时间及实 验条件的限制，此传感器系统仍有一些需要改进和深入的地方，具体方向如下： 1 可以尝试采用具有更好理论性能材料的晶体，比如b i ：y i g 晶体，以获得更 高的灵敏度。 2 光的耦合效率还需要进一步提高，这可以通过两种方式来实现。其一是使用 更为紧密的对准装置，从而减小失准；其二是采用多模光纤系统，当然对多 模系统所带来的更强的对光纤弯曲损耗的敏感度也需要进行研究。 3 相应的数据处理软件还有待开发，从而能够增强传感器的易用性。 4 2 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 p i e t e rh s c h a v e m a k e r ，l o uv a nd e rs l u i s a ni m p r o v e dm a y r - t y p ea r cm o d e l b a s e do nc u r r e n t z e r om e a s u r e m e n t s i e e et r a n s a c t i o n so np o w e rd e l i v e r y ， 2 0 0 0 ，1 5 ( 2 ) 2 s m e e t s ，r p p ，k e r t e s z ，v ，n i s h i w a k i ，s ，s u z u k i ，k p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f h i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sb ym e a n so fc u r r e n tz e r oa n a l y s i s t r a n s m i s s i o na n d d i s t r i b u t i o nc o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n2 0 0 2 ：a s i ap a c i f i c i e e e p e s ，2 0 0 2 ，1 3 c m ，j o h n s o n ，p r p a l m e r c u r r e n tm e a s u r e m e n tu s i n gc o m p e n s a t e dc o a x i a l s h u n t s i e e ep r o c e e d i n g s s c i e n c e ，m e a s u r e m e n ta n dt e c h n o l o g y ，19 9 4 ，141 4 。j a ，f e r r e i m , w 。a c r o n j e ，w a r e l i h a n i n t e g r a t i o no fh i i g hf r e q u e n c y c u r r e n ts h u n t si np o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t s i e e et r a n s a c t i o n so np o w e r e l e c t r o n i c s ，19 9 5 ，10 5 r m a l e w s k i n e wd e