（光学工程专业论文）npbs反射相移和分光比的温度特性及其对ocrcs系统的影响.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本论文研究无偏振分束器( n o n - p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r ：n p b s ) 反射 相移和分光比温度特性、其对正交共轭反射镜电流传感器( o r t h o c o n j u g a t e r e f l e c t o rc u r r e n ts e n s o r ：o c m s ) 输出稳定性的影响及相应的温度补偿技 术。 本文基于偏振光学原理对n p b s 反射相移和分光比的温度特性进行了理 论分析；设计了测量n p b s 反射相移和分光比的温度特性的方法；对该方法的 工作原理进行了理论论证与实验，并给出了测量n p b s 反射相移和分光比温度 特性的实验方案；对n p b s 反射相移和分光比的温度特性对o c r c s 输出稳定性 的影响及相应的温度补偿效果进行了计算机仿真。研究结果表明，当温度在 5 。c 一4 0 。c 范围内变化时，n p b s 的分光比和反射相移发生了变化，但只有分 光比的温度特性影响系统输出的稳定性，该影响可以采用对系统输出尺度因 子进行温度补偿的方法来消除，从而提高系统的输出稳定性。实际实验结合 仿真分析验证了该方法的正确性与可行性。 关键词：光学电流传感器；琼斯矩阵；n p b s ；反射相移：分光比 哈尔滨| t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ef e a t u r e so ft h er e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c ea n ds p l i t t i n g r a t i oo fan p b s ( n o n - p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r ) a l ei n v e s t i g a t e d ，t h e i ri n f l u e n c e s o nt h eo u t p u ts t a b i l i t yo fo c r c s ( o r t h o c o n j u g a t er e f l e c t o rc u r r e n ts e n s o oa r e a n a l y z e d , a n dc o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d t h et e m p e r a t u r ef e a t u r e so ft h er e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c ea n ds p l i t t i n g r a t i oo fn p b sa r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e db a s e do nt h ep r i n c i p l e so fp o l a r i z a t i o n o p t i c a l t h em e t h o dt om e 嬲u r et h et e m p e r a t u r ef e a t u r e so f t h er e f l e c t i o n - i n d u c e d r e t a r d a n c ea n ds p l i t t i n gr a t i oo fan p b si sd e s i g n e da n dv e r i f i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h es c h e m e so nm e 器u r i n gt h et e m p e r a t u r ef e a t u r e s o ft h e r e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c ea n ds p l i t t i n gr a t i oa r ep r o p o s e d t h ei n f l u e n c e so f t h et e m p e r a t u r ef e a t u r e so ft h er e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c ea n ds p l i t t i n gr a t i oo n t h es t a b i l i t yo ft h eo u t p u to fa no c r c sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ne t f e c t sa r es i m u l a t e d t h er e s u l ts h o w st h a tw h e nt e m p e r a t u r e v a r i e si nar a n g ef r o m5 。ct o4 0 。c o n l yt h es p l i t t i n gr a t i oh a si n f l u e n c e so n t h es t a b i l i t yo ft h eo u t p u t t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no fs c a l ef a c t o rc o u l d e l i m i n a t et h i se f f e c t , a n dt h u ss t r e n g t h e nt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m a c t u a l e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dq u a n t i t a t i v es i m u l a t i o na n a l y s i so ut h e s er e s u l t sp r o v e t h ec o r r e t u e s so f t h em e t h o da n di t sf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：o p t i c a l c u r r e n t s e n s o r s ；j o n e sm a t r i x ；n p b s ；s p l i t t i n gr a t i o ； r e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光学电流传感器的研究进展及分类方法 “西电东送”是国家实施西部大开发战略做出的重大决策和标志性工程， 也是西部大开发的骨干工程。“西电东送”属于横向的送电型联网。“十五” 计划明确提出：“建设西电东送的北、中、南三条大通道，推进全国联网。 以南方电网为例，“十五”期间建成西电东送“六交三直”九条大通道，目前 输电能力超过1 2 0 0 万千瓦，是2 0 0 0 年的1 0 倍。为满足南方电网和西电东送 需要，该地区“十一五”投产规模要达到2 3 8 4 万千瓦，开工规模达到1 8 8 6 万 千瓦；“十二五”投产规模要达到2 8 8 6 万千瓦，开工规模达到2 9 5 6 万千瓦： 并建设若干新的西电东送输变电工程。在“十一五”期间，不仅要加大对 5 0 0 k v 、7 5 0 k v 干线建设的投入，并且1 0 0 0 k v 干线建设也已开始招标。 在电力工业一百多年的发展历史中，电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ： c t ) 作为测量电流的设备为电力系统中的计量、继电保护、控制与监视等发 挥了重要作用，为保证电力系统的安全、可靠运行作出了重大贡献，无论是 从解决问题的方法而言，还是在更为广泛的意义上，从科学技术本身发展的 需要上来说，人们对于电力系统中电流的其它测量方法的探索一直没有间断 过。 自1 9 7 3 年r o g e r s 提出光纤电流传感思想以来，许多研究者已投入大量 精力，为克服光纤线性双折射对系统的影响，提出了很多设计方案h 】。如： l i n 等人最近报告了改进的被动解调串联式s a g n a c 干涉仪型0 c s 嘲；王廷云 等提出采用马赫一泽德尔干涉仪的平衡测试电流传感方案【3 】；王政平等人提出 的正交共轭反射镜电流传感器方案【】。 如果说在光学电流传感器的研究方面，7 0 年代在世界范围内还只是企 业、科研部门自发进行的话，那么自8 0 年代开始，在美、日、英等国则已由 国家政府统一组织、协调本国有关部门进行光学传感器的研究了，其中包括 光学电流传感器的研制。在这期间，我们国家的科研单位和企业也积极开展 了这项工作，并取得了较好的结果。本论文介绍了自9 4 年以来的研究进展。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e c t 是一种“在正常使用条件下，其二次转换器的输出实质上正比于一 次电流，且相位偏差在联结方向正确时为已知相位角”的电力装置【l l 。按照 是否需要对其高压区部分供电，其可分为有源型e c t 与无源型e c t 两大类。 有源型e c t 在高压部分以高精度大饱和电流( 低压) 互感器或r o g o w s l d 为一 次电流传感元件，再经信号变换后经光纤将信号传送到低压部分，经再处理 后为主控设备提供测量与保护信号。无源型e c i 采用与传统电流互感器的工 作原理根本不同的光学电流传感原理，是对传统电流互感器技术的革命性变 革。根据采用的一次传感元件不同，无源型e c t 又可分为光学玻璃电流互感 器( b u l kg l a s sc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：b g o c t ) 和全光纤电流互感器( a 1 1f i b e r c u r r e n tt r a n s f o r m e r ：a f c t ) 两种。 1 1 1 无源型全光纤电流传感器 全光纤光学电流互感器又称为光纤电流互感器( f i b e r o p t i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r ：f o c t ) 。其工作原理主要为f a r a d a y 效应和磁致伸缩效应。 f a r a d a y 效应f o c t 常采用偏振检测方法，或利用f a r a d a y 效应的非互易性采 用s a g n a c 干涉仪实现检测。s a g n a c 干涉仪型f o c t 又可分为环形( 1 0 0 p ) 和 串连式( i n - l i n e ) 两种。光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素 变化十分敏感，是阻碍f o c t 实用化的关键问题。尽管针对偏振检测方案先后 提出了“高圆双折射光纤”、“旋制光纤”、“扭转光纤”、“退火光纤”、“几何 结构分离线性双折射”、“相向传输”和“扭转加退火”等多种解决方案， 但多难以实用。随着基于s a g n a c 干涉仪的光纤陀螺技术的实用化，许多研究 者已将兴趣转向s a g n a cf o c t 。 1 1 1 1f o o t 传感头的改进 对f o c t 性能的改进工作主要是围绕解决线性双折射影响进行的，其中重 要的方法是在传感光纤环路中设法引入或增大圆双折射【5 7 1 。用神经网络方法 对线性双折射影响进行补偿的方法则是一种新的思路i 】。对于2 4 波片不完 备性引起的尺度因子误差可将两个波片的光轴预置成4 5 。角予以解决【l o l 。采用 外s a g n a ef o c t 方案则可提高系统灵敏度】。一种独特的传感头精细设计对 解决线性双折射问题被证明是有效的。该设计将传感光纤退火并置于线圈形 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 熔硅制成的毛细管中，再将该毛细管埋藏于充有硅酮的环形室中，以此来实 现一种对温度与振动均不敏感的、对f a r a d a y 效应具有内在温度补偿功能的 s a g n a cf o c t 。其研究结果表明：光纤双折射的温度依赖性可用来平衡f a r a d a y 效应的温度依赖性；在一3 5 。c 8 5 。c 的范围内，其温度不敏感度在o 2 以 内；在1 0 9 加速度5 0 0 h z 频率振动条件下输出信号中仍未见振动干扰【1 2 】。f o c t 中由耦合器所引起的附加偏振问题可通过提高光源波长的稳定性或者提高耦 合器的带宽并采用特殊的数据处理方法消除其影响。 1 1 1 2v e r d e t 常数波动的补偿方案 v e r d e t 常数的大小会随温度变化而改变，并且是波长的函数。因此对 v e r d e t 常数温度特性进行补偿并采取措施稳定工作波长是解决v e r d e t 常数 随环境因素波动问题的基本思路。r o s e 等人对6 3 0 n m 1 3 2 0 n m 范围内退火 光纤的v e r d e t 值进行了测量，为了解v e r d e t 常数的波长依赖性提供了实验 依据。采用闭环反馈技术的设计【1 】或平衡测试技术的设计旧，对y e r d e t 常 数变化引起的f o c t 性能漂移的补偿是有效的。 1 1 1 3 信号处理技术 信号处理单元的重要功能是补偿诸如光强涨落、相位漂移、信噪比降低 等影响f o c t 性能的各种有害效应，提高系统稳定性与信噪比。 采用正弦波调制l d 的外差检测方法是消除由光源及光路损耗引起的光 强涨落对f o c t 影响的方法之一。采用双渥拉斯顿棱镜的信号检测与处理方 法可解决采用扭转光纤的f o c t 因温度变化等因素引起的偏振相位漂移问题 o ”。采用基于小波变换的带通滤波器“”、基于频域窄带加窗理论的信号处理 技术( h i 或带有双t 型选频网络的光检测放大电路可提高f o c t 的信噪比。 1 1 1 4 标定技术 标定技术对于o c t 的研究、开发与生产都十分重要，但以往对此报告不 多。最近b l a k e 在实验室条件下对f o c t 在1 a 3 6 0 0 a 范围内的精确标定技 术进行了研究，使标定误差在1 a 1 0 0 a 的范围内降到i f 0 0 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 1 5 采用其它原理的f o c t 就一般性而言，凡是可以检测由电流引起的物理效应的装置都可用于对 电流的间接检测。因此客观上存在相当多的检测电流的方法。近期见诸报道 的有用直接测量在铁氧铁片上磁畴壁位置的方法测量电流的传感器、利用法 布里一珀罗干涉仪检测磁致伸缩产生的位移的f o c t 、利用光纤微弯产生光强 损耗效应的f o c t 、利用磁致伸缩材料和光纤光栅构成的f o c r i t g - 卅等。由于其 中多数距离实用尚远而未形成f o c r 研究的主流。 1 1 2 无源型光学玻璃电流传感器 光学玻璃电流互感器( b u l k6 1 a s so p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：b g o c t ) 与全光纤型o c t 相比，光学材料的选择范围宽，稳定性较好，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 在光反射过程中引入的反射相移及光学玻璃中的线性双折射均会使线偏振光 变成随环境因素变化而改变的椭圆偏振光而影响系统稳定性。 1 1 2 1b g o c t 基本结构及其改进方案 b g o c t 传感单元由玻璃传感头与偏振器件构成。设计中应考虑的基本问 题是灵敏度、抗干扰能力与稳定性嗍。灵敏度大小取决于光学玻璃v e r d e t 常 数大小与光路环绕母线的次数，故选用大v e r d e t 常数的材料或采用多环光路 可提高灵敏度1 2 9 ) 。抗干扰能力取决于光路闭合程度p o l 及反射相移及线性双折 射减小程度川。稳定性则要靠减小反射相移及线性双折射或补偿其不良影响 来实现1 3 2 1 。为克服反射相移的影响，已提出双正交反射方案1 ，临界角反射 方案，和保偏反射膜方案 3 5 1 ( 其中又分为多层保偏反射膜d ”与单层介质保偏反 射膜方案p t i 。对于双正交反射方案而言，已见利用增加传感头中光路数提高 灵敏度的报道嗍。采用金属膜反射的、可开合式传感头则便于现场应用。将 双正交反射方案设计中最后一次向上的反射改为向下反射，使光路实现基本 闭合，可提高系统抗外电磁场干扰的能力嗍。通过反射结构使光路实现折返， 也可提高检测灵敏度p 一】。 王政平等对光学电流传感头温度特性进行了分析，研究结果表明当周围 环境温度在一4 0 。c 4 0 。c 范围内变化时，光学电流传感头上温度分布将会变 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化。但温度梯度变化不大，最大的温度梯度仅为3 。c 左右：传感光路上的温 度分布也将变化8 0 。c 左右，同样光路上的温度梯度较小，不会超过2 。c 。故 制作光学玻璃传感头时，应考虑周围环境温度变化对整个系统所带来的影响 删a 基于临界角反射不产生反射相移的原理，王政平等提出了保偏膜式光学 玻璃电流传感头温度特性的研究方案岬l 。有人提出了三角形传感头设计q 和钳式传感头设计嗍。有人改进了多层保偏反射膜方案州。还有人提出一种 利用钴薄膜的传感头设计方案【删。 1 1 2 2 反射相移对b g o c t 性能影响及对策 倍盛娄 信号i 瞪e 电路 图1 1 四方形玻璃传感头的模型 王政平等人以图1 1 所示的四方形b g o c t 传感头为物理模型，对反射相移 的系统灵敏度、稳定性及抗外电磁场干扰能力的影响进行了理论分析，研究 结果表明：要使传感头的灵敏度不低于理想模型灵敏度理论预期值的9 0 ， 则应将总反射相移控制在o 2 4 t a d ( 约为1 4 。) 以内；反射相移的存在还会影 响b g o c t 的抗外场干扰能力1 4 9 - 5 1 1 ，因此有必要采取措施抑制或设法减小反射 相移，或是采取必要的补偿措施嗍。利用估算传感头反射相移大小的方法可 对反射相移进行实验研究嘲。王政平等人的研究结果表明：反射相移色散及 v e r d e t 常数色散均会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响，且二者间还存 在联合效应1 5 3 一卅。因此，为提高b g o c r 的灵敏度，有必要对光源采取恒温与 恒驱动电流控制，或采取其它必要的补偿措施 s s 一蚓。赵言诚等人提出了一种 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 估算b g o c t 传感头反射相移大小的方法，导出了测量不确定度公式 3 1 1 ，并给 出了测量示例。 b g o c t 光源的驱动电流与环境温度改变，都会造成光源峰值波长移动。 由于反射相移具有色散特性，会使灵敏度随光源波长的变化而改变。对反射 相移色散特性及反射相移与v e r d e t 常数联合色散特性对灵敏度影响的研究 结果表明，反射相移色散特性及v e r d e t 常数色散特性均会对输出曲线的尺度 因子产生明显的影响。因此，有必要对光源采取恒温与恒驱动电流控制，或 是采取其它必要的补偿措施嘲。解决反射相移问题的基本方法是使光束在传 感头内实现双正交反射娜l 、临界角反射川或保偏反射( 可分别用多层保偏反 射膜【划与单层介质保偏反射膜p 实现) 。 1 1 2 3 线性双折射对b g o c t 性能影响及对策 线性双折射以抽样函数的形式影响传感头的尺度因子，同时还会调制入 射起偏角对输出曲线截矩的作用因子；输出曲线的截距随起偏角改变呈正弦 变化，当入射起偏角为0 4 、4 5 。或9 0 。时曲线截距为零m 。 尽管使用交流计量设备时该截距对输出无实质性影响，但其对尺度因子 的影响却会破坏系统输出的温度与振动稳定性。此外，线性双折射色散对 b g o c t 传感头性能也会产生影响，因此有必要采取措施减小传感头中的线性 双折射，或是采取必要的补偿措施【5 】。减小传感头内线性双折射的措施包括 对传感头退火，注意传感头包装支撑结构对传感头施力的均匀性等。 为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了用朋波片测量 b g o c t 传感头线性双折射的方法，并提出了一种新颖的，在已知四分之一波 片快轴方向的情况下，利用两个偏振片和一个三棱镜来提高波片相位延迟角 测量精度的简便方法，以提高对线性双折射的测量精度嗍。传感头环境温度 变化在传感头内形成的折射率梯度会产生双折射梯度进而改变输出信号的尺 度因子。由于该双折射梯度与传热过程有关，使其对尺度因子的影响不具有 可重复性而严重地破坏传感头的可靠性。解决该问题的可能的方向之一为设 计适当的热缓冲结构延缓传热过程，使传感头内温度变化接近准静态过程以 避免形成温度梯度；还应采用均热结构使传感头内温度场均匀分布恻。 李红斌等指出玻璃头内线性双折射对系统输出的影响因子可表示为 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s i n ( 4 j ) 4 8 ，式中占为在光路的每个臂上由线性双折射产生的相移 3 0 l ，从理 论上证明了线性双折射对块状光学材料传感头的影响与对全光纤系统的影响 具有相同表达式删。王政平等人导出了适用于任意入射起偏角的、具有普遍 意义的输出信号与线性双折射及入射起偏角之间函数关系睇- e 3 ： c ，。( j ，d ：2 v is i n 。( 8 n ) 一s i n 2 ，) s i n ( 4 目) ( 1 1 ) 式中：占线性双折射产生的相移，r a d 口入射起偏角，r a d 为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了测量b g o c t 传感头 线性双折射的几种方法【删，给出了相应的测量不确定度分析和应用实例。在 上述方法中有的需使用4 波片。尽管其相移量的理论值为2 丌，其实际相移 量( 不计整数倍加) 往往并非如此。这会对线性双折射的测量引入不小的误 差。为解决这个问题，王政平等人还提出了一种测量州4 波片实际相位延迟 角的方法【删，并给出了应用实例及其实验验证结果。 王政平等人从理论上预报了线性双折射色散特性及其对系统性能的影响 程度m 嗍。 王政平等对线性双折射温度特性对光学电流互感器影响进行了理论分 析，并给出了一些有参考价值的结论眇嗍。分析了“折返式光路在可使f a r a d a y 效应加倍的同时消除线性双折射的影响”这一说法的正确性，导出了具有折返 光路的正交共轭反射式( o c r 式) 、直接反射式( d r 式) 及屋脊棱镜反射式 ( r p r 式) 光学电流传感器模型的等效传输矩阵。结果表明，当不存在法拉 第效应时，o c r 式折返光路可以消除线性双折射影响，d r 式以及r p r 式折 返光路不能消除线性双折射的影响；在法拉第效应与双折射同时存在时情况 下，上述三种折返光路都不能消除线性双折射的影响。因此，这一说法至少 在采用惯常的差除和信号处理方案的光学玻璃电流互感器中是否成立有待商 榷册。 王政平等还分析了线性双折射对不同类型光学玻璃电流互感器输出特性 的影响m 1 马仙云等报道了抑制传感头线性双折射的装配方法，对于实际系统有参 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 考意义【删。 1 1 2 4 偏振器件对明o c t 性能影响 起偏器消光比和预偏角误差均可在b g o c t 的输出中引入直流分量，并使 尺度因子发生一定的改变。当最终输出信号用交流电表度量时，输出信号中 引入的直流分量可被交流电表中的自带的隔直电容滤除，尺度因子的改变可 用后续信号处理电路中的放大单元矫正l 哪。用于输出光束检偏的偏振分束器 消光比随温度变化产生较大测量误差的问题可用改进的差除和信号处理方案 补偿i l l 】。 1 1 2 5 光源光谱线宽对b g o c t 系统性能影响研究 实际o c s 多数采用宽带光源。因v e r d e t 常数、线性双折射和反射相移都 存在色散，导致光源因线宽不同而对系统有不同的频谱积累效应。目前，王 政平等已完成v e r d e t 常数色散对采用宽带光源的o c s 影响的分析”及光源线 宽对b g o c t 输出影响的理论分析l 玎l 。结果表明，光源谱线宽度对系统输出的 确存在影响，但其数量级远小于其他因素的影响，故利用单色光模型研究光 源具有一定线宽的系统的方法是合理的与可行的。 费尔德( v e r d e t ) 常量是衡量磁光玻璃材料性能的重要参数之一，它是 光波长的函数，因而存在色散特性。当光学电流传感系统采用具有一定谱宽 的光源时，会因材料的v e r d e t 常量对不同波长的光具有不同的量值而对系统 的输出产生影响。迄今为止对该问题的研究尚罕见报道。王政平等求解了 z f 一7 玻璃v e r d e t 常量色散特性公式中磁光系数的大小，然后对光源谱宽通 过v e r d e t 常量色散对输出的影响进行了理论分析和计算机仿真。研究结果表 明，光源谱宽在6 0 n m 范围内通过v e r d e t 常量的色散特性对o c s 系统输出的 影响小于万分之四，因此在理论研究中若不考虑其他光学参量的色散效应， 用单色光模型处理光源具有一定谱宽的系统的做法是合理的与可行的。此结 果可供从事光学电流传感器研究的同行参考脚】。 1 1 2 6 工作环境对b g o c t 系统的影响及补偿措施 + 环境温度改变是影响系统稳定性的重要原因之一。b g o c l 传感头性能不 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 仅受温度变化的影响，还受温度梯度变化的影响。通过对b g o c t 探头采取的 隔热、均热措施及s r 气体的缓冲作用，在外部温度变化不超过8 。c h 时，传 感头的稳定性可控制在0 5 以内m 。环境温度的波动还会引起保偏反射介 质膜反射相移量的变化，从而影响系统的温度稳定性嘲。 振动是影响系统稳定性的另一个重要原因。研究表明利用长多模光纤的 消偏和消相干性能，结合选用低相干光源，可有效地抑制振动在光纤中产生 的噪声，且采用仅仅使斜向光束耦合进多模光纤的技术可有效抑制振动噪声 惭一1 7 j 。 f i s h e r 等人介绍了一种用于玻璃棒电流传感器、使用两条下行光纤、可 抑制共模光噪声的新方案【州。因为该方案要求下行两个通道在性能上完全一 致而降低了其实用性。利用脉冲延迟法，仅用一条下行光纤的改进方案解决 了该问题【叫。 黄宗军等人研究了反射相移对b g o c t 振动稳定性的影响m 嗍，并给出了 反射相移非零情形下系统输出随母线偏离中心位置变化的等值线。 1 1 3 有源型电流传感器 有源o c t 就是基于传统的电流互感器( c t ) 利用有源器件调制技术， 以光纤作为信号通道，把高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，得到 被测信号的装置。如图1 2 所示。 图1 2 有源o c t 原理图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种互感器的特点是：既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著地 降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力工业界广 泛接受的常规t a 测量装置的优势，同时还避免了传感头光路的复杂性及全光 纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点1 9 1 1 。 1 1 4 新型光学电流传感器 混合型0 c s 王廷云等人提出了基于相位压缩原理的混合型0 c s 方案嘲，如图1 3 所 示。 图1 3 基于相位压缩原理的光电混合型0 c s l d ：激光器；p c ，和p c ：偏振控制器；c 。和c 2 ：耦合器；f c 广f c 。：光纤 活动连接器；p e t ：压电陶瓷；l ：光纤延迟线；d ：光电探测器；t h ：r o g o w s k i 线圈；s p ：信号处理电路 实验表明：在4 0 a 3 2 0 0 a 的电流测量范围内，比差能达到0 2 级精度， 相位压缩系数为2 1 8 ，即在相同线性度条件下，用相位压缩原理建立的干涉 式光纤电流传感器比普通干涉式光纤电流传感器的动态范围扩大了2 1 8 倍。 磁致伸缩效应光纤电流传感器 磁致伸缩型光纤电流传感器的主要问题在于： ( 1 ) 它本身会对被测磁场的分布产生一定的影响。 ( 2 ) 由于该传感器检测的是磁场而不是磁场的闭合环积分，测量结果易受 杂散场的影响。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 它采用马赫一曾德尔光纤干涉仪来实现，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，将严重影响传感器的性能，因而很难付诸实际应用。因此，有人设计了 一种新型的光纤电流传感器，它把磁致伸缩效应产生的位移，通过法布里一 珀罗干涉仪进行检测。在干涉装置中，反射的参考和传感信号共用一根光纤， 它有效地抑制了光纤的内双折射和环境温度，振动等因素对传感器的影响。 王廷云等人设计了一种基于f a b r y - p e r o t 原理的磁致伸缩效应光纤电流 传感器唧】。 传感光纤作为f a b r y p e r o t 干涉仪的干涉腔，让参考光纤与传感光纤合 并为一根光纤，从而有效的消除了环境变化和光纤内线性双折射对传感器的 不良影响。在传感装置中，采用偏置电流负反馈的结构使传感器始终处在正 交状态下工作，使传感器抗干扰能力提高，并可根据不同尺寸和不同的磁致 材料设计出各种电流范围的传感器。实验表明，在i m a 一1 2 0 m a 的测量范围 内，传感器的精确度达0 2 0 。 c h a n 等人提出了一种新的外( e x t r i n s i c ) s a g n a c 干涉仪型光学电流传 感器州】，如图1 4 所示。 图1 4 外s a g n a c 干涉仪型光学电流传感器 m ：反射镜；0 i ：光纤隔离器；l d ：激光二极管；p d ：光电二极管；s ： 信号处理系统：c b ：电流线；i ：被测电流；f c ：光纤准直仪：f o c ：光纤耦 合器；b s ：分束器；e l ：f a r a d a y 元件；f 2 ：f a r a d a y 磁铁元件；f ：单膜光纤 实验表明，其灵敏度较惯常的s a g n a c 干涉仪型电流传感器高1 0 倍且有 更好的线性响应。 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 微机械光纤电流传感器 。h e r e d e r o 等人提出了一种微机械光纤电流传感器m ，如图1 5 所示。传感 元件包括一个正方形的硅膜，有一个圆柱形的永久磁铁固定在硅膜的中间。 这种结构使得在由交流电产生的磁场梯度存在的情况下永久磁铁发生振动。 电流大小和磁铁振动位移之间的线性关系可用带有光纤低细度 f a b r y - p e r o t 微小腔的白光干涉计量法来测量。试验结论是测量范围为 o a 7 0 a 。当硅膜与载流导线的距离为5 m m 时，最小可探测电流为2 0 m a 。 近年来光学电流传感器研究取得了可喜的进展，这是不争的事实。但离 大规模实用化、产品化仍然有一定的距离，这也是该领域研究者们面l f 每的实 实在在的挑战。实用化的障碍恐怕仍然是需要克服由线性双折射等因素引起 的系统灵敏度降低等问题。 图1 5 微机械( m i c r o m a c h i n e d ) 光纤电流传感器 1 2 光学电流传感器相对于传统电流传感器的优点 电流和电压的测量在电力系统中扮演着重要的角色，因为它为电力系统 提供了用于计量、控制和继电保护的必要信息。传统上，电流和电压的测量 都是靠电磁感应式的电流互感器( c t ) 和电压互感器( f r r ) 来完成的，它要 求在高电压与大地之间提供有效但却复杂而昂贵的电气绝缘。由于电站和相 关电气设备正朝着高电压、大容量的方向发展，使得高电压等级的c p 和f r r 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变得越来越笨重和昂贵。另一方面，由于近年来光纤及光电技术的迅速发展， 使得有可能采用新的光电技术来解决传统的电压和电流测量中的实际问题， 并有信心期待o c t 、o p t 在某些应用中完全取代c t 和p t 。 光学电流传感器( 0 c s ：o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ) 是指那些利用光学技 术直接或间接地对电流换能或测量，从而实现对电流传感的装置【l l 。目前普 遍用于电力工业中的是油浸式电流互感器。随着输送电压增至特高压( e l 、，) 、 超高压( u h v ) ，传统的油浸式电流互感器已暴露出下述内在的致命弱点： 1 )由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险； 2 )大故障电流导致铁芯磁饱和； 3 ) 铁芯共振效应； 4 ) 滞后效应； 5 )输出端开路导致高压； 6 )体积大、重量大、价格昂贵； 7 ) 精度限于3 ； 8 )易受电磁干扰影响。 与传统电流互感器相比o c s 则具有如下优点嗍； 1 ) 动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性； 2 ) 绝缘性能好，用来做传感材料的光学玻璃、传输信号的光纤都良好的 绝缘材料： 3 ) 无开路导致高压的危险； 4 ) 不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和及大电感引起的滞后现象； 5 ) 不含油，没有爆炸危险； 6 ) 受电磁干扰影响小； 7 ) 体积小、重量轻、结构简单。 光学电流传感器由于与传统的电磁电流互感器相比具有非常显著的优点 而受到越来越广泛的关注。近年来，此领域的研究获得许多进展。然而如何 可靠、经济地与现有继电保护系统接口也是一个阻碍o c t 迅速普及使用的重 要因素。但随着电力系统向智能化和继电保护向微机化方向的发展，o c t 与 接口间的问题也就易于解决了，这将为o c t 迎来大规模使用的阶段。尽管目 前的研究目标主要用于超高压大电流测量，但从高压大电流到微弱小电流的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测量，从直流到高频电流的测量，光学电流传感技术都获得了广泛的应用。 总之，自光学电流传感器概念的提出到重要的物质条件光纤和优质 旋光材料的产生之闩起，开始了光学电流传感器的大规模开发研制。而伴随 着光纤技术、相关光学元件( 如：光源、起偏器、检偏器、光检测器等) 性 能的提高，电子技术和计算机技术的发展，对测量系统理论深入的研究和检 测方法的改进，经过国内外2 0 余年的广泛努力和探索，光学电流传感器发展 到今天已开始有一定的实用化水平，但仍然存在着提高长期工作稳定性、简 化结构、降低造价等问题。 1 3 本论文选题的意义和内容 鉴于实验室的条件，加上导师王政平教授在光学电流传感器方向的研究， 故选择光学电流传感器作为研究对象。本论文工作主要包括在理论上推导并 分析n p b s 反射相移和分光比的温度特性对o c r c s 系统的影响，并对理论研究 结果做实验验证。n p b s 是o c r c s 系统中的关键器件之一，其偏振特性好坏直 接影响o c r c s 的温度稳定性与测量精度。目前国内外商家提供的n p b s 的反射 相移多在l o 。左右或更大。因此有必要自行研制反射相移在4 。左右或更小的 n p b s 。为此，本人选定了“n p b s 反射相移和分光比的温度特性及其对o c r c s 系统的影响”这一课题，作为毕业设计论文研究的题目。该选题对o c r c s 的 进一步研究及改进具有一定的参考意义。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章正交共轭反射镜电流传感器 2 1 光波的偏振态及其分析方法 2 1 1 偏振光的定义及分类 根据波动光学理论，光波是横波，其光矢量垂直于传播方向。在垂直于传 播方向的平面内，电场强度矢量还可能存在各种不同的振动状态，称之为光 的偏振态。通常将振动方向按光矢量顶端运动的性质，光波可分为自然光、 偏振光和部分偏振光。自然光或非偏振光乃是这样的光，其光矢量作无规律的 运动，并且不显示出任何方向或旋转的趋势。而偏振光中光矢量的末端，以确 定的方向沿着完全确定的简单曲线运动。 根据光矢量末端运动的不同曲线类型，可以将偏振光定义为线偏振、圆 偏振和椭圆偏振这三种形式的光。 当光矢量的末端沿着一条直线运动时，该偏振光称为线偏振光。此时光 矢量随着时间改变其量值而不改变其方向。 在圆偏振光中光矢量的末端沿一圆周运动，光矢量的量值保持不变，而 它的倾角则在0 到2 兀之间连续变化。根据其旋向的不同，圆偏振光又可分为 右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。 椭圆偏振光是实际应用中最普遍的一种偏振光形式，光矢量的大小和倾 角都不断变化。根据其旋向的不同，椭圆偏振光也可分为右旋椭圆偏振光和 左旋椭圆偏振光。 2 1 2 偏振光的判定 一般用偏振度尸来描述偏振光的偏振程度，偏振度p 的定义为 p ：二唑堕l( 2 1 ) ，p i _ 诬d + ，p ，h 曲d 其中，删为光束中偏振光部分的光强，k 。d 是光束中自然光的光 强；二者之和为光束的总光强。如果，。捌= o ，那么p = l ，光束是完全 哈尔滨工程大学硕士学位论文 偏振光。若p 嘶，二者的光程分别为 n , t ：n f t ，光程差j 为( 挖，- - n f ) t 。两振动分量间的相位差为 ：婴( ”珞) t ( 2 - 2 1 ) 其中九为真空中光的波长。两分量的相位变化的差称作相位延迟器的延 迟( r e t a r d a t i o n ) ，用表示。直线偏振光通过具有延迟的相位延迟器时， 线偏振光的二个主振动之间将产生相位差。 在相位器内以较快速度传播的直线偏振光分量的振动方向称为快轴( p 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 轴) ，速度较慢分量的振动方向为慢轴( s 轴) 。这些对器件而言都是固有的。 通过相位器之后仍保持原来偏振形式的两种偏振光称为该相位器的本征矢 量。再根据这两种偏振形式是线偏振、圆偏振或是椭圆偏振，而分别将此相 位器称为线相位器、圆相位器或椭圆相位器。一个相位器可以用它的两个本 征矢量和它的光学延迟量来表征。一个圆偏振相位器常常叫做旋光元件或旋 转器；而延迟量为9 0 。的相位器或l g o 相位器分别叫做四分之一波片或半波 片。习惯上，线位相延迟器的方位是这样规定的；它的快轴与x 轴所夹的角 规定为位相器的方位角e 。因此，当一束线偏振光通过线相位延迟器时，与 相位器方位同方向的振动分量p 同和它正交的振动分量s 相比，超前了相位 器所具有的相位延迟。我们用r 。表示直线相位器，表示相位器的延迟， 0 表示方位。通常的单位用弧度，o 单位用度表示。特别是= 一2 的相位 器用绕表示，称其为l 4 波片( q u a r t e r w a v ep l a t e ) 。= 兀的相位器用风表 示，称其为l 2 波片或半波长片( h a l fw a v ep l a t e ) 。 波片是各向异性透明材料按一定方式切割的具有一定厚度的平行平面 板。 所用的材料视通光面积的大小而异。小面积的用晶体( 例如云母、石膏、 石英等) ，大面积的可由玻璃或高分子薄膜拉制而成。为简便计，我们假定材 料都是晶体。所谓切割方式，指的是晶体主轴或光轴与通光表面的关系。波 片的切割是使得晶体的两个折射率不等的主轴与晶片通光表面平行。对于单 轴晶体，晶片表面与光轴平行；对于双轴晶体，晶片表面可与任一主轴平面 平行。 ( 1 ) 半波片 这种波片艿= ( 2 m + 1 h( 埘= 0 ，1 ，2 ) ( 2 - 2 2 ) 厚度： ( 2 ) ! 波片 4 这种波片 矗= 4 罂委 n 一开 z ( 2 - 2 3 ) 6 = ( 2 m + 1 ) 三( 肼= o ，l ，土2 ) ( 2 2 4 ) 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 厚度：j ，= 三尝i 刀一以4 ( 2 - 2 5 ) 一般晶体，刀一打”的数值很小。例如，在单轴晶体中聆一疗”= 以一n o ， 石英是+ 0 0 0 9 ，k h 2 p 0 4 是一0 0 0 4 ，方解石是一0 1 7 2 。云母是双轴晶体， 当光垂直通过云母片时，刀一栉”= 嘞一一，= 0 0 0 4 。由于波长九的值很小，所 以对应于m = 0 的波片的厚度也很小。当波长是0 5 t m 时，石英半波片仅 2 8 1 u n 厚，制造和使用都困难。所以实际的波片，肌取值都较大。 波片的使用要注意两个问题。 第一，任何波片都是对特定波长而言。例如，对波长为5 0 0 r i m 的半波片， 对波长6 3 3 n m 就不是半波片；对波长1 0 6 i _ u n 的1 4 波片，对0 5 3 i _ u n 则恰好是 半波片。所以在使用波片前一定要弄清它是对那个波长而言。 第二，要知道波片所允许的两个振动方向( 即两个主轴方向) 及其相应 波速的快慢。这通常在制造波片时都已把它标在波片边缘的框架上了，波速 快的那个主轴方向叫快轴，与之垂直的方向称为慢轴。波片的6 是沿快轴方 向振动的分量比沿慢轴方向振动的分量超前的相位。 制作1 4 波片或1 2 波片这种具有特定的相位差的相位器时，常常把两枚 相位差片合在一起制作，也有将一枚晶片经适当研磨加工成特定的相位差片， 但是由于过薄，可将两枚适当厚度的相位差片按光轴互相垂直地粘在一起， 使它保持特定的相位延迟，这样做可以消除旋光性、二色性的影响。另外为 了防止表面的反射，常在相位差片的两个面镀增透膜。 2 2 1 3 旋光器t 一个线偏振光沿光轴的