（电路与系统专业论文）sagnac干涉型光纤电流传感器研究.pdf

摘要摘要本文对近年来光纤电流传感器的研究进展进行了综合评述；对s a g n a c 型光纤电流传感器进行了深入的理论研究，建立了完整的系统理论模型：对影响传感器测量准确度的各种因素进行了全面的理论分析和仿真研究，得到了这些影响因素对系统响应的作用规律：对传感器系统的功能部件进行了设计，提出了一种新的产生圆偏振光的方法，并对利用3 x 3 光纤耦合器实现干涉系统的无源相位偏置进行了理论探讨，建立了相应的系统模型；设计了传感器的电子电路系统，以此为基础对系统进行了初步的实验研究。首先，利用偏振系统的j o n e s 矩阵分析法，考虑系统中起偏器透光轴方向误差、相位延迟器延迟误差、以及相位延迟器快( 馒) 轴方向误差等各种可能影响测量准确度的因素，建立了完整的传感器系统理论模型，分析了传感光纤存在线性双折射情况下各种误差源对系统响应的作用规律：对模型中的各种参量对测量准确度的影响进行了仿真研究，从理论上得到了反映影响规律的曲线及典型误差数据。从仿真结果来看，系统响应误差随起偏器透光轴方向误差、两个延迟器快( 慢) 轴不重合误差、相位延迟器延迟误差等增大而增大：与其它误差源相比，固有圆双折射对系统误差影响较小：各因素对系统误差的影响与传感光纤线性双折射密切相关，线性双折射愈大，各因素的影响愈明显：线性双折射不能超过7 【，这是传感光纤线性双折射的一个特征值：线性双折射是影响系统测量误差的主要因素，如果系统没有线性双折射，则其它误差源的影响将容易预测和处理。其次，对系统涉及的两种关键功能部件一九4 相位延迟和相位调制( 偏置) 器的设计进行了理论探讨。提出一种利用保偏光纤扭转实现3 , 4 相位延迟的设计方案，从理论上证明了在保偏光纤中传播的线偏振光，通过将出射端1 2 拍长的光纤扭转9 0 。，可以转换成圆偏振光：对利用3 x 3 耦合器实现无源相位偏置进行了理论分析，针对本文的传感器结构建立了相应的数学模型，仿真分析了3 x 3 耦合器参数对传感器灵敏度的影响舰律。研究表明，偏置相位的大小取决于3 x 3 耦合器的耦合比，在一定的分光比条件f ，刁以获得最佳偏置，实现小信号的高灵敏度测量。通过计算，得到了一组实现最佳灵敏度时耦合器应该具有的耦合比值。最后，设计了包括激光器驱动电路、前置放大电路及带通滤波器等的系统电子电路部分，以此为基础对理论模型进行了初步的实验研究。分析了实验系统的测量i燕山人学【学搏十学能论文灵敏度，得到了测量值和被测电流之间的关系式；对系统噪声进行了理论分析，给出了理论估算值；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。实验结果初步证明了理论模型的f 确性，但测量值稳定性和线性都比较差，距离实际应用还有较大差距。从系统输出来看，电磁兼容性干扰是信号噪声的主要来源，远大于理论估算的噪声电平。本文的研究工作可望对s a g n a c 型光纤电流传感器的发展提供理论依据，为系统的实用化设计和产品研制提供一定的参考。关键词s a g n a c 效应；f a r a d a y 效应；光纤传感器；光纤干涉仪；光纤电流传感器双折射：九4 相位延迟器；相位调制器；起偏器；信号处理a b s t r a c tt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ff i b e r - o p t i cc u r r e n ts e n s o r s ( f o e s ) d u r i n gt h el a s tf e wy e a r sa r ep a r t i c u l a r l ys u r v e y e di nt h i sp a p e r t h es a g n a cf i b e r o p t i cc u r r e n ts e n s o ri sd e e p l yr e s e a r c h e da n dt h ec o m p l e t es y s t e mt h e o r ym o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es y s t e mm e a s u r i n gp r e c i s i o na r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e d s o m ea c t i n gr u l e sw h i c hi n f l u e n c et h es y s t e mp r e c i s i o na r ea c q u i r e d t h ef u n c t i o ne l e m e n t so ft h em e a s u r i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d an e wm e t h o dt op r o d u c ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o nl i g h ti sp r o p o s e d t h ep a s s i v ep h a s eb i a st ot h ei n t e r f e r o m e t r i cs y s t e mw i t ha3 x 3c o u p l e ri st h e o r e t i c a l l yp r o b e da n dt h er e l a t e ds y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d t h ei n i t i a le x p e r i m e n tr e s e a r c hi sc a r r i e do u tw i t ht h es e n s o r se l e c t r o n i cc i r c u i td e s i g n e d f i r s t l y ，c o n s i d e r i n ga l lt h ef a c t o r ss u c ha st h ee f f e c to ft w od e l a y e r sa x e sc o i n c i d e n c ee r r o r ，t h ee f f e c to ft h ed e l a ye r r o ro ft h ep h a s ed e l a y e r sa n dt h ee f f e c to fi n t r i n s i cc i r c u l a rb i r e f r i n g e n c ee t c ，w h i c hw o u l da f f e c tt h em e a s u r i n gp r e c i s i o n ，t h ec o m p l e t es e n s o rs y s t e mt h e o r ym o d e li se s t a b l i s h e d t h ea c t i n gr u l e so fa l lt h ef a c t o r st os y s t e mr e s p o n s ew i t hb i r e f r i n g e n c ee x i s t i n gi ns e n s i n gf i b e ra r ea n a l y z e d t h ee f f e c t so fe a c hf a c t o ri nt h em o d e lo nm e a s u r i n gp r e c i s i o na r es i m u l a t e da n dt h ec u r v e sa n dt h et y p i c a le r r o rd a t aw h i c hr e p r e s e n tt h ee f f e c t i n gr u l e sa r et h e o r e t i c a l l ya c q u i r e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h es y s t e mr e s p o n s ee r r o ri si n c r e a s i n gw i t i lt h et w od e l a y e r sa x e sc o i n c i d e n c ee r r o r ，t h ed e l a ye r r o ro ft h ep h a s ed e l a y e r sa n dt h ei n t r i n s i cc i r c u l a rb i r e f r i n g e n c ee t c c o m p a r e dw i t l lt h eo t h e re r r o rf a c t o r s t h ee f f e c to ft h ei n t r i n s i cc i r c u l a rb i r e f r i n g e n c ei sr e l a t i v e l ys m a l l t h ee f f e c t so fa l lt h ef a c t o r so ns y s t e me r r o ra r er e l a t e dt ot h el i n e a rb i r e f r i n g e n c eo fs e n s i n gf i b e r , a n dt h el a r g e rt h el i n e a rb i r e f r i n g e n c ei s ，t h el a r g e rt h ee f f e c t so ft h ef a c t o r sa r e t h eb i r e f r i n g e n c es h o u l dn o tb el a r g e rt h a n w h i c hi sas p e c i f i cv a l u eo f t h es e n s i n gf i b e rb i r e f r i n g e n c e b i r e f r i n g e n c ei st h em a i ne r r o rs o u r c eo ft h em e a s u r i n gs y s t e m ，a n dt h eo t h e re r r o rs o u r c e sw i l lb ee a s yt op r e d i c ta n dp r o c e s si ft h es y s t e mw i t hn ob i r e f r i n g e n c e s e c o n d l y ，t w ok e yf u n c t i o ne l e m e n t so ft h es y s t e m ，x 1 4p h a s ed e l a y e ra n dp h a s em o d u l a t o r ( b i a se l e m e n t ) ，a r ct h e o r e t i c a l l yp r o b e d am e t h o dt og e tx 4p h a s ed e l a yw i t hp o l a r i z a t i o nm a i n t a i nf i b e ri sp r o p o s e d t h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo fal i n e a rp o l a r i z a t i o nl i g h ti i l燕山人￥：f ：彳：博十学位论义p r o p a g a t i n gi nap o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e ri sc h a n g e db yt w i s t i n gal e n g t ho ft h ef i b e ra tt h eo u t p u te n d i ti st h e o r e t i c a l l ys h o w nt h a tl i g h tp r o p a g a t i n gi np o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rw i l lb ec h a n g e dt oc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n sw i t hh a l fo ft h eb e a to ft h ef i b e ro u t g o i n ge n dt w i s t e dn 2a n g l e t h ep a s s i v ep h a s eb i a sw i t h3 x 3c o u p l e ri st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dt h et h e o r ym o d e lr e l a t e dt ot h es e n s o rc o n f i g u r a t i o ni se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c eo ft h e3 x 3c o u p l e ro ns e n s o rs e n s i t i v i t yi ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i a sp h a s ei sd e p e n d e n to nc o u p l i n gr a t i oo ft h ec o u p l e r ，w i t hac e r t a i nc o u p l i n gr a t i o ，t h ep e r f e c tb i a sc o u l db ea c q u i r e da n dh i g hs e n s i t i v i t ym e a s u r i n go fs m a l ls i g n a lc a l lb ec a r r i e do u tag r o u po fr a t i ov a l u e sw h i c hc a l lm a k ep e r f e c tm e a s u r i n gs e n s i t i v i t yi sc a l c u l a t e da n da c q u i r e d f i n a l l y ，t h es y s t e me l e c t r o n i cc i r c u i ti n c l u d i n gl a s e rd r i v e r ，p r e a m p l i f i e ra n db a n dp a s sf i l t e r i sd e s i g n e d t h ei n i t i a le x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft h em o d e li sc a r r i e do u t t h em e a s u r i n gs e n s i t i v i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o nb e t w e e nr e s p o n s ea n dt h ec u r r e n tm e a s u r e di sa c q u i r e d t h en o i s eo ft h es y s t e mi st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dt h en o i s ev a l u ei se s t i m a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n i t i a l l yp r o v et h et h e o r ym o d e l b u tt h es t a b i l i t ya n dl i n e a r i t yo ft h em e a s u r i n gd a t aa r en o tg o o de n o u g h ，a n dt h es y s t e mi sf a rf r o mp r a c t i c ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mo u t p u ts h o w st h a te l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ei st h em a i nn o i s er e s o u r c ea n dm u c hl a r g e rt h a nt h en o i s el e v e le s t i m a t e d t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri se 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 fs a g n a cf i b e r - o p t i cc u r r e n ts e n s o 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 ss a g n a ce f f e c t ：f a r a d a ye f f e c t ；o p t i c a lf i b e rs e n s o r ；o p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t e r ；f i b e r - o p t i cc u r r e n ts e n s o r ；b i r e f r i n g e n c e ；九4p h a s ed e l a y e r ；p h a s em o d u l a t o r ；p o l a r i z e r ；s i g n a lp r o c e s s i n gv第1 章绪论1 1 引言在人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件，传感器与人类的关系愈来愈密切。传感器技术是现代信息技术的重要组成部分也是代表国家科技竞争力的核心技术之一。从某种程度来说，一个国家的现代化水平是用自动优水平束衡量的，而自动化水平是用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。光纤传感技术是现代传感器技术的一个重要分支，它是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体。光纡为媒质，感知和传输外界信号( 被测量) 的新型传感技术。这种光纤技术的非通信应用，被普遍认为是近代检测技术的发展方向之一。近年来，光纤传感技术的发展十分迅速，显示出巨大的开发潜力和应用前景。光纤传感器具有一螋常规传感器无可比拟的优点。例如，灵敏度高、响应速度快、动念范围大、抗电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”互扰、“传”和“感”合二为一、抗化学腐蚀、机械强度大、与电子学系统易兼容、材料资源丰富和成本低等。特别适用于石油化工、电力、机械、冶金、生物医学及国防等部门应用。特别是在易燃易爆、超高压电器设备、强电磁干扰、强化学腐蚀等特殊工作环境中，进行多种物理量测量。光纤传感实现的物理量测量很广，包括声f j 二、位移、加速度、应变、扭矩、旋转速率、温度、流量、压力、液位、磁场、电场、电流、电压、放射性、化学成分等等。光纤传感器的分类方法很多，主要有三种。一是按被测物理量分类，根据被测量有光纤温度、光纤压力、光纤声波传感器等。二是根据光纤在检测系统中的作用束分类，有功能型和非功能，弘两种。功能型光纤传感器中的光纤不仅起信号传输作用，而且同时又是基本敏感元件，_ _ 】j = 外界被测量的作州下，光纤中的波导光被调制，发生某种特定的光参数变化，功能型中的光纤把信号的“传”和“感”合二为一，故又称传感型光纤传感器。t l w j 能挝光纤传感器中的光纤只是信号的传输媒介，剥被测量的敏感或光调制借助j ：其它元器件完成，这种传感器的传输和传感是分丌的，发送光纤和接收光纤是不连续的，两者之间需要通过光学的或机械的装霄把非光纤敏感器嵌入其中。有时把这种传感器又称为传光型的光纤传感器或外调制型光纤传l燕山人学1 ：学博，k 学忙论文感器。第i 种是按传感机理分类，即按光纤中的波导光参数来分类，在外界被测物理量的作用f 某光参数被调制。光可能被调制的参数有五个：光强度、光相位、光偏扳、光频率和光波长，故按此分类方法可把光纤传感器分为：光强度调制型、光相位调制型、光偏振调制型、光频率调制型和光波长调制型五种。其中光强调制型、光相位调制型和光偏振调制型是三种主要的传感方式。由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四 中驰波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。光纤电流传感器是光纤传感器的一种，与其它光纤传感器在原理及结构上有共同的地方，但由于所测物理量的特殊性，它又有其自身的特点。本文研究的s a g n a c型光纤电流传感器，是一种功能型、相位调制的电流传感器。通过对其理论模型、系统结构、功能部件等的全面研究，为这种传感器的进一步发展起到一定的促进作用。本章将对光纤电流传感器的意义、基本原理、分类、发展状况、存在的问题及本文的工作做1 个综合性的评述。1 2 光纤电流传感器概况及意义电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求闩益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高。例如，6 0 年代的苏联和欧洲某些发达国家纷纷将原来的2 2 0k v 的骨干电网发展为5 0 0k v 的骨干电网，到8 0 年代前苏联甚至出现了l1 5 0k v 的特高压输电线路，而中国也由8 0 年代的2 2 0k v 骨干电网发展到目前5 0 0k v 骨干电网，预计进入2 1 世纪后随着会沙i ：_ 等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1 2 0 0k v 的输电线路进 i 电力的输送但j 。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，凼此，必须研究和发展新型的岛i 丘设备，电流互感器就是其中之。电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们为电力系统提供用r 订量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面，要求测量装置具有很高的铡量准确发及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反应迅速。同时，i n 力系统运行的不渊断性也对测量装置的可靠性及维护蚀提出了很高的要求。这种电流测量系统可分为三个部分，如图1 1 所示，传感头位于户外被洲高趣线处，传输线路用束将信号传输至控制室，湿示及接单元位】二控制室内。第1 章绪论幽1 一i高乐电流测鼙系统f i g 1 1h i g h v o l t a g ec u r r e n tm e a s u r i n gs y s t e m目前，在电力系统中广泛使用的电流互感器是电磁式电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r 简称c n ，其传感头采用电磁感应原理，在不同的电压等级下，把一次侧几安培到几千安培的电流变换到零电位状态下的二次侧的几安培电流，供计量、控制和监视仪表使用。电磁式电流互感器的结构简单，因此可靠性高，不易损坏，这是其主要优点，也是其得以普遍使用的主要原因。但由于结构和使用条件的特殊性，它也存在以f 几个突出的缺点：( 1 ) 有发生系统失效及灾难性事故的危险。充油c t 在超高压巧境有发生绝缘击穿引起对地短路或突然爆炸的可能，且互感器二次侧如果不慎开路将会产生高压，对配电设备造成危害甚至危及人身安全。( 2 ) 可能发生磁饱和现象。当被测电流异常增大时，互感器铁芯将出现磁饱和，使测量准确度严重下降。特别在短路等故障情况下，测量数据可能完全失效。( 3 ) 频率响应差，对高压线路上的暂态过程不能f 确反应。这是由于电磁感应式电流互感器是用铁芯制成的，对高频信号的响应特性较差。( 4 ) 电磁干扰严重。因为c t 工作时处于高压环境，对于高压及特高压电站来讲占地面积都较大，因而传输二次侧电信号距离亦较远，电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，使测量准确度下降。( 5 )设备笨重，运输干口安装困难。c t 主要出铁芯、变压器油、铜导线以及绝缘介质组成，这些材料的体积韧重量都较大且设备工作于高压环境，要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘，随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展，不仅使高电压等级的c t 变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和安装带来困难。对于传统测量中面临的问题，人们丌始探索其它的测量方法。二十世纪六十年代出现的半导体关成i 乜路技术、激光技术以及七十年代切出现的光纤传输技术。使得人们最终把目光集中在光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r s ，简称o c t ) ，尤其是光纤电流传感器( f i b e r o p t i cc u r r e n ts e n s o r s ，简称f o e s ) 上。f o c s 理论上几乎能克服传统c t 的所有缺_ 、i ，其优点主要体现在以f 方面：( 1 ) 绝缘性能好，造价低。 乜磁式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁：苍耦合，结构复杂，造价鄢贵，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足石英光纾，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。燕山人学】：学博十学位论文( 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，测量准确度高。( 3 ) 由光来传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压侧不存在因丌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l 公斤。据美国西屋公司公布的磁光式3 4 5k v 光纤电流互感器，其高度为2 ，7 米，一总重量为1 0 0 公斤，而同等电压等级的充油式电磁互感器，高为6 1 米，重达7 7 1 8 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准确度。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。最早的o c t 是2 0 世纪6 0 年代在美国发明的这种装嚣的名称是“t r a s e r ”。“t r a s e r ”高压侧的传感头也采用电磁感应原理获得被测信息，经电子电路处理后通过一个绝缘的光波导传输到地面控制室，再经过相应的电子电路还原成电信号。这种装置后来的改进主要是改变传输信号的形式，如电压频率、模拟数字转换等。可见这种最初的o c t 与传统c t 的主要区别是将电信号传输改变为光信号传输以解决高压绝缘及电磁干扰问题。到了2 0 世纪7 0 年代，随着光纤的问世，原来的光波导被光纤代替，这就形成了光纤电流传感器，同时人们开始探索利用传光介质的磁光效应，即f a r a d a y 效应瞰1 代替电磁感应原理实现电流测量。现在所谓的光纤电流传感器主要指利用f a r a d a y 效应实现传感，并利用光纤传输信息的电流测量装嚣。光纤电流传感器从问世至今己2 0 多年，各国科技人员花费了大量心血，提出了各种各样的实现方法，但有些关键问题至今没有获得圆满解决。虽然也有一些产品问世的报道，但离大规模商业应用还有较大距离。尽管困难重重，人们对光纤电流传感器的期望始终没有减少，一直在探索新的实现方法和关键技术解决途径，这都是因为与电磁式互感器相比，光纤电流传感器具有无法比拟的优点。一般认为，随着研究的深入和相关技术的进步，f o c s 的关键技术终将获得突破，f o c s 全面取代传统c t 是犬势所趋。近年来，我困陶民经济取搿了令人瞩目的发瓞，人民，- 活质最得到了明显提高，用电量4 i 断攀升。随着三峡、龙沸等r i ! l 站及西部产煤地区坑口电厂的建设，输l 乜的容量及距离不断地增加，对输眦 i _ l 的ir 】- 靠性提出了更高的要求。尤其是2 0 0 3 年1 24第1 苹绪论月未以来美圈、加拿大及意大利等国发生大面积停电事故，给世界各国电力部门敲晌了警钟。开发体积小、重量轻、性能优良、能与现代光通信技术兼容的电力设备及其可靠性问题成为当前研究的热点。1 3 光纤电流传感器基本原理及分类目前对光纤电流传感器的分类还不统f ，但不管哪种形式，其传输线路都是采用光纤，这是f o c s 与传统c t 的基本区别，也体现了其主要优点。根据传感头形式不同，本文将光纤电流传感器分为全光纤型、块状玻璃型及混合型等三种主要形式，下面分别介绍它们的基本原理、存在的问题及解决途径。1 3 1全光纤型从理论上讲，全光纤型电流传感器具有测量范围大、电绝缘性优良、结构简单、灵敏度高等特点。全光纤型以光纤作为传感材料。将光纤绕在被测电流导线周围，形成光回路。根据信号检出方法的不同，可分为偏振调制型和相位调制型两种。1 3 1 1 偏振调制型如图l 一2 所示为偏振调制型的基本结构【引，当线偏振光通过光纤圈时，电流产生的磁场将使线偏振光产生法拉第旋转，旋转角度与被测电流成瓶比。法拉第旋转角与被测电流的关系用下列两式描述3 1臼= d v i i d l( 1 一1 )f( h d ：，( 1 2 )，渊拉斯探测器图1 2 偏振调制型光纤电流传感器结构f i g i 一2s t r u c t u r eo f ap o l a r i m e t r 3 , f i b e r o p t i cc u r r e n ts e n s o r( 1 一1 ) 式表示法拉第效应，( 一2 ) 式是安培环路定律。式，扣，妫法拉第旋转衔：y 是代表光纤材料特性的维尔德常数：h 是光传播方向上的磁场强度：，是光路长度；，是被测l 乜流。从传感头返回的线偏振光经浑拉斯顿棱镜后分解成兜欠景曩拥垂直的两5燕山人学i ，学博十学能论文束线偏振光，通过测试这两束线偏振光的相对强度，获得法拉第旋转角。1 3 1 2 相位调制型对法拉第效应的解释是，外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率产生了差别，而线偏振光可以分解为一个左旋圆偏振光和一个右旋圆偏振光，因而传播一段距离后就表现为线偏振光的振动面发生了旋转【4 l 。因此，通过测量左旋和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差，也可以得到外加磁场的强度实现电流测量。圉1 3 是一种反射式s a g n a c 光纤电流传感器结构6 1 们，其中a 辨波片用来将入射到传感头的线偏振光转换成两个旋向相反的圆偏振光，并将出射光还原成两束线偏振光，利用干涉原理测出这两束线偏振光的相位差，这和法拉第旋转角是等价的。由于法拉第旋转引起的相位差很小，因此图中使用了一个相位调制器引入偏置相位。通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒( p z t ) 上制成相位调制器，当p z t加上调制信号时，沿保偏光纤两个f 交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。如果不考虑光路损失，则探测器接收到的光强可表示为，。= 鲁 l + c o s 【4 p 7 w + 妒( f j i 】( 1 3 )式中，五为光源发出的光强：驴m 为相位调制器产生的相位差：，是待测电流v 、n分别是传感光纤的维尔德常数及光纤圈数，4 v n i 为对应于法拉第旋转的相位差。如果用萨弦信号作为调制信号，( f ) = 丸c o s ( ( ) 。t ) ，用锁相放大检测技术得到，o 中的一次谐波分量m 则，可通过下式得到，；l ，l ( 丸) ( 4 v n i )( i 一4 )式中，i 是一阶b e s s e l 函数。除过s a g n a c 型之外。还有马赫泽德尔( m a c h z e h n d e r ) 1 1 1 - 1 3 1 、法布罩一珀罗( f a b r y p e r o t ) m 等f i 涉仪结构都属_ ： 二相位调制型，其优点是灵敏度高，传感头不需要很长的光纤，双折射问题丰h 对容易处理。保偏光纤t 感光玎倒i - 3 反射式s a g n a c 光纤【u 流传感器纷柑f i gl 一3s t r u c t u r eo f a nr e f l e c t i v es a g n a cf o c s6习q 雌黜一x拳赢第1 章绪论全光纤型f o c s 的主要缺点是传感光纤的固有双折射难以处理1 1 6 - 1 8 1 。由于光纤制备工艺的不完善，介质中的杂质、缺陷等破坏了光纤的轴对称性，以及使用时不可避免的弯曲等原因，使传感光纤中存在固有双折射。而普通硅光纤的维尔德常数较小( 波长6 3 3 n m 时约为4 7 x 1 0 击r a d a ) ，光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角为了提高灵敏度，就必须增加传感光纤圈数，这同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，从而使传感器灵敏度远远低于理论预计值。此外，光纤的双折射及维尔德常数还是温度的函数【j 9 _ 2 ”，这进一步增加了研制的难度。全光纤型f o c s 自2 0 世纪7 0 年代被提出以来，近3 0 年的研究始终围绕着光纤固有双折射的处理问题，至今没有得到圆满的解决。从报道的情况看，目前采用的方法主要有以下几种：( 1 ) 采用扭转光纤1 2 2 2 4 】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同有圆双折射上，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 5 , 2 6 。( 2 ) 采用退火光纤f 2 7 2 9 】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 2 2 1 。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3 0 l 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 t m 】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 3 2 , 3 3 i 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，一种为线偏扳光，诤 为圆偏振光，将其交替输入传感头，则输信号可同时反映法拉第旋转和线性双折射效应，通过数栅处理算法补偿双折射影l 刚。以上方法均能在一定程度上减小光纤简有双折射的影q 自要进步提高准确度，还可以通过传感头处的温度测量从9 1 , 翔1 进行补偿 3 4 i 。除温度外，振动也会对f o c s测量准确度产生一定影响陋37 ，这给整个光路的凋整、校准及防振等带来了根大的困难。7燕山人学i 学搏七学位论文1 3 2 块状玻璃型在最初的全光纤型f o c s 遇到光纤的固有双折射问题之后，人们将目光转向了块状玻璃型传感头结构。如图1 4 所示，块状玻璃型传感头基本原理与光纤传感头相同，它通过玻璃材料内部多次反射形成环绕导体的闭合光路。这种传感头可以选1 用高维尔德常数的玻璃材料，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也都比较小。被测电流导线输光纤恻i 一4 块状玻璃型传搏头结构f i g 1 - 4s t r u c t u r eo f ab u l kg l a s ss e n s i n gh e a d块状玻璃型f o c s 存在的主要问题是反射引起的光偏振态变化。这种传感头中，线偏振光是通过多次全反射形成围绕被测电流的光回路的。由电磁场理论可知，当入射角大于临界角时，光矢量的s 分量和p 分量全反射后会产生一定的相位差，使线偏振光的偏振态发生变化，这与光纤中的双折射产生的效果是一样的。因此如何消除内反射引起的偏振态变化是这种传感器研制的关键。采用的措施主要有双正交反射保偏、反射面度膜保偏及临界角反射保偏等方法，并形成了乖方形、三角形、圆环形等多种结构形式【3 叭。块状传感头结构设计灵活，易实现无信号时的保偏性，因此其稳定性和灵敏度均优于全光纤结构。块状玻璃型f o c s 的主要缺点是传感头的加工精度要求较高，且加二【时易碎裂因而成本较高。1 3 - 3 混合型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，其主要缺点是高压隔离问题造成的系统复杂和高造价。利用电磁感应原理制作抟感头，将其信号通过光纤传输到控制宅，这就是混合式电流传感器，既可以解决高压隔离问题义使系统简甲紧凑。这类传感器大多采刚r o g w s k i 线圈将陡测电流转r哥第l 章绪论换成电压信号 4 1 , 4 2 ，再将电压信号转换成光信号传输，对光信号的调制可以采用频率调制f 4 3 1 、波长调制1 4 4 j 及强度调制1 4 s l 等多种方法。混合型f o c s 的传感头侧都要有偏置电源，供给电子或光电元件，而光纤的作用与普通光通信系统相同，因而技术比较成熟。图l 。5 是采用光强调制的种方案f 4 5 1 ，电信号通过a d 转换量化成数字信号，经过编码后对光源进行强度调制，再通过光纤实现信号传输。混合型f o c s 的主要问题是传感头豁分涉及到有源电路，其电功率提供相当困难，目前采取的方法主要有三种：( 1 ) 母线供电 4 5 , 4 6 1 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f 4 7 4 9 l 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5 0 i 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。混合型f o c s 的主要缺点是传感头中的电子元件及光源的长期工作可靠性问题，由于电力系统不问断运行的特点，限制了传感头的维修或更换频率。1 1 j1 5 混台蚋f o c s 传感央结杜jf i g i - 5s t r u c t u r eo f ah y b r i df o c ss e n s i n gh e a d9燕山人学i ：学博十学位论文除以上三种主要类型外还有一种聚磁环型f ( 圮s ，与块状玻璃型不同这种传感器是用磁路代替环绕导线的光路，形成磁路的磁性材料并不闭合，而是留有较大的空气隙，光学传感头位于此空气隙中。这种传感器的优点是光路较短，结构简单，容易安装。但由于聚磁环不是闭合的，因而传感头易受周圈其它导体电流的影响，而且空气隙中的磁场不均匀，测量准确度与传感头的安装位黄有关。除以上方法外，还出现了一些新的原理，如茅口用光纤光栅磁致伸缩原理和集成巍学技术实现电流测量等 5 1 - 5 4 i 。上述几种形式的f o c s 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，它们也存在许多问韪。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。1 4 光纤电流传惑器发展概况及展望随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，激发了大家研究新型互感器的兴趣。世界各国的大公司及高等院校，如a b b 跨国公司、法国的a l t h o m 公司、加拿大的n x tp h a s e 公司、闩本的东电、住友公司、我国的上互公司、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、燕山大学等都投入了大量的人力和财力从事电子式互感器( 也称光纤式或光电式互感器) 的研究和丌发。根据不同的工作原理、性能及用途，互感器的结构各有特色，但它们都朝着高准确度、高速度、高可靠的“三高”方向发展。1 4 1 国外研究概况光学电流互感器的研究可追溯到2 0 世纪6 0 年代，最早进行试验的装置“t r a s e r ”于1 9 6 3 年安装在俄勒冈州b o n n e v i l l e 电力局( b p a ) 的2 3 0 k v 电网上，它通过玻璃波导实现了信号传输 5 5 5 6 l 。时一时期，g h m o u l t o n 等人也j ；| | 光脉冲传输原理设计了一套高压保护装置i ”l 。在h 本，s s a i t o 等人利用磁光效应原理进行了超高压电力线电流测最研究f 5 8 , 5 9 i 。这一时期的研究为f o c s 的发展打下了初步的理论和技术綦础。2 0 世纪7 0 年代玎始，随着光纤制造技术的逐步完善，i 托现了全光纤型电流传感器的概念。山于全光纡掣具有摘译、重量轻、形状随意等伉点，嘲而最先被提出并始终是研究，与追求的杯。早在1 9 7 7 年英幽电力研究中心的a ，j r o g e r s l 6 0 1 和a m s m i t h l 6 1 1 等分别列全光纤f o c s 的原理进行了分析，在实验室对实验装置