（光学工程专业论文）光学玻璃电流传感头色散特性及其对系统灵敏度影响的理论研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以琼斯矩阵为数学工具，利用理论分析、计算机仿真和实验方法研 究了块状玻璃光学电流传感头的色散特性及其对系统灵敏度的影响。在光学 电流传感器系统中，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。而在传感头中主要是由单层保偏反射膜的反射相移、光学玻璃的 v e r d e t 常数以及光学玻璃内的线性双折射这三个因素的色散特性，使得光学 电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变。研究结果表明，这种色散特 性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响。因此，光源的恒温控制与光源 驱动电流的恒流控制是必要的。本研究结果可为光学电流传感器的研究设计 人员提供有用的参考。 关键词：光学电流传感器；法拉第效应；色散；灵敏度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d i s p e r s i o np r o p e r t i e so f a no p t i c a lg l a s ss e n s i n gh e a da n di t se f f e c tu p o n t h es e n s i t i v i t yo fab u l k g l a s so p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ( b g o c s ) a r e t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e dt a k i n gt h ej o n e s m a t r i xa sam a t h e m a t i c a lt o o la n ds i m u l a t e dw i t ha c o m p u t e r , t h ew a v e l e n g t hd e p e n d e n c eo ft h eb g o c s ss e n s i n ge l e m e n ti sa l s o i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i n a l l o p t i c a l c u r r e n t s e n s i n gs y s t e m ，w h e nt h e f l u c t u a t i o n so f t h ed r i v i n gc u r r e n to rt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r eo f t h eo p t i c a ls o u r c e u s e dh a p p e n s ，t h ep e a l ( w a v e l e n g t ho f t h es o t l r c cw i l lc h a n g e t h i sw i l lr e s u l ti n t h ef l u c t u a t i o no ft h e s e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mb e c a u s eo ft h ee x i s t i n go ft h e d i s p e r s i o n so f t h er e f e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c e ，t h ev e r d e tc o n s t a n ta n dt h el i n e a r b i r e f r i n g e n c e i nt h e s e n s i n gh e a d t h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d i s p e r s i o n sw i l lo b v i o u s l ya f f e c tt h es c a l ef a c t o ro ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt o s t a b i l i z et h e d r i v i n gc u r r e n ta n dt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eo ft h e o p t i c a l s o u r c eb ys o m et e c h n i c a lm e a n s t h e s er e s u l t sm i g h tb eu s e f u lf o rt h e r e s e a r c h e r sa n d d e s i g n e r sw o r k i n g i nt h eo p t i c a lc u r r e n ts e n s i n g t e c h n i q u e sa r e a k e yw o r d s ：o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ，f a r a d a ye f f e c t ，d i s p e r s i o n ，s e n s i t i v i t y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i i l 第1 章绪论 1 1 光学电流传感器相对于传统电流互感器的优点及其分类 光学电流传感器( o p t i c a l c u r r e n ts e n s o r s ：o c s ) 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 1 】。目前普遍 用于电力工业中的是油浸式电流互感器，随着输送电压增至甚高压( e h v ) 、 超高压( u h v ) ，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。 o c s 与传统电流互感器相比具有如下优点：1 2 ( 1 ) 不含油，没有爆炸危险； ( 2 ) 不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和及大电感引起的滞后现象； ( 3 ) 绝缘性能好，用来做传感材料的光学玻璃、传输信号的光纤都是良好 的绝缘材料； ( 4 ) 无开路导致高压的危险； ( 5 ) 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； ( 6 ) 测量频带宽，由于光通过传感器部分只需要微秒级时间，因而频带 宽度完全由信号处理部分电子线路响应速度决定； 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( 7 ) 受电磁干扰影响小： ( 8 ) 体积小、重量轻、结构简单。 由于光学电流传感器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，有些研究 单位已进行了挂网实验，有些研究成果正进人产品转化阶段。 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 弱小电流的测量，从直流到高频电流的测量，光学电流传感技术都可获得广 泛的应用。 根据0 c s 所依据的传感机理和所用的传感材料，o c s 可分为以下四类： ( 1 ) 以光纤为敏感元件豹o c s ( 全光纤电流传感器) ；( 2 ) 用光学玻璃作敏 感元件的o c s ( 光学玻璃电流传感器) ；( 3 ) 使用光电混合装置的o c s ( 有 源型光纤电流传感器) ；( 4 ) 其它类型的，包括利用磁致伸缩效应或其它磁场 传感磁效应的o c s 。其中全光纤型o c s 主要存在由于光纤中存在线性双折 射而产生的一系列问题，以及v e r d e t 常数变化对输出的影响；块状光学材料 o c s 中线性j 双折射较全光纤型o c s 小，其技术难点是克服反射相移带来的 问题以及v e r d e ! 常数变化对输出的影响；有源型o c s 结合了传统电流传感 器和光纤的优势，是近年来比较活跃的一个研究方向，但也存在一些需要解 决的技术问题；磁场传感器用作o c s 的缺点是抗外场干扰能力低。其中第 ( 1 ) 、( 3 ) 、( 4 ) o c s 类中的大多数的工作原理为f a r a d a y 效应。 f a r a d a v 效应是指线偏光在与其传播方向平行的磁场圩作用下，其偏振 面可旋转一定的角度中的现象。其中中与h 之间的关系由下式给出： 中：y 旧打 ( 1 - 1 ) f 式中：v v e r d e t 常数，r a d a h 一磁场强度，a m 卜一光与磁场之间相互作用的距离，m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 若积分环路为闭合的，利用安培环路定律，( 1 - 1 ) 式可写成： 中= 啦m 1 ( 1 - 2 ) 式中：，一光束环绕导线的环数 ，一穿过光介质的导线根数 卜一电流强度，a ( 1 - 2 ) 式通常被认为是o c s 的工作原理，它表明：线偏光偏振面旋 转角度的大小与光束环绕导线的环数、穿过光介质的导线根数以及通过导线 的电流强度成正比。理想的o c s 应满足如下条件：( 1 ) 传感材料的v e r d e t 常 数应较大且受温度影响小；( 2 ) 材料的线性双折射要小；( 3 ) 光束环绕载流导 体成闭合或近似闭合光路，环路越多灵敏度越高；( 4 ) 光束在闭合环路中线偏 振态保持不变，光损耗很小。我们知道安培环路定律的使用条件是光束在 各向同性的均匀介质巾传播。实际上各种类型的o c s 均存在这样或那样的缺 撼，表现在( 1 ) 、对全光纤型o c s 而言，由于光纤中存在固有双折射和弯 致双折射，破坏了各向同性均匀介质的条件；( 2 ) 、对于块状玻璃o c s 而言， 由于在传感头的反射面存在反射相穆，导致偏振态的不连续，也破坏了各向 同性均匀介质的条件 ( 3 ) 、对于利用磁场传感效应的o c s 而言，由于没有 闭台回路，无环内外电流之分，导致抗外场影响能力差。 12 全光纤型电流传感器 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 精力研究全光纤型电流传感器。为了克服光纤线性双折射对系统的影响，提 出了很多设计方案，这些在先期的综述性文献中均已有介绍“。本论文奔绍 自9 4 年以后的研究进展。 121 “串联式s a g n a c 干涉仪”型o c s 的避一步研究 s a g n a c 干涉仪检测具有许多优点：灵敏度高、可采用简单的全光纤结构 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向不必使用偏振片，对输入光无偏振要求，可采用低相干光源。尤其是利用 其具有共模抑制作用的结构可使其不受任何具有倒易性因素的影响而检测出 具有非倒易性的法拉第效应。 s a g n a c 干涉仪型o c s 分为环形( 1 0 0 p ) 和串联式( i n l i n e ) 两种。都需要用 到2 4 波片，注入圆偏振光。, q 4 波片受温度影响不能保持高性能的情况下， 将大大影响系统输出的尺度因子，从而影响系统的实用化范围。 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o c s t 4 1 。该 方案在五4 波片和传输光纤之间插入旋转角为目的f a r a d a y 旋光器，并用高圆 双折射光纤作为传导和传感光纤。实验表明此种方案在扰动和静态情况下灵 敏度测量大约为4 5 r a d a t u r n s 。f a r a d a y 信号的畸变率小于o 9 ，且与传 统方案相比噪声电平可降低2 0 d b 。 s h o r t 等人研究了串联式s a g n a c 干涉仪型o c s 中由双折射引起的尺度因 子误差的产生机理【5 1 ，并提出将传感线圈缠绕在螺旋线圈上的方法，来大量 增加圆双折射，替代通常比较脆弱的退火光纤。 s h o r t 等人还研究了五4 波片不完备性引起的尺度因子误差及其补偿技 术【甜。在环形方案中，当两个波片的光轴预置成4 5 。角就可以解决波片不完备 性引入的相移。在串联式方案中，提出了将一次谐波信号除以峰值光强的处 理方法。结果表明当两个州4 波片的光轴成4 5 。角时，可补偿四分之一波片不 完备性带来的尺度因子误差。 1 2 2 消除因v e r d e t 常数变化导致误差的新方案 费尔德常数矿( 五，丁) 受光源波长及环境温度的影响f 。在抗磁性玻璃材料 中： 哈尔滨工程大学硕士学位论变 而杀型塑= 一d ( 一d n ) ( 1 一d n d t d ad t d a ) ( 1 _ 3 ) 矿( 五，r ) 、7、7 。 式中：n 一一折射率 五一波长，s l n 丁一一温度，k ( 卜3 ) 式说明矿( 五，t ) 相对于温度r 的变化率是一个与h ，丑，t 都有关 的复杂关系式。顺磁和铁磁材料的v e r d c t 常数随温度变化更大。因此v e r d c t 常数对o c s 性能的影响不可小视。 1 2 3 具有闭环系统的f a r a d a y 型o c s 嘲 v 图1 1 具有闭环系统的f a r a d a y0 c s 工作原理及试验装置图 l dh e n e 激光器p 起偏器l 透镜f 反馈螺线管 s 信号螺线管b s 分束器a l 和a 2 检偏器 d l 和d 2 光电探测器d a 差动放大器l f l 带通滤波器 a m 放大器l a 锁定放大器l f 低通滤波器v i 压控电流源 王廷云提出了其有闭环反馈系统的方案。从输出端反馈的电流信号驱动 偏振调制螺线管产生补偿信号使传感器工作于正交状态，有效消除了费尔德 常数变化给传感器带来的误差。其实验装置如图1 1 所示。该传感器的电路 测量范围为：l m a 6 5 a ：频率测量范围为：1 0 h z 1 0 0 k h z 。具有线性度好， 测量范围大，频带宽等优点。 1 2 4 利用平衡测试原理的o c s 【9 】 哈尔滨工程大掌硕士学位论文 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。干涉仪 两臂之一一环绕被测大电流，另一臂环绕已知小电流。线偏振光经分束器后分 为两路，分别沿两臂传播。合束后两臂干涉光在探测器上的干涉光强为： = j + ，2 + 2 ，1 1 2c o s ( 中一m f 2 + 妒o ) ( 1 - 4 ) 式中：，i ，一第一干涉臂和第二干涉臂光强，a 中，巾n 一被测大电流和己知小电流引起的f a r a d a y 旋角，r a d 妒。一两臂静态相位差，r a d 由( 1 - 4 ) 式知：当m f l = 中f 2 时，干涉光强与f a r a d a y 效应无关，则由 已知小电流可求出被测大电流。由于传感元件属同一种光纤并在同一环境中 测量，由光纤内双折射及外部环境变化引起v e r d e t 常数变化而导致对f a r a d a y 旋角产生的影响可相互抵消。实验表明这种传感器测量范围宽，线性度精确 度高，最大相对误差为士o 2 5 ，并且重复性好，测量范围可从几安到几千 安，抗干扰能力优于同类仅有一个单臂的电流传感器。 1 2 5 其它方面进展 r o s e 等人研究了当o c s 处在高电场环境中( 如气绝缘系统) 受k e r r 效 应影响的情况【1 0 】。表明当电场中光路的长度约为l o m ，e 1 m v m ，。时，电 光效应引起的相移不能忽略，此时高电场引起的电光k e r r 效应会导致被测交 流电流波形的谐波失真，或是系统温度稳定性变差。为使k e r r 效应最小化， o c s 需要对高电场屏蔽。 f e r r a r l 等人提出了使用l d 强度调制进行外差信号检测的方法【】。研究 与实验表明，当起偏器和检偏器的夹角为4 5 。时系统灵敏度最佳，当起偏器 和检偏器的夹角为9 0 。时，传感器的对比度和信噪比增加。 刘哗等人提出了一种全新的用一个系统同时测量三相电流的光学电流互 感器如图1 2 所示( 1 2 j ，对其数学模型进行了仿真，并对三相光学电流传感器 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的线性双折射问题进行了研究1 3 1 4 ，提出了用神经网络方法进行补偿的方案 【1 5 】。 图1 2 用于测量三相电流的光学电流互感器 对于采用扭转光纤的电流传感器，为克服温度变化等因素引起的偏置漂 移，董小鹏等提出一种可补偿偏置漂移的信号处理方法f 1 8 l 。他们将通常的差 除和信号处理方案的输出信号分为直交流两部分，分别用下标出和钟表示： s = s a c + s 。 ( 1 5 ) 式中：s 。= c o s ( 2 m 目) ，s = s i n ( 2 中b ) ( 2 m f ) ，中5 中包含了起偏器、渥拉斯登 棱镜及光纤环线性双折射的影响，则仅含由电流引起的法拉第旋转角中，的 传感器输出信号s ，可由下式计算： s 。= s 。，1 一s 未= 2 f ( 1 6 ) 由( 1 - 6 ) 式知：所得信号s 。将不受偏置点相位变化巾。的影响，并可消 除温度等引起的偏置相位变化而导致的输出信号漂移。该研究组还给出了一 种可补偿在任意范围的偏置漂移的双渥拉斯登棱镜方案。 王廷云等人提出了可提高光纤电流传感器的信噪比的、基于小波变换理 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论的数字信号处理系统【1 9 】，设计并完成了基于小波变换的带通滤波器。该系 统能实现带宽1 h z 的带通滤波特性，并能根据需要改变软件参数方便地实现 不同频率不同带宽的信号提取。 1 3 块状光学材料电流传感器 块状光学玻璃电流传感头的线性双折射相对较小，可采用v e r d e t 常数较 大的光学玻璃，体积小，重量轻，结实耐用，灵敏度较高。为形成闭合回路， 需采用反射结构，因而引入了反射相移。为避免反射相移的不利影响，已提 出了三种解决方案 2 0 】【2 1 】：( 1 ) 双正交反射、( 2 ) 临界角反射、( 3 ) 保偏全反 射。其中第三种又有多层介质膜与单层介质膜之分。由于块状光学玻璃电流 传感器的v e r d e t 常数较大，故v e r d e t 常数受环境影响而变化对系统的影响也 不容忽视。 1 3 1 探头设计新方案 给畚凰零 ( a )c o ) ( c ) 图i 3 三种块状光学玻璃电流传感头新设计方案 易本顺等人提出了几种新的传感头方梨2 2 】翻，如图i 3 所示。其中( a ) ， ( b ) 是利用保偏的屋脊棱镜将单环路光学电流传感头改变为反向双环路结构。 ( c ) 为多环路结构，可以根据被测电流大小来改变传感头高度和尺寸或调整 入射点坐标而改变决定其灵敏度的环路数。 邱静和等人也提出了类似的块状方形双层光路玻璃光学电流传感头设计 方案 2 扪，并获得了在2 2 0 k v1 0 0 0 a 8 0 0 0 a 的电流测量范围内线性误差小于 o 5 ，在一3 0 0 c 4 0 。c 温度范围内系统不稳定性小于o 5 的结果。 1 3 2 补偿方法 孳 哈尔滨。r 程大学硕士学位论文 ( 1 ) 温度补偿 n i e w c z a s 等人将b r a g g 光栅测量装嚣的输出信号直接集成到d s p 单元内 用以自动补偿温度改变对系统的影响矧。实验结果显示，在3 0 。c 1 1 0 。c 范 围内，由温度引入的误差可减小到o 3 左右。 张新亮等人用双波长双路检测来实现温度补偿。输入光纤传来的双波 长光信号均经过感温元件，其中一种波长的光波强度随温度变化而变化，构 成测温信号；而另一种波长的光波强度不随温度变化，构成测温参考信号和 电流测量信号。用计算机分析出温度值后，去自动补偿电流信号。整个系统 在补偿后的长期稳定性优于0 3 。 易本顺等人提出了采用高v e r d e t 常数的材料，同时不受温度影响的频率 分离比较测量法【3 【7 1 。由于o c s 的频带很宽，可以在传感头中加一个与被测 电流不同频率的标准参考电流i 。，经光电转换，前置放大后，用两个中心 频率分别与，f 相对应的带通滤波器将信号分离，则从两个交流通道输出 的信号之比为： 月：里生0 - 7 ) k 2i ” 式中：足，k ，一一两个通道的放大系数 i 。一一被测电流不同频率的，a i 。一一标准参考电流，a ( 2 ) 机械振动补偿 n i e w c z a s 等人报告了一种补偿机械振动对o c s 影响的方法【2 4 】。其原理 是基于f a r a d a y 效应是非互易的而由扳动导致的光强波动是互易的。他们的 振动实验表明该系统可达到5 p 2 0 保护级电流传感器水平。 ( 3 ) 偏振补偿 口 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通常块状光学玻璃型o c s 中采用多模光纤来传光，但多模光纤入射光的 不稳定会影响系统的性能，单模光纤中又存在着极易受外界环境( 如温度、 应力) 影响的线性双折射。为此，何竞翼等提出用一对渥拉斯登棱镜补偿传 光光纤中偏振态扰动的方案口5 2 6 1 。实验表明，系统的偏振灵敏度能控制在 0 0 5 d b 以下，比不采用这种补偿方案的系统低近2 0 d b 。 1 3 3 其他方面的进展 ( 1 ) 输出特性研究 盛珑等人指出了光学电流传感器的适用范围2 7 1 ，当被测电流峰值小于 1 0 0 0 a 时，系统非线性误差很小。当电力系统发生故障时，电流瞬时可达几 力安培甚至更高，会使偏振光发生较大的偏转，此时由非线性引起的相对误 差为： z 掣若： m s ， 却4 式中：v 一一v e r d e t 常数，r a d a ，。一一被测电流峰值，a ( 2 ) 反射相移对系统灵敏度、稳定性以及抗外电磁场干扰能力的影响 王政平等人研究了反射相移对系统灵敏度、稳定性以及抗外电磁场干扰 貔力的影响 2 8 1 1 2 9 1 。研究表明，假定传感头内的线性双折射可以忽略，要获得 理论预期的最大灵敏度，在每个反射面的反射相移必须被限制在o 2 4 r a d 以 内。对抗干扰能力的影响研究表明，反射相移会降低传感器的抗电磁干扰能 力，因此在o c s 的设计过程中必须设法减小反射相移。 他们还比较了三种信号处理方案1 3 0 1 。即单探测器方案、差除和方案、改 进的差除和方案。结果表明，差除和方案较好，改进的差除和方案有最好的 信号处理能力。 1 4 其他型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 1 有源型o c s 李芙英等人提出为高压侧电路供电的新方案p 1 1 。此方案选用高压母线电 流作为能量的来源，设计了一种悬浮式电源。经过实验这种悬浮式电源可以 在母线5 ，。1 2 0 1 。范围内保证正常工作，在小于5 1 。及1 2 0 1 。以上范 围采取一定措施，也能维持工作。 图l4 基于相位压缩原理的光电混合型0 c s l d 激光器p c i 和p c 2 偏振控制器c l 和c 2 耦合器 f c i f c 3 光纤活动连接器p z t 压电陶瓷l 光纤延迟线 d光电探测器thr o g o w s k i 线圈 s p 信号处理电路 王廷云等人提出了纂于相位压缩原理的有源型o c s 方案【3 2 】如图1 4 所 示。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。 1 4 2 磁致伸缩效应光纤电流传感器 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【”】。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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 诈交状态下工作，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。试验表明，在1 1 2 0 m a 的测量范围 内，传感器的精确度达0 2 0 。 图15 外s a g n a c 干涉仪型光学电流传感器 m 反射镜o i 光纤隔离器l d 激光二极管 p d 光电极管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 分求器 f lf a r a d a y 元件f 2f a r a d a y 磁铁元件f 单膜光纤 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f 3 4 1 。如图1 5 所示。 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。 1 5 新型光学电流传感器 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【3 5 1 ，如图1 6 所示。传 感元件包括个正方形的硅膜，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 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 。 誉生丁藏撵争诙 一 锑冒 i，m，q；巴 _ _ 自；姆 t | 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图16 微机械( i c r 0 a c h i n e d ) 光纤电流传感器 1 6 小结 综t - 所述，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临 的实实在在的挑战。实用化的障碍恐怕仍然是需要克服由各种因素引起的系 统的温度与震动稳定性降低问题。此外，目前的研究多集中于测量用光学电 流传感器，对线路防护( 继电保护) 用电流互感器的报告还不多。然而这两 种用途的光学电流传感器对电力系统而言都是需要的。故对线路防护用电流 瓦感器的研究似应加强。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 第2 章块状玻璃光学电流传感器的基本原理 2 1 琼斯矩阵介绍 根据波动光学理论，光波是横波，其光矢量垂直于传播方向。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 石之间连续变化。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 序旋椭圆偏振光。 在这种光矢量概念基础上，利用琼斯矩阵等数学工具，研究者们已成功 地处理了大量有关偏振光通过光学系统时涉及的偏振光学问题。为描述光学 系统中发生的物理过程，琼斯于1 9 4 1 年提出了用一个二元复数矢量来描述一 束光的偏振状态，及用2 x2 矩阵描述光学器件的方法，即琼斯矢量法 蚓。此 法也可简单地处理光路中的光学元件数量很多的情形。 琼斯矢量是一个二元复数列矢量，它的两个元素分别与光矢量d 的两个 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分量口。和口。丰h 等。椭圆偏振情况f 的琼斯矢量司表不为： 铲阱影黑 江， 式中： v ：耐+ 丝 a 当省去公共相位因子时，上述矢量还可写为： 矿影；： 协z ， 当对振幅信息不感兴趣时，可将其归一化，可得出规范化琼斯矢量表达式： 雕纠 涵s ， 其中： 斗删a n 爿 当不考虑光矢传播的绝对相位时，可用上述式子确定与一给定偏振形式 相对应的琼斯矢量元素。 水平线偏振光对应的琼斯矢量是： 嘲 沼a ， 乖盲线偏振光对应的琼斯矢量是： ( 2 5 ) 当令j 。= 0 ，9 7 x = 要时，右旋圆偏振光对应的琼斯矢量是： 甜1 弦s ， 压il 一。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当令占，= 一要，d ，= o 时，左旋圆偏振光对应的琼斯矢量是： 渊1 协， 压ii 由式( 2 3 ) 给出的琼斯矢量所表示的偏振光束，其光强度为： ，= g 1 + + 口1 = a x 2 + 爿y 2 ( 2 8 ) 因为一个线性光学元件的功能等效于对入射光束进行一次线性变换，所以任 何一个线性光学装置必然由这样一个表示线性变换的二乘二复数矩阵表示， 此矩阵称为该装置的琼斯矩阵；一个由数个线性光学元件构成的光学系统可 用表示各个光学元件的琼斯矩阵的连乘来表示，从而使偏振光学的求解得以 简化。相应的运算则称为琼斯运算 3 7 。 2 2 常用光学元器件及其琼斯矩阵 偏振光通过偏振元件后，它的偏振态会发生变化。如图所示，入射光的 偏振态用e = 三 表示，透射光的偏振态用巨= 乏 表示。偏振器件g 起 着e ，和e ，之间的变换作用。假定这种变换是线性的( 在线性光学范围内均可 满足) ，也就是说透射光的两个分量爿：、玩是入射光的两个分量4 和且的线 性组合： a 2 = 9 1 1 4 + 9 1 2 8 1 b 2 = 9 2 1 4 + 9 2 2 b l ( 2 9 ) 式中：g ，g 2 ，9 2 1 ，9 2 2 一一复常数系数 ( 2 9 ) 写成矩阵形式： 阱臣出 协 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或写成： 巨= g e ， 1 2 1 1 ) 式中： g = 降9 2 1 如9 1 2 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。与此类似，考虑一个琼斯矢量为铴的光束依次进入琼斯矩阵为， ，l ，。的一系列光学装置，那么从这一系列装置出射的光束之琼斯矢量为： 口= j 。，- ，2 ，l a o 1 2 1 2 ) 这样知道一个光学装置的琼斯矩阵后，从该装置出射的光束的琼斯矢量， 就j 以简单地通过入射光束的琼斯矢量乘以该装置的琼斯矩阵而求得；或用 入射光矢依次与构成光学系统的元件矩阵相乘而求得。 下面列出常用光学元器件的琼斯矩阵： 偏振器是最常用的光学器件之一，它是将入射光束分解为两个j 下交形式 的光束，并使这两束光以不同强度透过的一种光学元器件。其中常用的是线 偏振器。理想线偏振器只允许沿某一方向振动的线偏振光完全透过，这个方 向被称为透射轴；而振动方向与此相垂直的另一线偏振光则被全部截住，称 这个与透光轴正交的方向为消光轴3 8 】。 透光轴与x 轴成臼角的理想线偏振器的琼斯矩阵为： c o s 2 口 三s i n 2 口 ! s i n 2 0 s i n2 臼 ( 2 1 3 ) 令上式中口：0 得透光轴为x 轴的理想线偏振器的琼斯矩阵为 沼 哈尔滨工程大学硕士学位论文 透光轴为x 轴的非理想线偏振器的琼斯矩阵为： 其中：s 一一偏振器的特性参数，定义为s = 瓦e 式中：e 。一透光轴方向通过光矢量的振幅， e _与透光轴正交的方向通过光矢量的振幅。 通常s 2 被称为消光比。 透光轴与x 轴成0 角的非理想线偏振器的琼斯矩阵为 ! 翥j 咖卜 1 小 c o s os i n o 0o o s ( 勺) j l o s i n oc o s 0 = l s i n ( 一)s j l ii翌2臼+ssin2臼(1-：e)s+inoco：s01s ) s i n o c o s 0 s i n0e c o s0i c z s ， l ( 一 2 + 2 i 另一种较常用的光学器件是延迟器或双折射片，它使一束入射的单色偏 振光分解为两束正交偏振形式，并使其中一束光的相位相对于另一束产生一 定的滞后。一个快轴是x 轴，滞后量为的线性延迟器的琼斯矩阵为： 协 第三种常用光学器件是旋光器，旋转p 角的旋光器的琼斯矩阵为 离捌 协 2 3 法拉第效应与光学电流传感原理 由第l 章的介绍可知，多数光学电流传感器( o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ) 下 而简称o c s 是以法拉第效应( 磁光效应) 为其基本原理的。下面对法拉第效 哈尔滨工程大学硕士学位论文 府作一个简单介绍。 在磁场的作用下，物质的光学性质会发生变化，这就是所谓的磁光效应。 在磁光效应中比较重要的是法拉第效应，即光在通过磁场作用下的物质时产 生偏振面旋转的效应。 当线偏振光入射进磁场作用下的介质时，它的两个互相正交的分量( 左 旋和右旋偏振光) 将经受不同的折射率，于是，光透过物质时，两个分量之 间出现相位差，作为它们合成输出的光，偏振面会发生旋转，偏振面旋转的 角度中为： o ：v 陋万( 2 1 9 ) ， 式中：材料的v e r d e t 常数，r a d a 曰一磁场强度，a m r 光与磁场之间相互作用的距离，m 若积分环路为闭合的，利用安培环路定律，( 2 1 9 ) 式可写成： m = v n ，n i( 2 2 0 ) 式中：v ，光束环绕导线的环数 一一穿过光介质的导线根数 卜一电流强度，a ( 2 2 0 ) 式表明，线偏光偏振面旋转角度的大小与光束环绕导线的环 数、穿过光介质的导线根数以及通过导线的电流强度成正比。 2 4 块状玻璃光学电流传感器的数学模型 2 3 节公式( 2 - 1 9 ) 成立的条件是光在各向同性的均匀介质里传输。当 存在反射相移或线性双折射时，此条件不成立，需要用琼斯矩阵描述实际光 学过程。 焉豁各焉繁射膜1 f = = = 苄 刑展 mi iij 呦 i i 计剽：二 _ 广军= = = 7 一写掣紫 起偏器土渥拉斯登棱镜 ” 。；，渣篙兰堂 图2 1 实验装置示意图 l e d 一发光二极管d i ，d 2 p i n 光检测器 t ，一电矢的平行分量j s 一电矢的垂直分量u 。一输出电压 被测电流 y r 1 1 坂 f 2 f 4 馒书 ，、“飞。 。 f 1 ，f 4 ：传输矩阵 r 1 ，r 3 ：反射矩阵 图2 2 空间关系示意图 我们所用的实验装置如图2 1 所示。传感头中光路与电流空间关系如图 2 2 所示。由l e d 产生的一束光，首先经过透光轴与水平方向呈0 角的起偏 器，再经过由v e r d e t 常数为l o 。5 量级的光学玻璃制成的传感头，传感头的中 心山载流导线穿过。光束经过传感头，受电流产生的f a r a d a y 效应的影响， 偏振态发生变化，经过渥拉斯登棱镜检偏，输出两束光，分别为从传感头输 出光矢的垂直分量和平行分量，这两束光分别进入相应的p i n 光检测器，被 转换为电压进入信号处理电路，经差除和的信号处理后，得到输出电压u 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此输出中包含了被测电流的信息。该传感系统的矩阵可用下式描述 e 。= 只r 3 e r 2 e r l f , p ( e ，o ) e 。 ( 2 2 1 ) 式中：e 。， 出射的光矢量 f 一光在每臂传输过程中产生的物理效应的矩阵( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 足光在每个反射面上的反射效应的矩阵( i = i ，2 ，3 ) p ( s ，0 ) 起偏器的矩阵，s 为起偏器的偏振参数，0 为起偏器光轴 与检偏器光轴的夹角，称为预偏角 e ，。一入射光矢量 当入射光偏振方向与所选坐标x 轴重合时，e 。成为： 耻嘲 沼z z ， 这里假设入射光矢量的振幅为1 。当存在线性双折射时，f 成为 f = 瞄 ( 2 2 3 ) 式中： a ，= c o s ( q j ，2 ) + j s i n ( w 。2 ) c o s ( x ；)b ，= s i n ( w , 2 ) s i n ( x ，) x 。：a r c t a n ( 2 。8 ，)一= 2 ( j 。2 ) 2 + 矽，2 式巾：占一第i 个臂的线性双折射，t a d ，一一电流在第i 个臂产生的法拉第旋转角，r a d r 可以写为： r ，= 8 ：”。，0 。 = e j ” 8 ：。 2 l o l ( f _ 1 ，2 ，3 )( 2 2 4 ) 1l 1j 坫。4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：。，一光p 分量的反射相移，r a d 。一光的s 分量的反射相移，r a d a ，= a 。一。一两分量间产生的反射相移差，r a d 在以下简称“反射相移”。为了方便，忽略掉绝对相移量e a ，式( 2 - 2 4 ) 耻k 牡” 涵z s ， 在6 u 卣已提到，在起偏器的偏振参数为，预偏角为臼时，起偏器的琼 斯矩阵是： 即，垆c o s 2 ( 8 ) + c s i n 2 ( 目；2 高擎搠协z s ， 在理想情况下，线性双折射为零，于是有： 耳= 瞄翟 ( f = 1 忍s z ， 在本系统所用传感头中，因三个反射面镀有单层介质保偏反射膜，故反射相 移可忽略，即反射相移为零，则式( 2 - 2 5 ) 可写为： 耻怎s ， 沼：s ， 足2 lo1l = 1 _ 3 吃。2 8 ) 如果用e 。和e s 分别代表输出光矢的p - 分量和s 一分量，则输出可表示成： = 吲 沼z 经渥拉斯登棱镜j f 交检偏后，输出光强分别为： i 。= 居：e 。 ( 2 3 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ，= f e ， ( 2 3 1 ) 这旱“+ ”代表厄米运算。经过差除和的信号处理电路后，输出为： 吣错 沼，z ， 在理想情况下，起偏器的偏振参数是0 ，且预偏角刚好被调整在4 5 。，即= 0 ， 0 = z 4 ，此时起偏器矩阵可表示为： 即，= 1 e 泪 协。s ， 将上式代入式( 2 - 2 1 ) 中，计算得到： 丘 ；( c o s 中+ s i n 。) ；( c o s 。“n m ) 经过推导可得出式( 2 3 4 ) 的结果为 u 。= s i n ( 2 q ) ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 4 此处o = 。，n n n n n n n v e r d e tn 数n 1 0 。5 量级，在电流1 0 0 0 安培 f = 1 以下时( 也就是本实验系统所测范围内) ，中都很小，有s i n ( 2 0 ) “2 巾，所以 ，。，z2 q b ，传感器输出和法拉第转角有线性关系。又根据式( 2 - 2 0 ) ，法拉 第转角和待测电流有线性关系，所以u 。“2 0 = 2 v i ( 这罩m = 1 ，m = 1 ) 可以说传感器的输出和待测电流有线性关系。而且在无输入电流时，输出为 0 ，即输出输入曲线截距为零。一般来说，我们定义输入输出曲线的斜率为 尺度因子s ( s = u 。i ) ，用尺度因子的变化来衡量系统的灵敏度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章块状光学玻璃电流传感头色散特性 及其对尺度因子的影响 3 1 为什么要考虑传感头的色散 自1 9 8 3 年s a t o 的光学玻璃电流传感器获得欧洲专利以来【3 9 1 ，光学玻璃 电流传感器的研究取得了很多进展。但在以往的光学电流传感器( o c s ) 的研 究与设计中，大多数研究者都假定光源输出波长恒定不变，因此很少讨论系 统中各个光学元件色散特性可能会对系统产生的影响。但真实的情况是，当 光源驱动电流发生变化或光源周围温度发生变化时，光源输出的波长就会发 生改变，进而通过各光学元件的色散特性影响系统的灵敏度。本课题仅研究 光源中心波长在1 2 9 0 n m 附近变化时，传感头色散特性对光学电流传感系统 灵敏度的影响的理论研究结果。 为了准确的知道光源中一t s , 波长在光源驱动电流发生变化或光源周围温度 发生变化时，其峰值波长会变化多少，我们进行了一系列试验。 实验1 ：光源中心波长随驱动电流变化特性实验 图3 1 峰值波长随驱动电流变化装置图 我们使用中心波长为1 2 9 0 n m 的武汉电信器件公司生产的l e d 3 s 4 0 3 为 光源，并使用自制电路改变光源驱动电流，再用光衰减器模拟实际系统中光 哈尔滨工程大学硕士学位论文 缆造成的功率损耗，最后用信息产业部电子第四十一研究所生产的a v 6 3 6 1 光谱分析仪纪录输出光峰值波长。( 实验装置如图3 1 ) 童 泓 蝌 趔 磐 图32 峰值波长随驱动电流变化曲线 表3 1 峰值波长随驱动电流变化数据 驱动电流( m a )峰值波长( n m ) 驱动电流( m a )峰值波- l f ( n m l 151 3 1 31 51 3 1 6 2 01 3 0 52 013 1 0 2 51 3 0 52 51 3 0 8 3 01 3 0 53 01 3 0 7 3 51 3 0 63 51 3 0 3 4 01 2 9 84 013 0 4 4 51 2 9 74 51 2 9 9 5 01 2 9 85 01 2 9 9 5 51 2 9 85 51 2 9 9 6 01 2 9 16 01 2 9 8 6 51 2 9 16 51 2 9 8 7 01 2 9 07 01 2 9 l 7 51 2 9 07 5 1 2 9 7 8 01 2 9 0 我们经过实验得知在驱动电路变化范围为1 5 m a 8 0 m a 时，输出光功率 都足够大