光纤传感器在电力设备检测中的应用

1、光纤传感器在电力设备检测中的应用一、光纤传感器结构原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。 光就是一种电磁波，光的电矢量E：E=Bsin(t+) 。光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制

2、器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。 光纤传感器可分为干涉型与非干涉性两种，干涉型包括相位调制，非干涉性包括强度调制、偏振调制以及频率调制，主要介绍一下偏振调制光纤传感器。二、偏振调制光纤传感器原理偏振调制采用单模光纤。理想单模光纤中的模是光波的基模，基模是线偏振光，偏振方向是光纤的径向。这种线偏振光可用光纤径向平 面内两个相互垂直的偏振分量来等效，在理想状态下，这两个偏振分量具有相同 的传播常数和相同的传播相位，在传播过程中，始终能合成为原来的径向偏振状 态。 偏振调制

3、是利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振状态，偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和弹光效应。1、法拉第效应（磁光效应）某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即 =V0LHdL=VLH式中V 物质的弗尔德常数。利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如下图所示。2、普克尔效应（电光效应）当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为=n03d

4、eU0Ld其中：n0 正常折射率；de 电光系数；U 加在晶体片上的电压； 光波长；L 晶体长度；d 场方向晶体厚度。3、光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力相关，这被称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：=2KPLK 物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。此时出射光强为：=0sin22=0sin2(KPL)三、偏振调制光纤传感器应用偏振态调制电流传感器1、基本原理：法拉第效应（磁光效应）。当平面偏振光在强度为H 的磁场作用下，线偏振光在物质中通过距离L时电矢量E旋转角为VLI/2pr。若此磁

5、场是由长直载流导线产生，依安培环路定律： H=I/2pr 式中：I -载流导线中的电流强度；r -导线外任一观测点到导线的垂直距离。 可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。2、检测对象:输电线电流的测量3、特点（1）电绝缘。因为光纤本身是电介质，而且敏感元件也可用电介质材料制作，因此光纤传感器具有良好的电绝缘性。 （2）抗电磁干扰。这是光纤测量及光纤传感器极其独特的性能特征。 （3）非侵入性。由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小。因此，它不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式的，故对被测场不产生干扰。 （4）高灵

6、敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一。利用光作为信息载体的光纤传感器的灵敏度很高。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小，因此光纤传感器技术与遥测技术相结合，很容易实现对被测场的远距离监控。 除此之外，光纤传感器还具有以下三大特点。（1）光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到0.2dB/Km的水平。（2）光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。（3）光纤传感器体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏及远距离测量。4、实际使用情况虽然光纤电流传感器已经达到实用化的程度,但是要取代传统的CT 它还存在一些问题。主要问题有以下4 个方面:（1）双折射效应的影响。双折射效应对光纤电流传感器的影响主要是使入射到磁光材料的线性偏振光变成椭圆偏振光,从而使检偏器的输出光度变化不与被测电流成正比。这大大影响了光纤电流传感器的灵敏度和测量精度。（2）干扰问题。在测量的过程中, 由于光纤电流传感器采用的是磁光效应的原理, 因而它所测的导体就会受到导体周围的磁场的影响而产生干扰问题, 进而造成一定的测量误差而影响测量结果。（3）温度的影响。光纤电流传感器的