基于法拉第磁光效應的大電流測量技術

朱衛安 ，劉國瑛 ，侯鑫瑞 ，吳智量 ，李舒華 ，簡浚宇

（1.廣州大學 物理與電子工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州松興電器有限公司，廣東 廣州 510655）

0 前言

電冶煉、電阻焊等生產過程的工作電流都非常大（幾千安、幾萬安甚至幾十萬安）。為保證生產質量，需對生產過程的工作電流進行控制，因而需要精確測量工作電流。傳統的電流測量裝置存在響應慢、精度低、測量范圍與應用場合受限等不足，已逐漸不能滿足生產技術發展的需要。基于法拉第磁光效應的電流測量技術具有響應快、精度高、測量范圍大、絕緣性能好、抗干擾能力強等優點，是一種極有發展前途的大電流測量技術，深受國內外研究者的重視[1]。劉曄等人對以光纖為敏感元件的光纖電流傳感器傳感頭的結構進行了研究[2]，分析全光纖型傳感頭、混合型傳感頭的不同結構在克服光纖電流傳感器的一個重大缺陷——雙折射方面的作用效果。林森等對基于法拉第慈光效應的光學電流傳感器的電氣特性進行了仿真研究[3]，就基于法拉第磁光效應的光學電流傳感器的交流響應波形、幅值特性、頻率特性進行仿真，分析了影響交流響應波形、幅值特性、頻率特性的因素。2009年6月7日，南瑞航天（北京）電氣控制技術有限公司在公司網站宣布，所研制的“NAF-GL系列全光纖電子式電流互感器”通過由江蘇省信息產業廳主持的技術成果鑒定。

目前，基于法拉第磁光效應的大電流測量技術既有以有法拉第磁光效應的光纖為敏感元件的，也有以磁旋光玻璃為敏感元件的。具有法拉第磁光效應的光纖價格高，且存在雙折射的問題[1]。本研究以磁旋光玻璃為敏感元件，結合其他光學元件及所需的信號處理電路，組成基于法拉第磁光效應的大電流測量實驗裝置，并利用可調模擬被測對象對裝置進行性能測試，以為實際應用奠定一些基礎。

1 理論基礎

1.1 通電長直導線周圍的磁場

空氣中，通電長直導線周圍某一點的磁場為[4]

式中 i為導線中的電流；r為該點到導線中心的距離；B為該點的磁感應強度；μ0為空氣的磁導率。

同一點的磁場強度為

式中 H為磁場強度。

1.2 法拉第磁光效應

對于具有法拉第磁旋光作用的光學器件，如沿其光軸方向存在磁場強度為H的磁場，則使沿其光軸方向傳播的線偏振光的振動面發生旋轉，且旋轉角為[1]

式中 V為費爾德常數；l為線偏振光在磁旋光器件中的光程；θ為線偏振光振動面的旋轉角。

振動面的旋轉方向取決于H的方向與光線方向相同亦或相反。沿光線方向看去，設H的方向與光線方向相同時的θ為正，則H的方向與光線方向相反時的θ為負[5]。i的方向發生變化，H的方向相應發生變化，從而在光線方向不變的情況下，使θ的正負發生相應變化。

由上述可知，在r、V、l確定及光線方向不變的情況下，如測出θ，便可得知i。

2 基于法拉第磁光效應的電流測量實驗裝置的組成和工作原理

電流測量實驗裝置的組成如圖1所示。

圖1 電流測量實驗裝置組成框圖Fig.1 Schematic diagram of current measuring instrument

整個實驗裝置由光路系統、光電檢測與轉換電路、信號運算處理電路及顯示部分組成。光路系統及光電檢測與轉換電路是電流測量裝置的核心，用于形成并輸出與被測電流有確定、單調關系的信號。

2.1 光路系統的組成、作用和工作原理

光路系統由半導體激光器、起偏器、磁旋光器件（法拉第磁旋光玻璃）、半反半透鏡（分束器）、反射鏡及渥拉斯頓棱鏡組成，如圖2所示。

激光器發出的激光通過起偏器后，得到線偏振光。線偏振光通過半反半透鏡，沿軸向進入置于由被測電流形成的磁場中的法拉第磁旋光玻璃。磁旋光玻璃尺寸較小，經調整，可認為在磁旋光玻璃內，H近似均勻且與軸向平行。通過磁旋光玻璃的線偏振光經全反射鏡反射后，再次沿軸向進入磁旋光玻璃，然后經半反半透鏡反射后，進入渥拉斯頓棱鏡。線偏振光兩次通過磁旋光玻璃，在其他條件確定的情況下，相比于一次通過，線偏振光振動面的旋轉角θ可增大一倍。這有利于測量較小電流。

線偏振光通過渥拉斯頓棱鏡后，輸出兩束成一定夾角而振動面相互垂直的線偏振光。通過調整，使被測電流為零時，渥拉斯頓棱鏡輸出的兩束光的振幅相同，即強度相同。設此時進入渥拉斯頓棱鏡線偏振光的振動面為參考平面。如被測電流不為零，則渥拉斯頓棱鏡入射線偏振光的振動面與參考平面之間形成一個與被測電流i成正比的夾角θ，此時，渥拉斯頓棱鏡輸出的兩束光的振幅（強度）都相應發生變化。對渥拉斯頓棱鏡輸出的兩束線偏振光分別進行檢測并經一定處理、運算，可得到θ，進而得到i。

2.2 θ的檢測

如圖3所示，被測電流i為零時，θ為零，渥拉斯頓棱鏡輸出的兩束線偏振光的振幅A1、A2相等；相應地，兩束光的強度I1、I2相等，兩路光電檢測電路的輸出相同。

圖3 渥拉斯頓棱鏡輸出光矢量示意Fig.3 Diagram of light vector from Wollaston prism

設兩路光電檢測電路對應的輸出分別為V1、V2。理想情況下，V1、V2之間的關系為[5]

通過光路系統、光電檢測電路的精心設計、精密調整，可使實際狀態達到所需要求。由式（4）可得：

將兩路光電檢測電路的輸出V1、V2輸入圖4所示的電路，進行運算。電路中，運算放大器U1及周圍電阻構成的電路實現V1+V2運算，集成儀表放大器U2實現V1-V2運算，乘法器AD633、運算放大器U4及周圍電阻構成的電路實現除法運算。電路的輸出為

圖4 信號運算電路Fig.4 Diagram of signal operational circuit

對V0進行反正弦運算，可得到θ。反正弦運算可利用單片微型計算機運行程序實現，亦可利用模擬運算電路實現。有關利用模擬運算電路實現反正弦運算，在此不做詳述。

3 實驗和結果

3.1 主要器件的確定

（1）激光器。為保證信噪比并考慮與磁旋光玻璃和光電二極管參數的匹配，選用功率較大的650 nm半導體激光器。

（2）法拉第磁旋光器件。限于實際條件，選用TGG型圓柱形磁旋光玻璃作為磁旋光器件。

（3）渥拉斯頓棱鏡。限于實際條件，選用GCL-071110型渥拉斯頓棱鏡。

（4）光電二極管及光電檢測電路其他器件。通過篩選，使兩路光電檢測電路所用光電二極管及其他電子元器件的參數盡可能一致。

（5）信號處理電路所用集成芯片。采用精密、低噪、高速的運算放大器、集成儀表放大器、乘法器。

將所選光學元件按要求組裝、調整，形成所需光路系統；按要求制作、調整所需信號處理電路，最后組成電流測量實驗裝置。實驗裝置實物照片如圖5所示。

3.2 被測對象的模擬與控制

由于暫時無法獲得可供測量的穩定的大電流，故通過在U形軟磁體纏繞多匝線圈并利用電壓/電流轉換電路進行控制而形成一個可調模擬被測對象，用于對所研制的電流測量實驗裝置進行測試。被測大電流模擬與控制電路如圖6所示。

圖5 電流測量實驗裝置Fig.5 Photo of current measuring instrument

圖6 被測大電流模擬與控制電路Fig.6 Diagram of simulating and controlling circuit of measured current

圖6中，運算放大器與周圍電阻及三極管組成一個電壓/電流轉換電路，線圈中的電流只受電位器動點電位的控制（在一定范圍內，兩者成正比關系），不受自身參數的影響。這樣，在一定范圍內，在U形軟磁體開口處形成只受電位器動點電位控制的磁場，為測試工作帶來了便利。

模擬被測對象的帶磁芯線圈如圖7所示。所用U形軟磁體開口處間隙平均值δ≈25 mm，磁體平均長度δ≈75 mm。

圖7 帶磁芯線圈示意Fig.7 Diagram of coil wound around a soft horseshoe magnet

設線圈匝數為N，線圈內電流為I。由于軟磁體的磁導率遠遠大于空氣的磁導率，線圈電流產生的磁動勢近似全部加在氣隙上，故開口氣隙內磁場強度近似為Ha≈。對照式（2），線圈1 A電流在開口氣隙產生的磁場強度近似相當于空氣中長直導線A電流在距導線中心r處產生的磁場強度。實驗時，設定 N=600。如I=1 A，則Ha≈2 400 A/m，開口氣隙內磁感應強度Ba≈0.03T。實際測量大電流時，磁旋光玻璃與導線中心距離r會比較大，且被測電流越大，r越大。設r=5δ，如在距導線中心 r處產生大小為24 000 A/m的磁場強度，則導線中電流約為18 850 A。由此可得，在前面設定的參數條件下，利用模擬被測對象進行測試，1 A線圈電流在磁旋光玻璃中產生的磁場強度近似等于空氣中被測長直導線18 850 A電流在磁旋光玻璃中產生的磁場強度。

3.3 測試結果

（1）U形軟磁體開口處磁場與線圈電流的關系。

調節電位器，改變線圈中的電流，同時測量U形軟磁體開口處某一固定點的磁感應強度，得到如圖8所示的測試結果。

圖8 U形軟磁體開口處磁場與線圈電流關系測試結果Fig.8 Test result of U magnet gap magnetic induction vs coil current

由圖8可知，在線圈電流不超過1.05 A的范圍內，U形軟磁體開口處磁感應強度與線圈電流之間呈現較好的正比關系。所用軟磁體的飽和磁感應強度Bs較低，易飽和。

（2）與磁旋光玻璃處磁場的關系。

調節并測量磁旋光玻璃處的磁場，同時將圖4所示電路的輸出經A/D轉換輸入單片微型計算機，通過運算，得到θ，測試結果如圖9所示。

由圖9可知，θ與B之間呈現較好的正比關系。由于空氣中的H與B成正比關系，故可認為θ與H之間成正比關系。

4 結論

圖9 線偏振光振動面旋轉角與磁旋光玻璃中磁感應強度關系測試結果Fig.9 Test result of rotational angle of linearly polarized light vs magnetic induction within magneto-optic glass

利用電子控制技術，控制、調節模擬被測對象，對以磁旋光玻璃、渥拉斯頓棱鏡為核心光學器件的基于法拉第磁光效應的大電流測量裝置進行了測試。測試結果表明，所研制的電流測量裝置具有較好的線性度。這一實驗研究工作對利用法拉第磁光效應進行大電流測量大有裨益。當然，由于國內磁旋光器件的性能與實際要求還存在很大差距，使基于法拉第磁光效應的大電流測量技術的實用化還有很長的路要走。

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