偏振調制型光纖智能電流傳感器的研究

杜召杰， 王輝林

(山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255049)

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偏振調制型光纖智能電流傳感器的研究

杜召杰， 王輝林

(山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：為了實現電流的數字化和智能化實時測量，提出了基于法拉第磁光效應，利用混合型光纖電流傳感器的差動測量技術.采用雙光路差動測量，既增強了抗干擾能力，又提高了實時測量速度；利用光纖作為傳輸介質，抗電磁干擾能力強，可實現遠距離測量.通過理論分析，設計了傳感器結構，建立了數學模型，并對結果進行了仿真.試驗表明該方法可以實現對電流的測量，并具有智能化特點.

關鍵詞：磁光效應； 電流傳感器； 差動測量； 光纖

隨著物聯網技術的不斷發展，數字化、智能化成為電流傳感器發展的必然趨勢.傳統的電磁式電流互感器存在絕緣結構復雜、體積大、易產生磁飽和等諸多缺點，越來越難適應電力系統發展的需求[1].盡管不少學者對基于法拉第磁光效應的光學電流傳感器進行了大量研究，但多數文獻都從光學和磁性材料特性方面進行研究[2]，仍缺乏快速高效的偏振光旋轉角檢測方法.精度較高的旋轉角測量方法有倍頻法和消光法，但測量誤差較大，且很難實現智能化的實時測量.在現有研究成果基礎上，提出偏振調制型光纖智能電流檢測技術，利用快速測量偏振光旋轉角度的測量方案，實現電流傳感器的實時測量和智能化.采用光纖作為測量信號傳輸介質，具有良好的電氣絕緣性和很快的頻率響應速度[3]，不受電磁輻射干擾和磁飽和現象的影響.

1原理分析

1.1磁光電流傳感器檢測原理

當線偏振光在磁光介質中傳播時，受磁場的作用，其偏振面相對于入射線偏振光發生了一定的旋轉，這種現象稱為法拉第磁光效應[4].法拉第旋轉角為

(1)

式中:d為磁光介質厚度(mm)；θF為光傳播方向單位長度的旋轉角，稱為法拉第旋光率；V為費爾德常數；B為磁感應強度.載流導線在周圍空間產生的磁感應強度遵守安培環路定律[5]：

B=μ0I/2πr

(2)

式中:μ0=4π×10-7;r為光學介質中光路中某點與電流導線中心的距離.因此，可由式(2)結合已知的磁感應強度求出長直導線中的電流I：

(3)

根據馬呂斯定律可知，激光經過起偏器變為線偏振光，再經檢偏器輸出的光強為

I(α)=I0cos2α

(4)

式中:α為起偏器和檢偏器光軸之間的夾角;I0為α=0時的輸出光強.α=45°時，磁光調制幅度最大[6].

1.2常規測量方法

磁光調制倍頻法測量裝置如圖1所示.調整檢偏器，使示波器上出現倍頻信號.放入磁光介質，旋轉檢偏器(角度盤就與之同軸旋轉)，當α+θ=90°(“消光”位置)時，示波器上再次出現倍頻信號.根據被測樣品放入前后兩次出現倍頻信號時的測角儀位置，即可確定被測樣品的法拉第旋轉角θ[7].

圖1　倍頻法測量裝置

消光法測量裝置如圖2所示.調整檢偏器使其處于消光位置，放入磁光介質后，由于偏振光發生了偏轉，所以后續電路檢測到光電信號，旋轉檢偏器(測角儀)再次回到消光位置，前后兩次角度之差.即為偏振光的旋轉角度[8].

圖2　消光法測量裝置

由分析可知，倍頻法和消光法都是基于馬呂斯定律，利用前后兩次光功率的變化來標記偏振光的旋轉.兩種方法中，由于主觀判斷引入了人為因素的誤差，而且都是依靠手動旋轉檢偏器的角度盤得到測量值，因此無法實現快速高效及智能化.

過往研究的成果說明,影響一流論文產出的因素有許多,大部分研究者僅僅重點關注了單一的因素。一流論文是如何產出的?這個問題鮮有學者進行較為全面的思考。學者們關注較多的是科研人員的內在因素和科研投入,鮮有學者關注科研人員面臨的外部競爭環境。近年來,我國科研論文數量逐年上升,科研人員之間競爭的激烈程度也在增加,但高質量論文的數量并不多,仍存在大量零被引論文。20世紀90年代開始,日本的諾貝爾獎獲得者越來越多,甚至出現了“井噴”的態勢,日本學者在諸多領域獲得了高質量的研究成果。我們可以通過對日本高被引論文作者的研究來分析高質量論文產出的影響因素,并對我國建設世界一流大學、一流學科提出相關的建議。

1.3智能化檢測方法

偏振光的偏振方向與光束的能量無關[9]，故可采用雙光路測量，測量原理如圖3(a)所示.將偏振光束采用分光鏡分為兩束，分別通過兩組磁光介質、檢偏器和光電探測系統，同時對兩束光進行測量.為該測量系統設計的傳感器探頭如圖3(b)所示.

(a)測量原理圖　　　　 　　　　　(b)傳感器探頭圖3　智能測量原理圖

由激光器發出的光束，經起偏器變為線偏振光，利用分光鏡分成兩路，由光纖傳導至傳感器探頭.傳感器探頭相當于一個磁光調制器，對偏振光旋轉方向進行調制.由于母線(通電直導線)周圍感生磁場，且在A、B兩處的磁場大小相等，方向相反.對于磁光介質，法拉第旋轉方向僅由磁場方向決定，與光的傳播方向無關[10].當偏振光通過A、B兩處磁光介質時，發生偏轉的角度大小相等，方向相反，對A、B兩處旋光性的解釋如圖4所示.為使磁光調制的幅度最大，兩個檢偏器都設置成與起偏器成45°.利用光電探測器，將接收到的光強大小轉化為光電流的大小.雙光路構成差動測量，既提高了靈敏度，又抑制了共模干擾及溫度漂移.

圖4　旋光性解釋

由式(4)得A處光強為

I(α)=I0cos2(45°+θ)

(5)

B處光強為

I(β)=I0cos2(45°-θ)

(6)

差動放大后得到的信號為

(7)

式中，A為差動放大倍數.因為偏振光在磁光調制器中偏轉的角度θ很小，故該方程有很好的線性.當θ在±10°內變化時，取A=1,I0=1.仿真結果如圖5所示.

圖5　仿真曲線

由以上分析可知，電流大小和偏振光旋轉角存在一一對應的關系，因此可以把實時檢測導體中電流的大小轉換為檢測偏振光旋轉角的大小.智能檢測系統框圖如圖6所示.

為了抑制外界光干擾，使用頻率為10kHz的正弦波光源.待測電流對光源信號進行幅度調制，光電探頭輸出的信號轉變成調幅電壓信號，經過帶通濾波、解調、低通濾波以后，被測電流的信息被解調出來，再經采樣和A/D轉換后送入單片機進行處理和計算，并可通過CAN總線傳輸到監控中心.

圖6　智能檢測系統框圖

2實驗研究及誤差分析

2.1實驗研究

磁光介質選用費爾德常數相對較大的抗磁性材料BGO晶體，其費爾德常數的溫度穩定性較好而且光彈系數較小[11].在實驗室條件下，利用LMG-II晶體磁光效應儀提供磁場，加載直流電流后，磁光效應儀直流磁場部分形成特定大小磁場，改變加載電流大小，磁感應強度B相應改變.

在相同條件下，利用倍頻法和消光法對相同的磁光介質進行偏轉角的測量，形成對比試驗的數據1、2，利用本文研究的傳感器測量出偏轉角度θ，得數據3.改變加載電流I得到相應不同偏轉角度θ，連續測量多次求平均值，測量結果見表1.

表1測量結果

I/A0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0數據1/(°)0.3110.6471.0561.3151.7111.9732.2432.4972.6692.853數據2/(°)0.3230.6530.9871.3081.7072.1042.2392.4862.7212.849數據3/(°)0.3120.6331.1141.2971.8012.0162.2412.5232.7192.864

表1數據表明，在一定電流范圍內3種方法測量結果具有相似性，說明雙光路差動測量的智能化檢測方法是可行的，由數據得到測量曲線如圖7所示.

圖7　結果對比圖

2.2誤差分析

智能化檢測方法的優點在于其智能化和高速實時測量，測量速度主要由處理器的運算能力和速度決定.為了減小測量誤差，必須確保起偏器與檢偏器光軸之間夾角值的精確.選擇磁光介質時應根據量程選擇合適的參數，保證法拉第旋轉角在一個理想的取值區間.同時，應選擇合適的光纖材料，并利用透鏡耦合等方式，增加光纖耦合的效率，進一步減少誤差[12].因為測量光路利用了雙光路差動測量，所以可以很好地抑制由溫度漂移引起的誤差及其他因素造成的共模干擾，軟硬件的結合體現了傳感器的智能化特點.此外，光電轉換效率不高也是造成誤差的一個重要因素，因此應選擇光電轉換效率高的光電探測器.

3結束語

利用法拉第磁光效應，將偏振態測量與電流測量技術相結合，具有非接觸測量、絕緣性好、抗干擾能力強、量程大等優點.利用單片機及CAN總線技術，有利于實現電流實時在線監測的數字化和智能化.利用雙光路差動測量技術，提高了測量速度，抑制了溫度漂移及共模干擾.在光源部分，利用半導體直接調制技術，有效抑制了外界雜散光的干擾.仿真及試驗結果證明該方法在一定區間內有很好的線性.對比試驗表明，智能化檢測方法可以實現對電流的測量，對電流傳感器的高速化、智能化發展有一定的指導意義.

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(編輯：郝秀清)

Study on the polarization modulated fiber optic current sensor

DU Zhao-jie, WANG Hui-lin

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:In order to realize the digital and intelligent real-time measurement of current, we proposed a differential measurement technique by fiber optic current sensor, based on Faraday magneto optic effect. Dual optical path differential measurement can enhance the anti-interference ability, and improve the real-time measurement speed. Using optical fiber as transmission medium,we can improve anti-electromagnetic interference ability, and realize remote measurement. Through theoretical analysis,we designed sensor structure,established a mathematical model, and carried out the simulation results. The test shows that the method can realize the measurement of the current, and with intelligent features.

Key words:magneto optic effect; current sensor; differential measurement; optical fiber

中圖分類號：TM452.93

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)03-0046-04

作者簡介：杜召杰 ，男，1246233277@qq.com; 通信作者:王輝林，男，ckjs@sdut.edu.cn

收稿日期：2015-09-04