菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉光纖測試中的應用

茅 昕

（長飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉光纖測試中的應用

茅 昕

（長飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

高雙折射旋轉光纖是全光纖電流互感器中的一種關鍵材料。本文提出在評估高雙折射旋轉光纖的高低溫性能時，使用光纖端面菲涅爾反射的方法替代在光纖端面鍍膜加工反射鏡，并通過實驗對這一方法進行了驗證。

高雙折射旋轉光纖；光纖電流互感器；高低溫循環

0 引言

光纖電流互感器（Fiber Optic Current Transformer，FOCT）是一種基于法拉第磁光效應、以光纖為測量和傳輸介質的電流測量設備,具有抗電磁干擾、測量動態范圍大、頻帶寬、可測量直流、便于與高壓設備集成等優點[1]。限制FOCT廣泛應用的主要因素是其測量精度易受到環境溫度變化的影響。在實踐中可通過改進高雙折射旋轉光纖的溫度系數等工藝手段提升FOCT的溫度性能。與工藝改進相配合的是對改進后的材料進行在線高低溫測試。如能縮短測試準備時間和降低測試成本，對于推進FOCT的技術發展具有積極作用。

本文研究了光功率變化對系統信噪比的影響，提出用端面菲涅爾反射替代端面鍍高反射膜，并通過仿真和實際測試對所提方法的有效性進行了驗證。

1 系統信噪比分析

光纖電流互感器由光源、無源光器件、光探測器、電信號運放采集、電信號處理這幾部分構成。系統內的主要噪聲源為散粒噪聲、熱噪聲和探測器接收的相對強度噪聲[2]，信噪比的計算表達式為：

式1中，dS為系統輸出，散粒噪聲svσ 、相對強度噪聲svσ 都與系統光功率有關，熱噪聲hvσ 則是由探測器跨阻抗放大器轉換電阻上電荷載流子的熱運動引起的。系統經閉環反饋控制后，探測器的電信號輸出表達式為：

式2中dS為探測器電信號輸出，PK 為光電探測器轉換系數，oI為光源輸出光強 ，L為光路損耗，fφ為法拉第效應相移, mφ為系統調制引入的相移。式3中N為高雙折射旋轉光纖繞制的線圈匝數，V為光纖的維爾德常數，I為系統檢測電流強度。

系統的輸出電信號靈敏度與系統光源輸出光強度、傳感光纖圈數、待測電流大小等參數相關。為保證實驗條件的一致性，一般不調整傳感光纖圈數和待測電流大小，當僅改變系統光功率大小時，光功率與系統信噪比的關系如圖1所示。

圖1 信噪比-系統光功率曲線

2 光纖電流互感器性能的評價機制

光纖電流互感器的一個重要性能指標是溫度穩定性，特別是電流傳感部分的溫度穩定性[3]。經過多年實踐，電力行業內總結出限制FOCT廣泛應用的主要因素是其測量精度易受到環境溫度變化的影響。可通過將FOCT的傳感部件置于高低溫箱內的方式測試在外部溫度條件發生變化時系統的性能變化程度。電力行業內定義：比例誤差=(被檢互感器二次電流-標準互感器二次電流)/標準互感器二次電流。其中被檢互感器和標準互感器的二次電流通過互感器校驗儀實時同步采集，互感器校驗儀的輸出結果即為各時刻的比例誤差。

電力行業要求FOCT設備在其額定電流工作條件下，在全溫度變化范圍內其比例誤差應在±0.2%以內。考慮到系統工作時可在調制方式、λ/4波片制備工藝等方面進行溫度補償，因此對于電流傳感部分優先考察其受溫度影響導致比例誤差變化的重復性，其次是希望當僅有傳感光纖部分處于變溫條件時，其全變溫范圍內的比例誤差應在±2%以內。當處于穩定溫度條件下，其比例誤差應在±0.2%以內。

3 基于菲涅爾反射的系統實驗

當光入射到折射率不同的兩個媒質分界面時，一部分光會被反射，這種現象稱為菲涅爾反射。如果光在光纖中的傳輸路徑為光纖端面到空氣時，由于光纖和空氣的折射率不一樣，在光纖的端面處將產生菲涅爾反射。系統的其余設置和制備工藝保持不變，僅將反射鏡替換為菲涅爾反射面。實驗中光纖端面通過光纖切割刀切斷光纖獲得，并進行拋光研磨。經拋光研磨后，光纖端面的反射率約為7%。

將FOCT的傳感光纖置于高低溫箱內，使其處于-40°C~ 70°C的溫度循環狀態，并對系統施加一個300安培的交流測試電流。在互感器校驗儀上連續記錄系統輸出值與實際電流值之間的偏差，記為比例誤差。

圖2 端面菲涅爾反射時記錄的實時電流波形和高低溫比例誤差曲線

如圖2所示，由于反射光功率下降引起的系統信噪比劣化，系統輸出的正弦波形發生了較大的畸變，每一個溫度點對應的恒溫比例誤差也超過了±0.6%以上。此時僅能從趨勢上判斷比例誤差隨溫度上升而增加，對于該被測高雙折射旋轉光纖的恒溫性能難以做出定量判斷。

根據對FOCT系統信噪比的分析，可以認為當系統中光功率降低時，散粒噪聲、相對強度噪聲也均會隨光功率下降而降低，系統中的熱噪聲成為主要的噪聲來源。熱噪聲屬于白噪聲，當系統中的噪聲主要為白噪聲時，可通過累加平均的方式提高系統的信噪比。

因在反饋控制狀態下，系統對電流值的檢測輸出與電流的大小關系是一階線性的；同時按照比例誤差的計算表達式，系統的比例誤差與檢測電流輸出值的關系也是一階線性的，因此可將實驗記錄的比例誤差值進行累加平均，以對應系統信噪比提高后的測試結果。

作為實驗對照，將同類型的高雙折射旋轉光纖進行端面處理鍍膜形成反射率約為99.7%的反射鏡，并按同等測試條件對此種類型的傳感光纖進行了高低溫性能測試。測試結果如圖3所示

圖3 端面鍍反射膜測試數據與累加平均后的端面菲涅爾反射測試數據對比

4 結論

當系統光功率下降時，光纖電流互感器的信噪比也會隨之下降，從而導致比例誤差增大。由于在低光功率的條件下，系統的主要噪聲來源是熱噪聲。本文設計了采用光纖切割刀切割光纖端面產生菲涅爾反射的方式替代在光纖鍍膜加工反射鏡，并采用累加平均的方法提高系統的信噪比。累加平均后的數據曲線與鍍反射鏡后的結果基本一致，可用來近似分析系統在高低溫時的性能，進而分析高雙折射旋轉光纖的溫度性能。通過本文的實驗和數據處理方式，可省去一般實驗中必須的光纖鍍膜工藝過程，有利于縮短高雙折射旋轉光纖的測試周期和測試成本，對于推進光纖電流互感器的技術發展具有積極作用。

[1]肖智宏.電力系統中光學互感器的研究與評述[J].電力系統保護與控制，2014，42(12)：148-154.

[2]王立輝，伍雪峰，孫健等.光纖電流互感器噪聲特征及建模方法研究[J].電力系統保護與控制，2011，39(1)：62-66.

[3]胡蓓，葉國雄，肖浩等.全光纖電流互感器關鍵狀態量及其監控方法[J].高電壓技術，2016，42(12)：4026-4032.

Application of Finel reflection mirror in high birefringence rotating optical fiber test

Mao Xin
（Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company，Wuhan Hubei, 430073）

High birefringent spun fiber is a key material in FOCT(Fiber Optic Current Transformer) system.

A new method of using Fresnel reflection instead of reflecting coating method is introduced to reduce the cost when evaluating the temperature property of high birefringent spun fiber. Results indicate the equivalence of both methods.

High Birefringent Spun Fiber;Fiber Optic Current;TransformerTemperature cycling