石榴石型直流光学电流传感器稳定性研究

石榴石型直流光学电流传感器稳定性研究

陈林,高军,雷文锋

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要针对智能电网中直流的检测,设计了反射式和透射式两种光路结构的光学电流传感器,采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为传感器的敏感元件进行直流电流监测实验,以此对传感器的灵敏性与稳定性进行研究。结果表明,以不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为传感器的敏感元件,两种结构的传感器测量灵敏度均较高,在反射式结构中厚度为2 μm的石榴石材料与透射式结构中厚度为1 μm的石榴石材料作为敏感元件时,传感器的偏振度变化幅度较小,表明系统的稳定性较好。

关键词石榴石;光学电流传感器;稳定性

收稿日期:2015-03-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61205076)

作者简介:陈林(1990—),男,硕士研究生。研究方向:光纤传感及其信号检测技术。E-mail:linchen_8@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.043

中图分类号TN204;TM452.92

Research on the Stability of Garnet DC Optical Current Sensor

CHEN Lin,GAO Jun,LEI Wenfeng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractAiming at the detection of dc current in the smart grid,the reflection and transmission light path structures are designed for optical current sensors.DC current monitoring experiments are performed with permanent magnetic thin films with different thicknesses of garnet magneto-optic material as the sensitive element of the sensor to study the stability and sensitivity of the sensor.The experimental results show that both structures achieves high sensitivity with garnet magneto-optic material with different thickness of the permanent magnetic thin films as sensitive element of sensor;the DOP of sensor has lesser variations with 2 μm garnet material in the reflection structure and 1 μm garnet material in the transmission structure as a sensitive element,which means that the system has good stability.

Keywordsgarnet;DC optical current sensor;stability

随着我国智能电网建设的快速推进,电力输电系统正朝着超高压、大直流等方向发展,在输电工程中,电流传感器是实现输电系统监视和保护的一种重要测量设备。采用电磁感应的传统电流互感器因为诸多缺点已无法满足智能电网中对电流检测的需求,而光学电流传感器具有无磁饱和以及铁磁谐振、较大的测量动态范围、良好的绝缘性和稳定性等优点,是未来智能电网中理想的电流检测设备[1-3],其势必将取代传统电流互感器。本文基于偏磁矫正的光学电流传感器,采用镀有永磁薄膜的石榴石材料作为敏感元件,以保偏光纤作为传输介质,通过TXP偏振计检测入射偏振光与水平方向的线偏振光的振动面夹角变化来间接检测电流,并设计了反射式和透射式两种光路结构的石榴石型光学电流传感器[4-6],并将制备好的永磁薄膜厚度分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作为传感器的敏感核心元件,进而对光学电流传感器的灵敏性和稳定性进行分析与研究,实验表明:同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在实验测量过程中方位角与电流大小关系的线性度高,传感器有较高的灵敏度;同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在实验测量过程DOP与电流的线性度差别较大,但在反射式光路结构中,2 μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度最好,系统稳定性好,在透射式光路结构中,1 μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度较好,改变幅度相对较小,系统稳定性好。

1光学电流传感器测量原理与设计

1.1　光学电流传感器工作原理

石榴石型直流光学电流传感器的基本工作原理是Faraday效应,主要指偏振光在通过平行的外加磁场方向的磁光介质后外部磁场会使偏振光的偏振面产生旋转。其旋转角度β由式(1)决定[7-9]

β=V∫lB·dl

(1)

其中,V为磁光材料的费尔德常数;B为通光路径方向的磁场强度;l为偏振光在磁光介质中的光程,即磁光材料的厚度。

测量时,将传感头固定在被测电流导线的一侧,使电流产生的磁场方向与光传播方向平行,假设电流导线中心到光轴的垂直距离为r。根据安培环路定律,通电长直导线在光轴上距电流导线水平距离x处的磁场强度为

(2)

式中,u0为真空磁导率;I为导线上电流大小。沿光轴方向的磁场强度为

(3)

将式(3)代入式(1)可得

(4)

由式(4)可知,偏振光的振动面旋转角φ和被测电流大小I成线性关系[10]。

TXP偏振计可通过测量偏振光的振动面和水平方向的线偏振光的振动面夹角来实现对偏振光旋转角度、斯托克矢量、偏振度等参数的测量,并通过软件对测量数据进行采集。假设入射到偏振计的偏振光的预偏角度为α,则

(5)

1.2　光学电流传感器系统结构设计

石榴石型直流光学电流传感主要由激光器、起偏器、保偏光纤、镀永磁薄膜石榴石传感头、TXP偏振计等部分组成,其主要有透射式和反射式两种光路结构。传感器测量时只需使用固定夹具将传感头固定在通电导线附近,并使导线中电流产生的磁场强度B与光传播方向平行,激光器产生的激光经过分束器后通过起偏器后变为线偏振光入射到传感头并在磁场作用下产生偏振面的旋转,角度为β。出射偏振光通过透镜聚焦后经由TXP偏振计进行数据采集处理,获得偏振光预偏角α和线偏振光的振动面夹角θ以及偏振态DOP,由此便可建立测量角度θ、偏振态DOP与被测电流的关系,由此通过偏振计获取测量角度θ便可反推被测电流大小并可研究不同厚度的永磁薄膜对传感器性能的影响。传感器的系统原理如图1所示。

图1　直流光学电流传感器系统原理图

传感器采用石榴石或不同厚度的石榴石/Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(500 nm)/Ta(50 nm)(偏磁薄膜)作为敏感元件。石榴石的尺寸为0.39 mm×3 mm×3 mm,偏磁薄膜采用直流磁控溅射法制备,条状薄膜间距为200 μm,周期为400 μm,激光从条状薄膜之间的石榴石穿过。偏磁薄膜能固定电流产生的磁场在石榴石中的方向,使得传感器的测量精度和稳定性提高,其结构如图2所示。

图2　敏感元件结构示意图

2实验与结果分析

2.1　直流光学电流互感器灵敏度分析

为了研究不同厚度偏磁薄膜的石榴石作为敏感元件的传感器测试电流时的灵敏性和系统稳定性,将设计好的传感器在实验室条件下进行模拟大电流的测试,所用测试系统原理图如图1(b)所示,波长为1 550 nm的高稳定度光纤激光经过光纤耦合器耦合后再依次经分束镜、起偏器、敏感元件、透镜,最终到达TXP偏振计。电流大小由SLQ-82升流器控制,在实验中实现0～3 000 A区间精度为1 A的电流控制;电流产生磁场方向与光线路径一致;偏振仪的采样速率为333点/秒,光强分辨力0.1 nW/cm2。测试数据如图3所示,左图为采用反射式光路结构的直流光学互感器在实验中测得的方位角随电流变化曲线,右图为采用透射式光路结构的直流光学电流互感器的测量结果的关系曲线图。由图可看出,通过改变敏感元件到导线的距离可改变直流互感器的灵敏度,不同光路结构互感器的方位角的起始角度不同,且不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品的方位角预置角度也不同,而同一光路结构互感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品,在实验测量过程中其方位角与电流大小关系的斜率基本相同,且线性度高。

图3　两种结构的直流光学电流传感器的 偏振光方位角和电流关系曲线

2.2　直流光学电流传感器稳定性分析

偏振度(DOP)表示入射偏振光中线偏振光光强占总光强的比重,在采用光强探测法测量法拉第旋转角中DOP的改变会影响最终的测量精度。其计算公式为[11]

S1=cos2θcos2β

(6)

S2=sin2θcos2β

(7)

S3=sin2β

(8)

(9)

式中,S0、S1、S2、S3为斯托克矢量,其中S0=1,θ为方位角,β为椭圆率角。磁光材料的各向异性导致线偏振光通过置于导电板附近的石榴石磁光材料时其偏振态发生改变,而这种偏振态的改变能够使线偏振光转化为椭圆偏振光,这使得TXP偏振计采集到的偏振光中的线偏振光的比重降低,影响了光学电流传感器的测量精度以及长期运行的稳定性,为此文中有针对性地对采集了两种不同光路结构,且采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为敏感元件的直流光学电流互感器的DOP随电流改变的数据信息进行分析处理,实验结果如图4所示。

图4　两种结构的直流光学电流传感器的 偏振态(DOP)和电流关系曲线

3结束语

本文针对不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为敏感元件的直流光学电流传感器进行测试,并设计了两种不同光路结构,研究了不同厚度的永磁薄膜光学电流传感器的灵敏度和稳定性。试验结果表明,同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品在实验测量过程中方位角与电流大小关系的斜率基本相同,且线性度高、灵敏度高;而在反射式光路结构中,2 μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度最好,系统稳定性好,在透射式光路结构中,1 μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度较好,改变幅度相对较小,且系统稳定性较高。

参考文献

[1]张文亮,刘壮志,王明俊,等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1-11.

[2]傅书逷.中国智能电网发展建议[J].电力系统自动化,2009,33(20):23-26.

[3]林宇峰,钟金,吴复立.智能电网技术体系探讨[J].电网技术,2009,33(12):8-14.

[4]Bai John G,Lu Guoquan,Lin Tao.Magneto-optical current sensing for applications in integrated power electronics modules[J].Sensors and Actuators A:physical,2003,109(2):9-16.

[5]Okamada.Magneto-optical properties of (BiGdY) iron garnets for optical magnetic field sensors[J].Journal of Applied Physics,1996,79(3):5976-5978.

[6]Kamada O.Magneto-optical properties of (BiGdY) iron garnets for optical ma-gnetic field sensors[J].Journal of Application Physics,1996,79(6):5976-5798.

[7]朱勇,叶妙元,刘杰,等.220 kV组合式光学电压电流互感器的设计[J].高电压技术,2000(2):34-36.

[8]王江平,苏洋,李玉权.Faraday效应的磁场传感器光偏振态的演化[J].北京邮电大学学报,2007(5):58-62.

[9]Hala J,El-Khozondar,Mathias S Müller,et al.Influence of magnetic field inhomogeneity on a magneto-optical current sensor[J].Journal of Sensor Technology,2012,2(1):19-22.

[10]雷文锋,马跃.基于偏磁薄膜矫正的直流光学电流传感器设计[J].传感器与微系统,2014(12):48-50.

[11]Jiao Xinbing,Ma Yue,Ma Lixin,et al.Polarization properties of garnet and groove film on garnet in the transmission and reflection modes[J].Optics Express,2014,22(2):1673-1679.