偏振调制型光纤智能电流传感器的研究

杜召杰， 王辉林

(山东理工大学 机械工程学院， 山东 淄博 255049)



偏振调制型光纤智能电流传感器的研究

杜召杰， 王辉林

(山东理工大学 机械工程学院， 山东 淄博 255049)

摘要：为了实现电流的数字化和智能化实时测量，提出了基于法拉第磁光效应，利用混合型光纤电流传感器的差动测量技术.采用双光路差动测量，既增强了抗干扰能力，又提高了实时测量速度；利用光纤作为传输介质，抗电磁干扰能力强，可实现远距离测量.通过理论分析，设计了传感器结构，建立了数学模型，并对结果进行了仿真.试验表明该方法可以实现对电流的测量，并具有智能化特点.

关键词：磁光效应； 电流传感器； 差动测量； 光纤

随着物联网技术的不断发展，数字化、智能化成为电流传感器发展的必然趋势.传统的电磁式电流互感器存在绝缘结构复杂、体积大、易产生磁饱和等诸多缺点，越来越难适应电力系统发展的需求[1].尽管不少学者对基于法拉第磁光效应的光学电流传感器进行了大量研究，但多数文献都从光学和磁性材料特性方面进行研究[2]，仍缺乏快速高效的偏振光旋转角检测方法.精度较高的旋转角测量方法有倍频法和消光法，但测量误差较大，且很难实现智能化的实时测量.在现有研究成果基础上，提出偏振调制型光纤智能电流检测技术，利用快速测量偏振光旋转角度的测量方案，实现电流传感器的实时测量和智能化.采用光纤作为测量信号传输介质，具有良好的电气绝缘性和很快的频率响应速度[3]，不受电磁辐射干扰和磁饱和现象的影响.

1原理分析

1.1磁光电流传感器检测原理

当线偏振光在磁光介质中传播时，受磁场的作用，其偏振面相对于入射线偏振光发生了一定的旋转，这种现象称为法拉第磁光效应[4].法拉第旋转角为

(1)

式中:d为磁光介质厚度(mm)；θF为光传播方向单位长度的旋转角，称为法拉第旋光率；V为费尔德常数；B为磁感应强度.载流导线在周围空间产生的磁感应强度遵守安培环路定律[5]：

B=μ0I/2πr

(2)

式中:μ0=4π×10-7;r为光学介质中光路中某点与电流导线中心的距离.因此，可由式(2)结合已知的磁感应强度求出长直导线中的电流I：

(3)

根据马吕斯定律可知，激光经过起偏器变为线偏振光，再经检偏器输出的光强为

I(α)=I0cos2α

(4)

式中:α为起偏器和检偏器光轴之间的夹角;I0为α=0时的输出光强.α=45°时，磁光调制幅度最大[6].

1.2常规测量方法

磁光调制倍频法测量装置如图1所示.调整检偏器，使示波器上出现倍频信号.放入磁光介质，旋转检偏器(角度盘就与之同轴旋转)，当α+θ=90°(“消光”位置)时，示波器上再次出现倍频信号.根据被测样品放入前后两次出现倍频信号时的测角仪位置，即可确定被测样品的法拉第旋转角θ[7].

图1　倍频法测量装置

消光法测量装置如图2所示.调整检偏器使其处于消光位置，放入磁光介质后，由于偏振光发生了偏转，所以后续电路检测到光电信号，旋转检偏器(测角仪)再次回到消光位置，前后两次角度之差.即为偏振光的旋转角度[8].

图2　消光法测量装置

由分析可知，倍频法和消光法都是基于马吕斯定律，利用前后两次光功率的变化来标记偏振光的旋转.两种方法中，由于主观判断引入了人为因素的误差，而且都是依靠手动旋转检偏器的角度盘得到测量值，因此无法实现快速高效及智能化.

过往研究的成果说明,影响一流论文产出的因素有许多,大部分研究者仅仅重点关注了单一的因素。一流论文是如何产出的?这个问题鲜有学者进行较为全面的思考。学者们关注较多的是科研人员的内在因素和科研投入,鲜有学者关注科研人员面临的外部竞争环境。近年来,我国科研论文数量逐年上升,科研人员之间竞争的激烈程度也在增加,但高质量论文的数量并不多,仍存在大量零被引论文。20世纪90年代开始,日本的诺贝尔奖获得者越来越多,甚至出现了“井喷”的态势,日本学者在诸多领域获得了高质量的研究成果。我们可以通过对日本高被引论文作者的研究来分析高质量论文产出的影响因素,并对我国建设世界一流大学、一流学科提出相关的建议。

1.3智能化检测方法

偏振光的偏振方向与光束的能量无关[9]，故可采用双光路测量，测量原理如图3(a)所示.将偏振光束采用分光镜分为两束，分别通过两组磁光介质、检偏器和光电探测系统，同时对两束光进行测量.为该测量系统设计的传感器探头如图3(b)所示.

(a)测量原理图　　　　 　　　　　(b)传感器探头图3　智能测量原理图

由激光器发出的光束，经起偏器变为线偏振光，利用分光镜分成两路，由光纤传导至传感器探头.传感器探头相当于一个磁光调制器，对偏振光旋转方向进行调制.由于母线(通电直导线)周围感生磁场，且在A、B两处的磁场大小相等，方向相反.对于磁光介质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，与光的传播方向无关[10].当偏振光通过A、B两处磁光介质时，发生偏转的角度大小相等，方向相反，对A、B两处旋光性的解释如图4所示.为使磁光调制的幅度最大，两个检偏器都设置成与起偏器成45°.利用光电探测器，将接收到的光强大小转化为光电流的大小.双光路构成差动测量，既提高了灵敏度，又抑制了共模干扰及温度漂移.

图4　旋光性解释

由式(4)得A处光强为

I(α)=I0cos2(45°+θ)

(5)

B处光强为

I(β)=I0cos2(45°-θ)

(6)

差动放大后得到的信号为

(7)

式中，A为差动放大倍数.因为偏振光在磁光调制器中偏转的角度θ很小，故该方程有很好的线性.当θ在±10°内变化时，取A=1,I0=1.仿真结果如图5所示.

图5　仿真曲线

由以上分析可知，电流大小和偏振光旋转角存在一一对应的关系，因此可以把实时检测导体中电流的大小转换为检测偏振光旋转角的大小.智能检测系统框图如图6所示.

为了抑制外界光干扰，使用频率为10kHz的正弦波光源.待测电流对光源信号进行幅度调制，光电探头输出的信号转变成调幅电压信号，经过带通滤波、解调、低通滤波以后，被测电流的信息被解调出来，再经采样和A/D转换后送入单片机进行处理和计算，并可通过CAN总线传输到监控中心.

图6　智能检测系统框图

2实验研究及误差分析

2.1实验研究

磁光介质选用费尔德常数相对较大的抗磁性材料BGO晶体，其费尔德常数的温度稳定性较好而且光弹系数较小[11].在实验室条件下，利用LMG-II晶体磁光效应仪提供磁场，加载直流电流后，磁光效应仪直流磁场部分形成特定大小磁场，改变加载电流大小，磁感应强度B相应改变.

在相同条件下，利用倍频法和消光法对相同的磁光介质进行偏转角的测量，形成对比试验的数据1、2，利用本文研究的传感器测量出偏转角度θ，得数据3.改变加载电流I得到相应不同偏转角度θ，连续测量多次求平均值，测量结果见表1.

表1测量结果

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

表1数据表明，在一定电流范围内3种方法测量结果具有相似性，说明双光路差动测量的智能化检测方法是可行的，由数据得到测量曲线如图7所示.

图7　结果对比图

2.2误差分析

智能化检测方法的优点在于其智能化和高速实时测量，测量速度主要由处理器的运算能力和速度决定.为了减小测量误差，必须确保起偏器与检偏器光轴之间夹角值的精确.选择磁光介质时应根据量程选择合适的参数，保证法拉第旋转角在一个理想的取值区间.同时，应选择合适的光纤材料，并利用透镜耦合等方式，增加光纤耦合的效率，进一步减少误差[12].因为测量光路利用了双光路差动测量，所以可以很好地抑制由温度漂移引起的误差及其他因素造成的共模干扰，软硬件的结合体现了传感器的智能化特点.此外，光电转换效率不高也是造成误差的一个重要因素，因此应选择光电转换效率高的光电探测器.

3结束语

利用法拉第磁光效应，将偏振态测量与电流测量技术相结合，具有非接触测量、绝缘性好、抗干扰能力强、量程大等优点.利用单片机及CAN总线技术，有利于实现电流实时在线监测的数字化和智能化.利用双光路差动测量技术，提高了测量速度，抑制了温度漂移及共模干扰.在光源部分，利用半导体直接调制技术，有效抑制了外界杂散光的干扰.仿真及试验结果证明该方法在一定区间内有很好的线性.对比试验表明，智能化检测方法可以实现对电流的测量，对电流传感器的高速化、智能化发展有一定的指导意义.

参考文献:

[1] 李澎.光电电流互感器供能电路的研究[D].北京：清华大学,2003.

[2] 林森, 杜林, 王士彬,等. 基于法拉第磁光效应的光学电流传感器电气特性研究[J]. 传感技术学报, 2010, 23:490-495.

[3] 胡明耀, 王达达, 王洪亮,等. 光纤电流传感器在智能电网中检测原理的研究[J]. 光通信研究, 2014, 40(6)：62-65.

[4] 艾延宝, 金永君. 法拉第磁致旋光效应及应用[J]. 物理与工程, 2002(12): 50-51.

[5] 蒙文, 李云霞, 赵尚弘. 偏振调制型导波光学传感器光路误差分析[J]. 空军工程大学学报(自然科学版),2004, 5(4):73-75.

[6] 张艳.光学电流传感器数字信号处理系统的研究[D].武汉：华中科技大学,2004.

[7] 王美蓉.基于BGO晶体的光纤电流传感器研究[D].西安：西北工业大学，2005.

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[9] 覃兆宇, 程兆谷, 张志平,等. 偏振光斯托克斯参量的高速实时测量技术[J]. 光学学报, 2007, 27(4):659-662.

[10] 冯国杰, 王晓东. 激光偏振检测技术研究[J]. 激光与红外, 2009, 39(9): 918- 920.

[11] 王美蓉, 周王民, 赵建林,等. 基于BGO晶体的反射型法拉第光纤电流传感器[J]. 光子学报, 2008, 37(18):1 186-1 190.

[12] 徐时清, 戴世勋, 张军杰,等. 全光纤电流传感器研究新进展[J]. 激光与光电子学进展, 2004, 41(1):41-45.

(编辑：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

中图分类号：TM452.93

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2016)03-0046-04

作者简介：杜召杰 ，男，1246233277@qq.com; 通信作者:王辉林，男，ckjs@sdut.edu.cn

收稿日期：2015-09-04