基于微纳光纤Sagnac环结构的光学电流传感器的响应特性研究

吕方兴，李 飞

(1.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065；2.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西西安 710065)

0 引言

在电力工业中，电流检测是保障电力系统安全、稳定运行的重要技术手段，在电力系统继电保护、电能计量、电力分配及设备故障检测等一系列电网运行过程中起着至关重要的作用[1-4]。与传统的电磁式电流传感器相比，光学电流传感器利用光信号实现对电流的检测，具有电气安全性高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强的优势，近年来受到国内外学者的广泛关注[5-7]。常见的光学电流传感器有分立式磁光元件型、法拉第全光纤型、磁致伸缩材料涂覆型、集成光波导型电流传感器等。其中，基于法拉第效应的全光纤电流传感器是当前研究最多、应用最为广泛的一种光纤电流传感器[8-9]。但是，这种传感器由于光纤费尔德常数数值小，因此该传感器的灵敏度较低，且易受光纤固有双折射效应影响，对环境温度敏感。

磁流体的出现为电流传感新技术的研究提供了契机。磁流体是nm数量级(10 nm左右)的铁磁性或者亚铁磁性微粒包裹一层表面活性剂，分散于适当的载液中所形成的一种稳定的胶体。它具有固体磁性材料的磁性和液体流动性，在光学上表现出了很多特有的性质，其折射率在外界磁场的作用下会发生显著变化[10-11]。利用磁流体独特的磁光特性，人们研究开发了多种多样磁场传感器和电流传感器[12-15]。与传统的法拉第磁光效应式电流传感器相比，由于磁流体没有机械磨损和可动部件，这类电流传感器具有使用寿命长、体积小、结构紧凑的优势，也克服了传统采用块状磁光材料法拉第效应和集成光波导式的传感器由于存在各种光路耦合、反射、对准而导致的制作工艺复杂及系统性能不稳定等技术缺陷。但是磁流体的封装较为困难，且这类传感器使用时仍然存在较大的温度交叉敏感。

为此，提出了一种基于磁流体包覆的微纳光纤Sagnac环结构的光学电流传感器，它利用微纳光纤对外界折射率敏感的光传输性能和Sagnac干涉仪结构上的互易性，制作出对外界磁场和电流敏感而对外界温度不敏感的Sagnac环微型干涉仪。首先，理论推导了传感器的传感机理和温度不敏感机理；研究了传感器的制备技术，解决了微纳光纤严重的降质问题和磁流体封装难题；最后，对传感器的传感性能和温度特性进行了实验研究。

1 传感机理

Sagnac干涉仪是一种重要的光学器件，与其他类型的干涉仪相比，Sagnac有着其独特的特性：在结构上具有互易性，能够消除由于环境噪声引起的外界不稳定因素所造成的干扰。而微纳光纤直径与光波长相当，对光场的束缚能力较弱，有很大一部分能量在微纳光纤外以倏逝场的形式存在，故其对外界折射率敏感。

结合微纳光纤对外界折射率敏感的特性和Sagnac干涉仪结构上的互易性，利用微纳光纤间的范德华力和静电场力的自然引力，将微纳光纤进行拧挤缠绕，制作成对外界折射率敏感的微纳光纤Sagnac环，其结构如图1所示。图中，当输入光进入微纳光纤Sagnac环型干涉仪后，由于耦合作用，光将会在缠绕区分成两束。分开后的两束光分别沿着顺时针方向和逆时针方向通过环区。由于拧紧缠绕后缠绕区的光纤截面已经不再是圆形结构而是椭圆形，从而产生几何双折射效应，两束光耦合分离，其中任何一束光都包含着2种不同速度、不同的偏振态。

图1 基于微纳光纤的Sagnac微型干涉仪结构示意图

不同的偏振光具有不同的相速度，故当不同偏振态的光经过同一段缠绕区后会产生一个相位差(即经过同一段光纤所产生的光程不一样)，当光通过环型结构后汇聚将产生干涉。产生干涉的两束光之间的相位差为[16-17]

(1)

式中：λ为光在真空中的波长；L为缠绕区的长度；B为缠绕区的双折射系数。

传感器的传输谱线可以表示为

(2)

从式(2)可以看出，传感器输出谱线类似余弦函数。由于Sagnac环是由微纳光纤制作而成，其强倏场能够与外界环境介质发生强烈的相互作用，故其传输谱线会受到传感区外部介质折射率变化的影响。其影响规律可以表示为

(3)

式中：nam为外界环境折射率；λ为光波长；Δλ为波长变化量；Δnam为外界环境折射率变化量。

当微纳光纤Sagnac环缠绕区被磁流体包覆时，磁流体就变成了微纳光纤的包层介质。当有电流I流过导体时，导体周围会产生一个磁场，此时磁流体的折射率由于磁光效应而发生改变时，将引起传感器外界的有效折射率nam变化，即Δnam=K·I，传感器与电流发生装置位置确定时K为常数。这样，在电流I作用下，传感器输出的干涉波长最终将会发生迁移，即：

Δλ∝I

(4)

因此，通过测量波长的变化就可以计算得到待测电流值。

2 传感器温度稳定特性的讨论

如前所述，由于Sagnac干涉仪在结构上具有良好的互易性，从而可以在很大程度上消除温度等环境噪声给传感器带来的干扰。对于环区，温度对干涉波长影响可以忽略。然而，在缠绕区，由于制作微纳光纤的材料二氧化硅和磁流体本身具有一定的热敏效应(见表1)，干涉波长随外界温度T的改变可以表示为

表1 各部分介质的热敏特性

(5)

微纳光纤的有效折射率neff由光纤内外光场能量的分布决定，可以表示为

neff=(1-γ)·ncore+γ·nMF

(6)

式中：γ为微纳光纤倏逝场所占光场总能量的比值；ncore和nMF分别为微纳光纤和磁流体的折射率。

故式(5)右边第一项可以简化为：

(7)

式中：∂ncore/∂T和∂nMF/∂T分别为微纳光纤和磁流体的热光系数。

当传感器的封装介质和用于传感的敏感介质确定之后，式(5)右边第一项的值由γ决定，而γ的值可以通过控制微纳光纤的直径来调节。选择合适的微纳光纤直径(实验中发现较为合适的微纳光纤直径约为2～3 μm)，可以使得式(5)右边第一项取值为负值，且大小与式(5)右边第二项相近，从而减小传感器的热敏特性，大大降低传感器的温度敏感问题。

此外，由于温度的变化比外加电流的变化慢得多，因此温度的影响也可以通过滤波电路来避免。因此，所设计的电流传感器的温度交叉敏感问题可以得到较好地抑制，不会限制该传感器的实际应用。

3 传感器的制备

传感器的制备需解决以下问题：

(1)微纳光纤的降质问题，降质主要是因为微纳光纤外的倏逝场为梯度场，由于光镊效应的存在，长期暴露在空气中使得光纤表面会附着1层μm量级的尘埃，使得其机械性能和光学性能产生变化。

(2)传感器的稳定性问题，包括机械稳定性和温度稳定性问题。机械稳定性问题主要体现在微纳光纤的微纳米量级尺寸上，极易受到外力的破坏。温度稳定性问题在上文已经讨论，可以通过选择合适直径的微纳光纤来实现。

为了解决微纳光纤的降质问题和传感器的机械稳定性问题，对传感器进行了封装。封装步骤如下。

步骤1：将折射率为1.40的硅凝胶聚合物均匀涂覆在玻璃基底上形成第1层薄膜，薄膜的厚度约为50 μm，再将其置入80 ℃的恒温箱内固化。

步骤2：采用匀胶机在已固化的薄膜上二次涂覆聚合物，调节旋涂速率使其厚度略小于制作的微纳光纤的直径(约2 μm)。

步骤3：把制作好的干涉仪放置在第二层聚合物薄膜上，再将传感器除传感区外的其他部分全部封上硅凝胶，常温对其固化。

步骤4：把部分封装好的传感器结构固定在自制的玻璃腔内，并将磁流体灌注到该腔体内，使磁流体与干涉仪的传感区充分接触。

封装后的传感器结构如图2所示。这种封装结构既能保证传感器长期工作的稳定性，又能让倏逝场与磁流体作用，用来进行电流传感。实验中所用的磁流体为水基Fe3O4磁流体，型号EMG605，其内部磁性颗粒浓度为0.5%，大小为10 nm左右。

通过光谱仪实际测得的传感器输出谱线如图3所示，由输出谱线可以看出，传感器的输出光谱为类正弦，自由光谱范围FSR大约为1.9 nm，与理论分析相吻合。

4 实验结果及分析

4.1 传感器的温度响应特性

将封装好的传感器放到温箱中，通过光谱仪观察该传感器的输出光谱随温度的变化特性。实验中发现，传感器的输出光谱在20～60 ℃温度范围内变化较小。图4为在20～60 ℃温度下，传感器的输出光谱。从图中可以看出，传输光谱随温度的变化约为3 pm/℃。与常见的光纤类传感器的温度交叉灵敏度相比较[13-14,18-19]，所封装的传感器温度稳定性较好，这说明该温度交叉敏感问题的解决方法是行之有效的。这里需要说明的是，由于手工制备的传感器参数具有一定的随机性，其传输光谱随温度的漂移量是不确定的，但是多次实验发现在使用该方法制备的传感器，其传输光谱随温度的漂移量都被控制在pm/℃量级。

图4 传感器的传输谱线随温度的变化

4.2 传感器的磁场响应特性

由于该传感器是通过测量待测电流产生的磁场强度实现电流检测的。为此，先检测该传感器对磁场的响应特性。将封装好的传感器置于外界磁场中，改变外界磁场强度，实时监测传输谱线的变化，进而得出该干涉仪对外界磁场的响应曲线。实验装置如图5所示，主要包括宽谱光源、Helmholtz线圈和光谱分析仪。其中，Helmholtz线圈用来产生标准均匀磁场，调节供电电流可以改变所施加的磁场强度。磁场方向与光传输方向及光纤环所在的平面方向垂直。

图5 匀强磁场实验装置示意图

改变外加磁场强度，同时通过光谱仪观察记录传感器的输出光谱变化，结果如图6所示。从图中可以看出，当外界磁场强度增大时，传感器的输出光谱有规律地向长波长方向移动。当磁场强度从0 Oe(1 Oe=79.578A/m)增大到300 Oe时，波长整体向右红移了450 pm，且基本成线性关系。从图7的标定曲线可以看出，外界磁场增强和减弱的过程中，传感器响应几乎是一致的，在除去外部磁场时，传感器内部的磁畴基本恢复到了未被磁化前的状态，即回到了零点。这是由于磁流体具有超顺磁性，无剩磁，无矫顽力。

图6 传感器的传输谱线随磁场的变化

图7 磁场的标定曲线

4.3 电流的响应特性

由于光谱仪的扫描频率低，通过读取光谱漂移量的方法只适合测量超低频的外加电流，不能满足实际的电流测量需求。因此，将输入光源换成波长可调的窄带激光，通过检测传感器输出的功率来获得光谱的漂移量，进而得知外加电流强度的信息，使得传感器可用于对快速变化电场的测量。其原理如图3所示，当选择可调谐窄带激光器工作波长在线性区的中点时，干涉波长的变化Δλ可以转换为输出光功率的变化ΔP。为了研究传感器的电流响应特性，采用如图8所示的试验装置。

图8 电流检测的实验装置示意图

从图8中可以看出，可调谐窄带激光器(TSL510)作为输入光源，选择特定的波长λlaser，可以将传感器输出的微小波长变化转换为光功率的变化，然后通过光电探测器转换为电流信号，并通过电流放大器(SR570)的消噪和微弱信号放大电路，最终形成示波器可观测的电压信号。同时，将该电流通过变换器输入到示波器作为参考信号。施加不同幅值的50 Hz的交流信号，检测示波器的输出，结果如图9所示。表2为不同电流强度下，传感器输出响应波形的幅值。从表2可以看出，响应波形的幅值随着被测电流幅值的增大而增大。

图9 传感器的外加电流(上)及传感器的响应曲线(下)

表2 不同电流强度下，电流传感系统的输出幅值

采用最小二乘法对表2的数据进行线性拟合，得到电流强度与传感系统输出的拟合线性方程为

y=0.002 18x-0.041 33

(8)

其线性相关系数R2=0.997 9。由拟合方程可以得到传感器的电流测量灵敏度为

(9)

从响应波形可知，传感器的响应信号频率为100 Hz，为原信号频率的2倍。这是由于磁流体对磁场的方向不敏感。

5 结束语

基于磁流体包覆微纳光纤Sagnac环的全光纤电流传感器的封装能够很好地保护微纳光纤，其长期工作稳定性较好。同时，又能够保证微纳光纤中的倏逝场能量能够进入磁流体内部，与磁流体充分作用，实现高灵敏度、高稳定性的光纤电流传感，这些结果对于推进微纳光纤传感器的实用化具有重要的参考价值。