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1、光纤电流传感器的调研一种高度灵敏的小型光纤电流传感器摘 要中文摘要部分 ：随着电力系统的发展，传统的电流测量器件在现代电力系统中缺点越来越明显，如：传统电磁式互感器已经不能满足高压下大电流的检测需要，因此寻求合适的替代产品成为必然。与此同时，光纤传感技术在电流测试中优势逐渐增多，所以人们对光纤传感技术在电流测量中的运用更加重视。本文介绍的光纤电流传感器正是以光纤传感技术为基础的传感器件，器件以光纤作为传输媒质，用以法拉第磁光效应为工作原理的磁光材料作为传感元件， 具有抗电磁干扰、 重量轻、尺寸小、带宽大、信号传输方便、结构稳定、灵敏度高、可实现电流值的线性检测等特点，适用于电力系统中高压下的电
2、流检测。但同时，由于光纤自身存在弯曲损耗，限制了小型化设备的发展。文章中简要介绍了光纤电流传感器的研究现状、现实意义和研究背景，详细论述了一种新型的高灵敏度小型光纤电流传感器， 包括理论基础，实验过程和数据分析。 最后得出结论，此高灵敏度的小型光纤电流传感器，在保持很高的抗弯曲能力的同时，可以达到更高的电流灵敏度。关键词：光纤电流传感器，法拉第效应，弯曲不敏感光纤，双折射PACS：， ， 03.50.-z， 1/191 引 言目前，国外已有2000 千伏的输电线路投入使用，国内的电压等级也将继续提高。随着电压等级的大幅度提高，传统的电磁感应式电流互感器逐渐显露出它的局限性。首先是绝缘问题，电压
3、的提高给绝缘带来了更大的技术困难，同时绝缘尺寸的加大又造成了互感器的结构更加复杂，体积和重量又随之增大，导致了运输、安装、调试、维修上的困难。其次是成本问题，电磁感应式电流互感器的成本随着电压等级的升高按几何级数增加。在这种情况下，以光电子为基础的光纤电流传感器向传统的测量方式提出了挑战，研制全新的电流传感器就成为必然。目前为止，所研究光纤电流传感器的工作原理可以概括为四大类。第一类是利用法拉第效应(Faraday Effect)测量电流；第二类是利用磁致伸缩效应测量电流；第三类是利用电磁感应原理(例如 Rogwski 线圈 )测量电流；第四类是利用光栅原理和集成光学技术测量电流。具体采用的光
4、路和电路也各不相同，有采用起偏器、检偏器测偏振角变化的，有采用 Sagnac或 Mach-Zehnder 干涉仪测相位变化的，也有采用数模、模数转换技术测电流电压的等等。 其中基于法拉第效应的光纤电流传感器是当前研究热点。近几年间，国内外学者对光纤电流传感器的研究屡有成果。如：一种高度灵敏的小型光纤电流传感器的研制1 ；使用刻在保偏光纤上的长周期光纤光栅作为传感器解调器的一个简单光纤电流传感器2 ；基于双折射效应光纤布拉格光栅电流传感器 3 ；基于改进相位调制反射式光纤电流传感器的设计4 ；光纤布里渊光纤电流传感器；复用干涉电流传感器；带有温度补偿的光纤布拉格光栅电流传感器等。2/19光纤电流
5、传感器由于其具有的诸多优点，如重量轻、低成本、以及它们在日益发展的全光设备中的使用，吸引着全世界的研究人员。虽然灵敏度较低，但光纤电流传感器相对于块状玻璃电流传感器有显著的优势，它们不需要散装光学器件，允许简单拼接等。然而，由于尖锐的圆弧会造成大量的能量损耗，所有的光纤电流传感器均需要7.5 厘米半径大小的绕组；同时，为了研制小尺寸的，使用方便的电流传感器，该光纤缠绕的环必须尽可能小。因此，现有的石英玻璃光纤未必适合制作小尺寸的器件。在这一点上，火石玻璃显示具有较弱的弯曲敏感度和相当于石英玻璃两倍的电流灵敏度，其缺点是与现有的光纤和网络不相容。为了达到相对更好的效果，我们研制了一种高灵敏度的小
6、型光纤电流传感器，采用掺 CdSe 量子点的弯曲不敏感光纤（BIF ），使其具有较高的抗弯曲能力同时，达到更好的电流灵敏度。2 理论基础与实验过程2.1理论基础1) 偏振光光是频率极高的一种电磁波, 它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时 , 理论和实验表明 , 对光检测器起作用的是电矢量而不是磁矢量, 所以只需考虑电场的作用 , 因此用电矢量来表示光矢量。光波是横波 , 因此光波具有偏振性。就偏振性而言, 光一般可以分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中,
7、 光矢量的方向不变 , 其大小随相位变化的光, 这时在垂直于传播方向的平面上 , 光矢量端点的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中, 其光矢量的大小不变、方向规则变化, 其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢3/19量的大小和方向在传播过程中均规则变化, 光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直、相位有关联的线偏振光来表示。设光波沿 z轴传播 , 则光矢量必然在垂直于z轴的 xy 平面上振动 , 则光波可以表示为 :式中 :=，为初相位。用分量的形式可以表示为:其中和分别为 x，y分量的初相位 , 不同的取值可表示不同的偏振态, 令初相位差, 化简公式可以得到 :由式
8、可知 : 当,m=0,l, 士2, 时, 为线偏振光；当， m=0，士 1, 士2时, 为右旋圆偏振光；当，士士 时为左旋圆偏振m=0 1,2 ,光；其他情况为椭圆偏振光。2) 琼斯矩阵Jones矩阵为分析偏振光提供了一种简单的方法, 它使用最简练的矩阵形式,进行最简单的矩阵运算, 推算出 , 由偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态作用 , 而不必去追究其中每一过程的具体物理意义。偏振光 E的两个正交分量的复振幅为 :4/19矩阵表示法就是用一个成为琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光:偏振光通过一个偏振器件之后, 光的偏振态将发生变化。设入射光的偏振态表示为, 经过偏振器件之后变为, 则偏振器的线性
9、变换作用可以用一个二行二列的矩阵来表示, 即，或者表示为 :称矩阵 G为该偏振器件的琼斯矩阵, 其表达式为若偏振光依次通过N个偏振器件, 每个偏振器件的琼斯矩阵为Gi (i=l,2,3,N), 则出射光的琼斯矩阵表示为利用偏振器件的琼斯矩阵, 可以方便地算出偏振光通过偏振器件的出射光。3)Faraday 效应1864年 , 法拉第发现 , 当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转 , 这种现象称为磁致旋光效应, 通常又称为法拉第效应。 其原理示意图如图 1所示。5/19图 1- 法拉第效应原理图法拉第效应的本质为磁致圆双折射, 即圆偏振光经过法拉第效应后相位发生变化。因
10、为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加, 则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应, 其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率之差。2.2实验为了研制小型紧凑的设备， 很自然的选择是采用弯曲损耗不敏感光纤（ BIF），同时在可见光波长范围内使用，便于降低光源的成本。BIF应用在电流传感器上时，存在与单模光纤一样的缺陷，即对磁场的不敏感。弯曲不敏感以及高的黄色光灵敏度可通过掺杂光纤，产生一个高度敏感的磁场传感器，采用BIF 和CdSe 量子点两种技术来实现。我们测得的 CdSe 量子点掺杂 BIF 在 633nm 处的电流灵敏度为单模光纤的16倍。3 实验过
11、程及测量结果为了开发的弯曲不敏感光纤，具有锗玻璃组合物的光纤预制件将被制作出来，其中 MCVD技术中低折射率沟槽由硼掺杂预制件的制造过程中所形成。CdSe量子点在预制件的纤芯掺入是通过制作含有硒化镉量子点的甲苯溶液（SigmaAldrich公司，峰值吸收 <=600 纳米，在 1.5ml 溶液 7.5 毫克）中使用的溶液掺杂技术实现的。溶液掺杂工艺之后，随后进行浸渍预制件的干燥和附加玻璃层沉6/19积以减少掺杂剂的可能蒸发。该光纤被绘制为125 m，使用牵引塔的外径在2000。该光纤具有的折射率分布，如图2 所示，通过使用弯曲参考技术其截止波长测量为约 600 纳米。CdSe量子点掺杂光
12、纤的弯曲损耗特性通过使用不同直径的1 至 18 个圆环进行了测量。输入功率使用宽带白色光源，输出功率由光谱分析仪检测。光纤在633nm处通过不同数量的5mm半径圆环的弯曲损耗特性示于图3。掺硒化镉量子点 BIF 的平均损耗为 0.47 分贝 / 环。该光纤在不同半径的各个环处的弯曲损耗变化示于图 4。这些结果均证明了掺 CdSe量子点 BIF 的弯曲不敏感是相当不错的。图 2-CdSe 量子点掺杂弯曲不敏感光纤的折射率分布。7/19图 3- 掺 CdSe量子点 BIF 在不同数量 5mm半径圆环处的弯曲损耗。平均弯曲损耗为 0.47 分贝 / 圆环时的圆环数量 。图 4- 掺 CdSe量子点
13、BIF 在不同圆环尺寸下的平均弯曲损耗半径我们通过使用削减技术测得该纤维的吸收光谱，本光谱被用来确定量子点的存在。如图 5，与 CdSe 量子点有关的在608 纳米和 585 纳米处的两个不同的吸收峰被观察到。为了进一步确定CdSe 量子点的存在，我们进行了预成型体样品的透射电子显微镜（ TEM ）测量。如图6，当硒化镉量子点的半径小于2nm 时可以被观察到。 CdSe 量子点的浓度可以通过使用图5 的吸收系数数据来确定。表示吸收截面和硒化镉量子点的大小之间关系的近似方程被表示为：8/192其中是以 m为单位的吸收截面， a是量子点半径。对于 CdSe 量子点在 608 纳米附近的峰值吸收，量
14、子点的尺寸大约为 2nm，这也与 TEM 匹配良好。同时， CdSe 量子点的浓度也可以用下面的关系式近似表示：上式表明，每立方米中，大约有个量子点。在 CdSe 量子点浓度如此高的情况下，掺 CdSe 量子点 BIF 的磁光灵敏度也应该是很高的。图 5- 掺 CdSe量子点 BIF 的吸收光谱，峰值大约在608纳米和 585纳米附近。接着，为了确定掺 CdSe 量子点 BIF 在法拉第旋转方面的磁敏感性，我们将从氦氖气体激光器（633 纳米）中得到的线偏振光输入掺CdSe 量子点 BIF（71 厘米）中，在由直流螺线管产生的磁场影响下，检测输出功率并施加到旋光仪，从而通过使用一个庞加莱球测定
15、法拉第转角。小心的在最小化光纤线性双折射和室温下（ 25）进行测量，并将此环境在整个实验进行过程中保持恒定。在633nm处所施加的磁场产生的法拉第转角的各种测量结果显示在图7中。考虑 BIF的拍长为约10m， 71厘米的光纤样品可以近似认为是不受随机极化效应。可以注意到，该偏振面的平均法拉第转角为0.14 T，约40.8 度（如图 6），其大约为单模光纤在 633nm处的法拉第转角的 2.6 倍。这种增强的磁场灵敏度由高CdSe量子点浓度产生。所9/19述掺 CdSe量子点 BIF的维尔德常数可从图 6的测量中得出。 当偏振光平面通过平行于光束传播方向的均匀磁场下的介质，它旋转一个角度，由下式
16、近似表示：其中，是以弧度表示的光束偏振面的旋转角，B为磁感应强度， V为与波长有光的维尔德常数，L是波长，也是在磁场影响下的光纤有效长度。计算出的维尔德常数的平均值大约为7.2 rad/(T.m) ，这个值比之前报导的结果要高出很多。图6- 法拉第旋转角的各种不同测量结果最后，利用掺 CdSe量子点 BIF测量电流的实验装置如图7所示。氦氖气体激光器发射 633nm 光（ 10毫瓦）用作输入源。 波长为 633nm 的线性偏振光被发射进入光纤用作准直仪。光纤只有4米长，手工加捻以每米15捻，以尽量减少在光纤中的线性双折射效应，然后将其绕64 个环绕在一个塑料桶（ 10毫米半径）上。它的输出被直
17、接发射到连接到个人计算机（PC ）的旋光计的光检测器中，其中，通过使用内置的软件显示出法拉第转角。所有测量均在室温下进行。10/19图 7- 使用掺 CdSe量子点弯曲不敏感光纤作光纤电流传感器实验装置图如上文所述， CdSe 量子点的浓度为 2×10 25QDs / m 3 时，我们得到的维尔德常数为约 7.2 弧度 /（ Tm ）。在这里维尔德常数很高的数值促进了硒化镉量子点的存在，它比在其他光纤中的CdSe 平均值 4.6 弧度 / （Tm ）还要高出很多。在图7中所示的电流传感器，是通过使用10mm 环半径的掺 CdSe 量子点 BIF 而实现的，这是迄今为止所报道的最小尺寸
18、的光纤电流传感器。未弯曲的情况下，由于在 BIF中显著线性双折射的存在，庞加莱测量结果是无规则的。按照早先的研究，通过扭绞光纤为 10? 15捻/米，线性双折射的影响可被最小化。在633nm处，流过导体的电流产生的法拉第转角的变化如图8所示。其中，光纤电流传感器的性能通常用灵敏度来表述：S代表灵敏度， N是匝数， I 是以安培为单位的电流。考虑到环的大小，我们定义了修正后的灵敏度：S 为修正后的电流灵敏度，单位为，R是环的半径，单位为米。将之前所报道的电流传感器与我们研制的掺CdSe 量子点 BIF 电流传感器相比11/19较，可以得出，掺CdSe 量子点 BIF 电流传感器的修正后的电流灵敏
19、度约为675rad/(A.Turn.m)，为掺 CdSe 量子点非 BIF 电流传感器的修正后的电流灵敏度的8倍以上，为单模光纤电流传感器的电流灵敏度的16倍以上。图 8- 在 633nm处，掺 CdSe 量子点 BIF 中法拉第转角随电流的变化表 1- 不同光纤电流传感器的修正电流灵敏度的比较在BIF中，双折射系数被定义为, 其中代表有效折射率系数， x，y代表两个偏振方向，在弧度单位下的双折射系数可以表示为：为传播常数，为工作波长，拍长由下式给出：假设平面波仅仅行进在z方向，应力仅在 x-z或 y-z 平面上存在，与压力有关的线性双折射可以表示为：12/19N为包层的折射率，为应力-光学系
20、数，1112= 0.27)， 为(= 0.12,应力张量。在关于光纤的双折射早期研究中，单模光纤表现出30m 到100m 的拍长。与拍长约为 10m 的单模光纤相比，硼掺杂的色散位移光纤表现出较高的双折射效应，偏振模色散大约为 0.061 ps/(km) 1/2。典型的商业弯曲不敏感光纤的偏振模式色散大约为 0.06 ps / （km ）1/2 。考虑到我们的结果和掺硼光纤的相似性，用于定性讨论时， BIF 的拍长可以认为为 10米。当光纤笔直时，根据上面的公式，其线性双折射系数大约为6.33 × 10- 8或0.628 radians/m ，然而，当光纤弯曲时，线性双折射系数表示为
21、：p是泊松比（ = 0.17 ），并且 fr为光纤半径（ = 62.5 微米）。在光纤环半径为10mm 的情况下，光纤的线性双折射约为52.6 弧度 /米，其中 = 2.28 ×10 -5，波长为 633nm ，这相当于拍长为 12 厘米。当具有大线性双折射系数的光纤处于平行于传播方向的磁场影响下时，圆双折射受到弯曲相关线性双折射的抑制，这将导致电流传感器对磁场的响应大幅降低。正如早先的报告中，线性双折射的影响可通过扭绞光纤 10 -15twists/m 所限制。正如我们已经讨论的，光纤扭绞后，40 A的电流会产生法拉第旋转角大约1°，这是相当小的数值，表明了杂散线性双折射
22、在弯曲光纤中的存在。4 应用案例及面临的问题光纤电流传感器具有很多普通电流传感器达不到的性能优点，例如：13/19(1) 容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小利轻量化；(2) 无电磁噪音的干扰。近年的计测控制系统中，一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路，传感装置本身全部由光学器件构成，故具有抗电磁干扰(EMI) 特性；(3) 测量范围广，没有铁心磁饱和的制约， 同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；(4) 因为信号通过光纤传输，波形畸变小，传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。正由于这些优点的存在
23、，光纤电流传感器得到了广泛的应用，其典型应用如下：1）应用于电网城市用电量的增加，使得供电设备经常处于超负荷预装状态，电源设备面临的考验也越来越大，电子设备60%的故障都来自电源。随着电源问题日益突出的严重性，电源技术渐渐被广大厂商重视，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，保护电源的设备也随之诞生，检测电流或电压的传感器应运而生。电流传感器是指能感受被测电流并转换成可用输出信号的传感器，在国内外的用途非常广泛。2）闭环电流传感器不间断监测电量随着新能源技术的开发和发展，电流传感器在风电行业的应1 用尤为重要，它是风能涡轮机中转换器必不可少的元件。在转换器中，需要装有非常多的小型
24、或PCB电流传感器，它属于一个闭环控制系统，确保逆变器能够迅速响应。逆变器与发电机的同时作用，可以确保在风14/19能涡轮机启动之后在一个很宽的风速范围内为电网提供持续功率，直到涡轮机在上限风速时停机为止。为了使驱动器能达到最好的工作状态，需要对工作中的电流进行不间断的测量，电流传感器的性能直接影响着电路控制的质量和响应时间，这也是它能够在风电行业得到广泛应用的原因。 同时，闭环电流传感器不仅带宽高、 响应时间快，它还具有线性度好和精确度高等优点。3）电流传感器减少电缆负荷量在英国，一种适合于安装在240 伏-600 安变电站主线上的电流传感器诞生了，这种传感器对变电站的电力输出进行监控，可以
25、减少地方电网故障所造成的停电时间。电流传感器可以对供电电缆进行电流监控，若是电缆出线超负荷，这些电流传感器可将一部分负荷转移到其他相中，或者是新铺设的电缆中，保护电缆的安全使用和运行。随着智能电网的不断发展和升级，电流传感器也在技术、设计和效用等方面不断进行改进和完善，对冶金、化工等行业的电流测流具有重大作用。4）基于智能电网的光纤电流传感器新型光纤电流传感器就是智能电网快速发展的科技产物。我国推出了XDGDL-1光纤电流传感系统，实现了管线电流传感系统的全数字闭环控制，具有稳定性和线性度好、灵敏度高等特点，满足了大量程范围的高精度测量要求。同时，该系统开发了一种可现场绕制的伸缩结构，安装方便
26、，可避免杂散磁场的干扰，母线偏心的测量误差小于正负0.1%，实现了一种高精度信号转换方案，为整流器控制设备提供高精度模拟信号和标准数字通信接口。5）工业升级发展促进电流传感器改进15/19在我国工业发展升级的驱动下，电力设备的安全性使用越来越受到重视。电流传感器作为一个兼具保护性和监控作用的工具，将会在未来的电网中起到更重要的意义。相比国外同类产品，国内的电流传感器技术还有很大的差距需要弥补和提高。国内也逐渐涌现出有很多新型产业，都需要传感器的支持，无论是出于安全性考虑还是市场效益考虑，电流传感器将会趋于更加高效可靠，在低碳环保的要求下，小型化也是未来的一大趋势，这也将促进国内传感器厂商投入更
27、多的经历开发新技术和产品。在不久的将来，电流传感器将会在更多行业得到广泛应用，同时将为新兴物联网打好基础。同时，光纤电流传感器也存在一些不可忽视的缺陷，面临着诸多问题，比如外界扰动和温度变化引起的双折射可能会导致一定的测量误差；光纤连接困难，接头处理不当则会存在较大的连接损耗；与目前测控系统装置不兼容是其广泛使用的最大障碍。对于这些问题，有待研究员与学者们的进一步深入研究，在这里，我提出一点自己的看法。对于光纤受外界扰动和温度变化影响较大的问题，我们可以采用一定的温度补偿装置来减少温度对光纤的影响，同时加入外部闭环线圈来补偿所受的振动影响。5 结论在这篇调研报告中， 我们首先介绍了光纤电流传感
28、器的广阔应用前景以及市场需求，接着对其进行了简单的分类介绍。着重解释了光纤电流传感器的理论基础，考虑到光纤的弯曲损耗和小型传感器件的需求之间的矛盾，我们研制了一种高度灵敏的小型光纤电流传感器。其技术要点在于采用弯曲不敏感光纤（BIF），并加以掺杂 CdSe ，通过实验，可以证明此种光纤电流传感器的电流灵敏度可以16/19达到普通单模光纤的16 倍以上，同时可以满足小型化的需求。在适当的定性分析条件下，我们对这种光纤的双折射系数进行了适当的数学讨论。最后，我们对光纤电流传感器的应用范围以及其面临的问题进行了总结与分析。参考文献1WaterkarP R, Seongmin J, Kim S, Je
29、ong S, Kim Y, Han W2012 Opti.Expr.vol.18(16) pp.17096-1052Yong W L, Ilyong Y, Byoungho L 2004Sens.Actua vol.112(2) pp.308-3123Yong Z, Ting T S 2012Microw. Opt. Technol. Lett.Vol.54 (3)4Yajun W, Xuemei G 2013Sens. Trans.Vol.156 (9) pp.40-475Kiyoshi K 2014Phot. Sens.Vol.4 (1) pp.12-206Sun D Y 2009M.S.
30、 Thesis(Nanjing: Nanjing University of Science andTechnology)(inChina) 孙敦艳 2009 硕士学位论文 （南京：南京理工大学）7Wang G 2010M.S. Thesis(Harbin: Harbin Engineering University)(inChina) 王刚 2010 硕士学位论文（哈尔滨：哈尔滨工程大学）8Pang B B 2009M.S. Thesis(Chengdu: University of Electronic Scienceand Technology of China) (in China)庞
31、碧波 2009 硕士学位论文（成都：电子科技大学） Research about fiber-optic current sensorsA hignly sensitive small fiber optic current sensors17/19AbstractWith the development of the power system, the shortcomings of the traditional current meter are increasing obviously. For example, the traditional electromagnetic curr
32、ent transformer can not meet the needs of current measurement with high voltage. So, it is necessary to find a substitute. At the same time, the advantages of fiber-optic sensor technology are gradually increasing in the current measurement, thus, people place more importance on the optical fiber se
33、nsor technology used in the current measurement .In this thesis, the fiber-optic current sensor is based on fiber-optic sensor technology and takes optic-fiber as its transmission material, magneto-optic material which work followed the Faraday magneto-optic effect is took as its sensor component. T
34、he sensor has many strong point .such as: anti-electromagnetic interference, light weight, small size, wide bandwidth, low cost, stable construction, high sensibility and being easy to detect the current and to transmit signal , thus it is very useful for the current measurement in high voltage of t
35、he power system. But at the same time, due to the presence of bending loss of the fiber itself, the development of miniaturized devices is limited. This article briefly introduces the research status of fiber-optic current sensors, practical significance and research background. Then a new high-sens
36、itivity small fiber optic current sensors is discussed in detail, including the theoretical basis and the experimental procedures as well as18/19data. Finally, it is proved that this high sensitivity of small fiber optic current sensors can achieve higher current sensitivity while maintaining a high bending resistance.Keywords: Fiber-optic current sensors, Faraday effect, bend-insensitive optical fiber,the birefringence19/19