光纤电流传感器调研.docx

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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耍部分，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：传统电腑式互感器已经不能满意高压下大电潦的检测须要，因此寻求合适的替代产品成为必定。及此同时,光纤传感技术在电流测试中优势渐渐增多，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潺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历，用以法拉第磔光效应为工作原理的磔光材料作为传感元件，具有抗电修干扰、重量轻、尺寸小、带宽大、信号传输便利、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卜的电流检测,

2、但同时，由于光纤自身存在弯曲损耗，限制r小型化设备的发展.文章中简要介绍了光纤电流传感器的探讨现状、现实意义和探讨背景，具体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，试验过程和数据分析.最终得出结论,此高灵敏度的小型光纤电流传感器，在保持很高的抗弯曲实力的同时，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:07.07.Df,02.10,Yn103,50,z,06,30,Gv目前，国外已有2000千伏的输电线路投入运用，国内的电压等级也密接若提高。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渐渐显露出它的局限性。首先是绝缘问

3、题，电压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困难，体积和重量乂随之增大，导致了运输、安装、调试、修理上的困难。其次是成本何翘，电磁感应式电流互感器的成本随着电压等级的上升按几何级数增加。在这种状况下,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，研制全新的电潦传感器就成为必定。目前为止，所探讨光纤电流传感罂的工作原理可以概括为四大类.第一类是利用法拉第效应(FamdayEffCC1.)测量电流；其次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ROgVVSki线圈网量电流：第四类是利用光栅原理和集成光学技术测量电流.具体采纳的光

4、路和电路也各不相同,有采纳起偏器、检偏器测偏振角改变的,仃采纳Sagnae或MaChZehnder干涉仪测相位改变的,也仃采纳数模、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探讨热点。近几年间,国内外学者对光纤电流传感器的探讨屡有成果.如：一种高度灵板的小型光纤电流传感器的研制m；运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筒洁光纤电潦传感器2:基于双折射效应光纤布拉格光栅电流传感港口;基于改进相位调制反射式光纤电潦传感器的设计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棚电流传感器等。光纤电流传感器由于其具有的诸多优点，

5、如玳量轻、低成本、以及它们在日益发展的全光设备中的运用，吸引着全世界的探讨人员。虽然灵敏度较低，但光纤电潦传感器相对于块状玻璃电潦传感器有显著的优势,它们不须要敢装光学器件,允许简洁拼接等。然而,由于尖锐的回弧会造成大量的能量损耗，全部的光纤电流传感器均须要7.5厘米半径大小的绕组：同时，为了研制小尺寸的,运用便利的电流传感器，该光纤缠绕的环必济尽可能小。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，其缺点是及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型光纤电流传感器，采纳掺CdS

6、e量子点的弯曲不敏感光纤(BIF),使其具有较高的抗弯曲实力同时，达到更好的电流灵敏度。2理论基础及试验过程2) 1理论基础D偏振光光是频率极高的一种电磁波，它的电矢地和磁矢地的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动事实上是光波的电场强度及磁场强度的改变。当光及物质相互作用时,理论和试验表明，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员.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改变的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位改变的光,这时在维直于传播方向的

7、平面上，光矢员端点的凯迹是始终线。回偏振光是指在传播过程中，其光矢量的大小不变、方向规则改变,其端点的轨迹是一个圆.椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均规则改变,光矢量端点沿椭网轨迹转动.任偏振光都可以用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示。设光波沿Z轴传播，则光矢量必定在垂直于Z轴的Xy平面上振动,则光波可以表示为：式中：二,为初相位.用重量的形式可以表示为:其中和分别为X，y重量的初相位,不同的取值可表示不同的偏振态，令初相位差，化筒公式可以得到:F1.cos5=sin;dx匕Qy勺*d由式可知：当,m=0,I,土2.时，为线偏振光：当,m=0,土1,2时,为右旋圆偏振

8、光；当，m=O,土1,2时，为左旋圆偏振光：其他状况为椭圆偏振光。2）琼斯矩阵Jones矩阵为分析偏振光供应了一种简洁的方法，它运用最简练的矩阵形式,进行最简洁的矩阵运算,推算出，由偏振罂件组成的困难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的两个正交东员的史振幅为：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f6i振态符发生改变。设入射光的偏振态表示为,经过偏振器件之后变为,则偏振罂的线性变换作用可以用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，战表达式为若偏振光依次通过N个偏振器件，每个偏振器

9、件的琼斯矩阵为G/(i=1.,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，可以便利地算出偏振光通过偏振器件的出射光。3) Faraday效应1864年,法拉第发觉，当线偏振光沿磁场方向通过置于蹴场中的磁光介质时.，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.其原理图I-法拉第效应原理图法拉第效应的本质为磁致圆双折射，即圆儡振光经过法拉第效应后相位发生改变。因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强加，则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应，具旋转角取决下沿磁场方向传播的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光的折射率之差。2。2实脸为了研制小型紧凑的设

10、备.很自然的选择是采纳弯曲损耗不敏感光纤（B1.F）.同时在可见光波长范围内运用,便于降低光源的成本，B1.F应用在电流传感器上时,存在及单模光纤样的缺陷，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，采纳BIF和CdSe试子点两种技术来实现。我们测解的CdSe箕子点掺杂BIF在633nm处的电潦灵敏度为单模光纤的16倍。3试跄过程及测量结果为了开发的弯曲不敏感光纤，具有错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仃硒化镉员了点的甲苯溶液（Sig

11、maA1.driCh公司，峰值汲取公600纳米,在1.5m1.溶液九5圣克）中运用的溶液掺杂技术实现的。溶液掺杂工艺之后，陵后进行浸满预制件的干燥和附加玻璃层沉积以削减掺杂剂的可能蒸发.该光纤被绘制为125m,运用牵引塔的外径在2000Co该光纤具有的折射率分布，如图2所示，通过运用弯曲参考技术其被止波长测量为约600纳米.CdSc量子点掺杂光纤的弯曲损耗特性通过运用不同直径的1至18个例环进行了测量。输入功率运用宽带白色光源，输出功率由光谱分析仪检测。光纤在633nm处通过不同数量的511un半径圆环的弯曲损耗特性示于图3.掺硒化镉量了点B1.F的平均损耗为0.47分贝/环。该光纤在不同半径

12、的各个环处的弯曲损耗改变示于图4.这些结果均证明白掺CdSO量子点B1.F的弯曲不敏感是相当不错的.Radia1.distance(m)图2CdSe力ir点掺杂弯曲不敏感光纤的折射率分布.87654321O101214161820Numberof1.oops(BP)Sso-6wpu图3掺CdSe扇子点B1.F在不同数显5m三半径圆环处的弯曲损耗C平均弯曲投框为0。位分贝/圆环时的阴环数正1.oopradius(mm)图4一掺CdSe飙干点B1.F在不同圆环尺寸下的平均弯向损耗半径我们通过运用削减技术测得该纤维的汲取光谱，本光谱被用来确定量子点的存在。如图5,及CdSe量子点有关的在608纳米和

13、585纳米处的两个不同的汲取峰被视察到。为了进一步确定CdSe收子点的存在,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时可以被视察到。CdSe及子点的浓度可以通过运用图5的汲取系数数据来确定.表示汲取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：其中是以E为单位的汲取截面，a是量了点半径。对于CdSe殳了点在608纳米旁边的峰值汲取,，量子点的尺寸大约为2nm这也及TEM匹配良好。同时，CdSeM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，大约有个母子点。在CdSe出子点浓度如此的状况下，掺CdSe轴了点BIF的磁光灵

14、敏度也应当是很高的。(E)CCDZOOOuoJosqv图5-掺CdSOh点B1.F的汲取光讲.峰值大沟在608纳米和585纳米旁边.接着，为了确定掺CdSe散子点BiF在法拉第旋转方面的磁极感性，我们将从氮双气体激光器（633纳米）中得到的线偏振光输入掺CdSe让了点BIF（71厘米）中,在由直潦螺纹管产生的磁场膨响下,检测输出功率并施加到旋光仪，从而通过运用个庞加莱球测定法拉第转角。当心的在最小化光纤线性双折射和室温下（25tC）进行测量，并将此环境在整个试验进行过程中保持恒定。在633nm处所施加的礴场产生的法拉第转角的各种测量结果显示在图7中。考虑B1.F的柏长为约IOUm,71厘米的光

15、纤样品可以近似认为是不受随机极化效应。可以留意到，该偏振面的平均法拉第转角为0。11T,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。这种增加的磁场灵故度由SiCdSe量子点浓度产生。所述掺CdSC豆子点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匀称磁场下的介质，它旋转一个角度，由下式近似表示：50-40-30-20-10-0-其中，是以弧度表示的光束偏振面的旋转角，以/磁感应强度，【为及波长有光的维尔德常数是波长,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。2rad（T.m）,这个值比之前报导的结果要育出许多。Measurements:()P)Uo一moAJpa1.E1.芟一=633nm0.000.020.040060.0.100.120.140.16Magneticfie1.d(T)图6-法拉第殖利角的各种不同测状结果最终，利用掺CdSC量子点B1.F测量电流的忒验装置如图7所示.氨加气体激光器放射633nm光（10毫瓦）用作输入源。波长为633nm的线性偏振光被放射进入光纤用作准直仪。光纤只仃4米长，手工加捻以每米15挖，以尽显削减在光纤中的线性双折射效应,然后聘其绕64个环绕在一个塑料桶（10毫米半径）上。它的输