基于法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器介紹[圖]

引言

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

1 光纖電流傳感器

光纖電流傳感器是一種新型的電流傳感器，與電磁式電流互感器相比，基于光學(xué)、微電子、微機(jī)技術(shù)的光纖式電流傳感器（OFCT），具有無鐵心、絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠，體積小、重量輕、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無飽和現(xiàn)象，輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿足、推動(dòng)了電力系統(tǒng)的發(fā)展，而且應(yīng)用前景十分廣闊。

當(dāng)線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動(dòng)方向?qū)�發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。

由于光在光纖中，一邊反射，一邊行進(jìn)，偏振波相應(yīng)于曲線的形狀會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對(duì)此現(xiàn)象，在光纖的一端設(shè)置一塊鏡面導(dǎo)致光纖中光線的往返，借助光的來回往返，成功補(bǔ)償和解決了偏振波的旋轉(zhuǎn)問題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件，并結(jié)合利用鏡面的方法，只需把光纖卷繞在載流導(dǎo)體上，用于電流計(jì)測的反射型傳感器就基本完成。其次，開發(fā)了調(diào)制程度的平均處理與信號(hào)處理方式，這有利于特性的穩(wěn)定及噪音的抑制。此外，對(duì)光源、受光元件、信號(hào)傳輸光纖等種類與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，而且，慎重選擇了旨在降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化的傳感器制作技術(shù)。目前，光纖傳感器技術(shù)正朝實(shí)用化的方向進(jìn)展，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛需求。

光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖1所示。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號(hào)處理電路等。從傳感頭有無電源的角度，可分為無源式和有源式兩類。

圖一光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置，它通過測量光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小。傳感頭是光纖電流傳感器最為重要和關(guān)鍵的部件。分析了全光纖型和混合型光纖電流傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)改進(jìn)光纖電流傳感器的設(shè)計(jì)，提高光纖電流傳感器的性能具有重要的指導(dǎo)作用。

光纖回轉(zhuǎn)儀是MOCT（光纖電流互感器）的核心部件，它由光源，探測器，調(diào)節(jié)器，以及纏繞電流導(dǎo)線的光電探頭組成。其中調(diào)節(jié)器是光纖電流傳感器的核心部件，通過這套系統(tǒng)可以對(duì)電流進(jìn)行精確測量，此項(xiàng)技術(shù)受20多項(xiàng)國際專利保護(hù)。光纖回轉(zhuǎn)儀最早由波音公司和霍尼韋爾公司共同研制。

與傳統(tǒng)的電磁式CT 比較，光纖電流傳感器除具有前述的優(yōu)點(diǎn)以外還具備：

（1）容易安裝，不用斷開導(dǎo)線，僅將細(xì)長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測電流，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感裝置的小利輕量化；

（2）無電磁噪音的干擾。近年的計(jì)測控制系統(tǒng)中，一般將傳感器的輸出連接于半導(dǎo)體的電子回路，傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構(gòu)成，故具有抗電磁干擾（EMI）特性；

（3）計(jì)測范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時(shí)，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈；

（4）因?yàn)樾盘?hào)通過光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實(shí)現(xiàn)長距離的信號(hào)傳輸。

國外在六十年代就已開始對(duì)光纖電流傳感器進(jìn)行研究。美國、日本及西歐的一些國家的研究機(jī)構(gòu)和一些電氣儀器公司都在此領(lǐng)域作了大量的工作，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本的中央研究所、NEC公司及東芝、松下等公司、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等，到八十年代初期，光纖電流傳感器開始進(jìn)入工業(yè)試用階段。

1986 年美國的田納西州流域電力管理局（TVA）在其所屬的Chkamauga水壩電力編組站安裝了第一臺(tái)單相高電壓光學(xué)計(jì)量用的電流互感器，可靠地運(yùn)行兩年多后拆除。電站的常規(guī)電壓互感器為OCT 提供電壓。在一年的千瓦小時(shí)的計(jì)量中，與參照系統(tǒng)比僅變化0.08%。按照各種預(yù)定的條件如負(fù)載、溫度、濕度以及電磁干攏等條件下完成了其應(yīng)負(fù)的任務(wù)。在變電站的環(huán)境中，展現(xiàn)出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的性能。

國內(nèi)應(yīng)用法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器處于探索階段，在“六五”期間，以1982 年９月在上海召開的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會(huì)”為起步，先后有多家單位進(jìn)行這方面的研究，中電八所、上海硅酸鹽所、上海冶金所、華北電力局、北京化工學(xué)院、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等都取得一定成果。

據(jù)第15 屆國際光纖傳感器會(huì)議統(tǒng)計(jì)在FOS市場份額中，“應(yīng)力”占23%，“溫度”占17.2%，“氣壓聲學(xué)”占15.2%，“電流電壓”占12.2%，“化學(xué)汽體”占11.3%。就傳感器類型來說，“光纖光柵”占44.2%，“分光計(jì)”占11.1%，“散鐘反射”占10%，“Fraday旋光效應(yīng)”占6.9%，“熒為黑體”占6.6%。

光纖電流傳感器不僅能用于電力系統(tǒng)中電流的測量，而且與電機(jī)制造廠、測量儀器儀表廠結(jié)合，還可研制開發(fā)線路事故點(diǎn)的標(biāo)定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測量、診斷裝置。如下圖所示。

圖三是基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器外觀

圖四是基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器的傳感頭

圖五是基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器應(yīng)用于架空電纜的線路，用于判定事故發(fā)生區(qū)間判定

圖六是基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器安裝于275KV地下輸電線，用于檢測輸電線的浪涌電流

3 結(jié)語

光纖電流傳感器的原理是法拉第效應(yīng)，即在光通過磁性材料過程中，光的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變。光纖電流傳感器不是單單的光學(xué)電流傳感器，在光纖電流傳感器中，線偏振光波人射到纖芯中，把它們分解成左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。在通過處在電磁場中的纖芯時(shí)發(fā)生雙折射。因此在通過纖芯后，兩個(gè)圓偏振光就產(chǎn)生了位相差，線偏振的方向發(fā)生了變化，與附加電流、光纖數(shù)量成正比。

雖然原理很簡單，但在實(shí)際操作中有很多問題限制了傳感器的分辨率。由于纖芯形狀的非理想性，光纖中存在一些線性雙折射，造成了輸出信號(hào)的誤差。在光纖退火過程中可以相對(duì)降低線性雙折射，但實(shí)際是很難做到的。另外，振動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力、溫度變化對(duì)線性雙折射的影響也很大。

綜上所述，如何消除光纖內(nèi)存在的線形雙折射及其對(duì)系統(tǒng)性能的不良影響是全光纖電流傳感器研究的核心間題為了減小和消除光纖的線形雙折射。