石榴石型直流光學(xué)電流傳感器穩(wěn)定性研究

石榴石型直流光學(xué)電流傳感器穩(wěn)定性研究

陳林,高軍,雷文鋒

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對智能電網(wǎng)中直流的檢測,設(shè)計了反射式和透射式兩種光路結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流傳感器,采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作為傳感器的敏感元件進行直流電流監(jiān)測實驗,以此對傳感器的靈敏性與穩(wěn)定性進行研究。結(jié)果表明,以不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作為傳感器的敏感元件,兩種結(jié)構(gòu)的傳感器測量靈敏度均較高,在反射式結(jié)構(gòu)中厚度為2 μm的石榴石材料與透射式結(jié)構(gòu)中厚度為1 μm的石榴石材料作為敏感元件時,傳感器的偏振度變化幅度較小,表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞石榴石;光學(xué)電流傳感器;穩(wěn)定性

收稿日期:2015-03-10

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(61205076)

作者簡介:陳林(1990—),男,碩士研究生。研究方向:光纖傳感及其信號檢測技術(shù)。E-mail:linchen_8@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.043

中圖分類號TN204;TM452.92

Research on the Stability of Garnet DC Optical Current Sensor

CHEN Lin,GAO Jun,LEI Wenfeng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractAiming at the detection of dc current in the smart grid,the reflection and transmission light path structures are designed for optical current sensors.DC current monitoring experiments are performed with permanent magnetic thin films with different thicknesses of garnet magneto-optic material as the sensitive element of the sensor to study the stability and sensitivity of the sensor.The experimental results show that both structures achieves high sensitivity with garnet magneto-optic material with different thickness of the permanent magnetic thin films as sensitive element of sensor;the DOP of sensor has lesser variations with 2 μm garnet material in the reflection structure and 1 μm garnet material in the transmission structure as a sensitive element,which means that the system has good stability.

Keywordsgarnet;DC optical current sensor;stability

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進,電力輸電系統(tǒng)正朝著超高壓、大直流等方向發(fā)展,在輸電工程中,電流傳感器是實現(xiàn)輸電系統(tǒng)監(jiān)視和保護的一種重要測量設(shè)備。采用電磁感應(yīng)的傳統(tǒng)電流互感器因為諸多缺點已無法滿足智能電網(wǎng)中對電流檢測的需求,而光學(xué)電流傳感器具有無磁飽和以及鐵磁諧振、較大的測量動態(tài)范圍、良好的絕緣性和穩(wěn)定性等優(yōu)點,是未來智能電網(wǎng)中理想的電流檢測設(shè)備[1-3],其勢必將取代傳統(tǒng)電流互感器。本文基于偏磁矯正的光學(xué)電流傳感器,采用鍍有永磁薄膜的石榴石材料作為敏感元件,以保偏光纖作為傳輸介質(zhì),通過TXP偏振計檢測入射偏振光與水平方向的線偏振光的振動面夾角變化來間接檢測電流,并設(shè)計了反射式和透射式兩種光路結(jié)構(gòu)的石榴石型光學(xué)電流傳感器[4-6],并將制備好的永磁薄膜厚度分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作為傳感器的敏感核心元件,進而對光學(xué)電流傳感器的靈敏性和穩(wěn)定性進行分析與研究,實驗表明:同一光路結(jié)構(gòu)的傳感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在實驗測量過程中方位角與電流大小關(guān)系的線性度高,傳感器有較高的靈敏度;同一光路結(jié)構(gòu)的傳感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在實驗測量過程DOP與電流的線性度差別較大,但在反射式光路結(jié)構(gòu)中,2 μm厚度的永磁薄膜作為敏感元件時其DOP與電流的線性度最好,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,在透射式光路結(jié)構(gòu)中,1 μm厚度的永磁薄膜作為敏感元件時其DOP與電流的線性度較好,改變幅度相對較小,系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

1光學(xué)電流傳感器測量原理與設(shè)計

1.1　光學(xué)電流傳感器工作原理

石榴石型直流光學(xué)電流傳感器的基本工作原理是Faraday效應(yīng),主要指偏振光在通過平行的外加磁場方向的磁光介質(zhì)后外部磁場會使偏振光的偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角度β由式(1)決定[7-9]

β=V∫lB·dl

(1)

其中,V為磁光材料的費爾德常數(shù);B為通光路徑方向的磁場強度;l為偏振光在磁光介質(zhì)中的光程,即磁光材料的厚度。

測量時,將傳感頭固定在被測電流導(dǎo)線的一側(cè),使電流產(chǎn)生的磁場方向與光傳播方向平行,假設(shè)電流導(dǎo)線中心到光軸的垂直距離為r。根據(jù)安培環(huán)路定律,通電長直導(dǎo)線在光軸上距電流導(dǎo)線水平距離x處的磁場強度為

(2)

式中,u0為真空磁導(dǎo)率;I為導(dǎo)線上電流大小。沿光軸方向的磁場強度為

(3)

將式(3)代入式(1)可得

(4)

由式(4)可知,偏振光的振動面旋轉(zhuǎn)角φ和被測電流大小I成線性關(guān)系[10]。

TXP偏振計可通過測量偏振光的振動面和水平方向的線偏振光的振動面夾角來實現(xiàn)對偏振光旋轉(zhuǎn)角度、斯托克矢量、偏振度等參數(shù)的測量,并通過軟件對測量數(shù)據(jù)進行采集。假設(shè)入射到偏振計的偏振光的預(yù)偏角度為α,則

(5)

1.2　光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

石榴石型直流光學(xué)電流傳感主要由激光器、起偏器、保偏光纖、鍍永磁薄膜石榴石傳感頭、TXP偏振計等部分組成,其主要有透射式和反射式兩種光路結(jié)構(gòu)。傳感器測量時只需使用固定夾具將傳感頭固定在通電導(dǎo)線附近,并使導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場強度B與光傳播方向平行,激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過分束器后通過起偏器后變?yōu)榫€偏振光入射到傳感頭并在磁場作用下產(chǎn)生偏振面的旋轉(zhuǎn),角度為β。出射偏振光通過透鏡聚焦后經(jīng)由TXP偏振計進行數(shù)據(jù)采集處理,獲得偏振光預(yù)偏角α和線偏振光的振動面夾角θ以及偏振態(tài)DOP,由此便可建立測量角度θ、偏振態(tài)DOP與被測電流的關(guān)系,由此通過偏振計獲取測量角度θ便可反推被測電流大小并可研究不同厚度的永磁薄膜對傳感器性能的影響。傳感器的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　直流光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)原理圖

傳感器采用石榴石或不同厚度的石榴石/Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(500 nm)/Ta(50 nm)(偏磁薄膜)作為敏感元件。石榴石的尺寸為0.39 mm×3 mm×3 mm,偏磁薄膜采用直流磁控濺射法制備,條狀薄膜間距為200 μm,周期為400 μm,激光從條狀薄膜之間的石榴石穿過。偏磁薄膜能固定電流產(chǎn)生的磁場在石榴石中的方向,使得傳感器的測量精度和穩(wěn)定性提高,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖

2實驗與結(jié)果分析

2.1　直流光學(xué)電流互感器靈敏度分析

為了研究不同厚度偏磁薄膜的石榴石作為敏感元件的傳感器測試電流時的靈敏性和系統(tǒng)穩(wěn)定性,將設(shè)計好的傳感器在實驗室條件下進行模擬大電流的測試,所用測試系統(tǒng)原理圖如圖1(b)所示,波長為1 550 nm的高穩(wěn)定度光纖激光經(jīng)過光纖耦合器耦合后再依次經(jīng)分束鏡、起偏器、敏感元件、透鏡,最終到達TXP偏振計。電流大小由SLQ-82升流器控制,在實驗中實現(xiàn)0～3 000 A區(qū)間精度為1 A的電流控制;電流產(chǎn)生磁場方向與光線路徑一致;偏振儀的采樣速率為333點/秒,光強分辨力0.1 nW/cm2。測試數(shù)據(jù)如圖3所示,左圖為采用反射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)互感器在實驗中測得的方位角隨電流變化曲線,右圖為采用透射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流互感器的測量結(jié)果的關(guān)系曲線圖。由圖可看出,通過改變敏感元件到導(dǎo)線的距離可改變直流互感器的靈敏度,不同光路結(jié)構(gòu)互感器的方位角的起始角度不同,且不同厚度的永磁薄膜敏感元件樣品的方位角預(yù)置角度也不同,而同一光路結(jié)構(gòu)互感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件樣品,在實驗測量過程中其方位角與電流大小關(guān)系的斜率基本相同,且線性度高。

圖3　兩種結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流傳感器的 偏振光方位角和電流關(guān)系曲線

2.2　直流光學(xué)電流傳感器穩(wěn)定性分析

偏振度(DOP)表示入射偏振光中線偏振光光強占總光強的比重,在采用光強探測法測量法拉第旋轉(zhuǎn)角中DOP的改變會影響最終的測量精度。其計算公式為[11]

S1=cos2θcos2β

(6)

S2=sin2θcos2β

(7)

S3=sin2β

(8)

(9)

式中,S0、S1、S2、S3為斯托克矢量,其中S0=1,θ為方位角,β為橢圓率角。磁光材料的各向異性導(dǎo)致線偏振光通過置于導(dǎo)電板附近的石榴石磁光材料時其偏振態(tài)發(fā)生改變,而這種偏振態(tài)的改變能夠使線偏振光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光,這使得TXP偏振計采集到的偏振光中的線偏振光的比重降低,影響了光學(xué)電流傳感器的測量精度以及長期運行的穩(wěn)定性,為此文中有針對性地對采集了兩種不同光路結(jié)構(gòu),且采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作為敏感元件的直流光學(xué)電流互感器的DOP隨電流改變的數(shù)據(jù)信息進行分析處理,實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　兩種結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流傳感器的 偏振態(tài)(DOP)和電流關(guān)系曲線

3結(jié)束語

本文針對不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作為敏感元件的直流光學(xué)電流傳感器進行測試,并設(shè)計了兩種不同光路結(jié)構(gòu),研究了不同厚度的永磁薄膜光學(xué)電流傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明,同一光路結(jié)構(gòu)的傳感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件樣品在實驗測量過程中方位角與電流大小關(guān)系的斜率基本相同,且線性度高、靈敏度高;而在反射式光路結(jié)構(gòu)中,2 μm厚度的永磁薄膜作為敏感元件時其DOP與電流的線性度最好,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,在透射式光路結(jié)構(gòu)中,1 μm厚度的永磁薄膜作為敏感元件時其DOP與電流的線性度較好,改變幅度相對較小,且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

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