偏振調(diào)制型光纖智能電流傳感器的研究

杜召杰， 王輝林

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

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偏振調(diào)制型光纖智能電流傳感器的研究

杜召杰， 王輝林

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：為了實現(xiàn)電流的數(shù)字化和智能化實時測量，提出了基于法拉第磁光效應(yīng)，利用混合型光纖電流傳感器的差動測量技術(shù).采用雙光路差動測量，既增強了抗干擾能力，又提高了實時測量速度；利用光纖作為傳輸介質(zhì)，抗電磁干擾能力強，可實現(xiàn)遠距離測量.通過理論分析，設(shè)計了傳感器結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，并對結(jié)果進行了仿真.試驗表明該方法可以實現(xiàn)對電流的測量，并具有智能化特點.

關(guān)鍵詞：磁光效應(yīng)； 電流傳感器； 差動測量； 光纖

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化、智能化成為電流傳感器發(fā)展的必然趨勢.傳統(tǒng)的電磁式電流互感器存在絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、易產(chǎn)生磁飽和等諸多缺點，越來越難適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需求[1].盡管不少學(xué)者對基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器進行了大量研究，但多數(shù)文獻都從光學(xué)和磁性材料特性方面進行研究[2]，仍缺乏快速高效的偏振光旋轉(zhuǎn)角檢測方法.精度較高的旋轉(zhuǎn)角測量方法有倍頻法和消光法，但測量誤差較大，且很難實現(xiàn)智能化的實時測量.在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，提出偏振調(diào)制型光纖智能電流檢測技術(shù)，利用快速測量偏振光旋轉(zhuǎn)角度的測量方案，實現(xiàn)電流傳感器的實時測量和智能化.采用光纖作為測量信號傳輸介質(zhì)，具有良好的電氣絕緣性和很快的頻率響應(yīng)速度[3]，不受電磁輻射干擾和磁飽和現(xiàn)象的影響.

1原理分析

1.1磁光電流傳感器檢測原理

當線偏振光在磁光介質(zhì)中傳播時，受磁場的作用，其偏振面相對于入射線偏振光發(fā)生了一定的旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)[4].法拉第旋轉(zhuǎn)角為

(1)

式中:d為磁光介質(zhì)厚度(mm)；θF為光傳播方向單位長度的旋轉(zhuǎn)角，稱為法拉第旋光率；V為費爾德常數(shù)；B為磁感應(yīng)強度.載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度遵守安培環(huán)路定律[5]：

B=μ0I/2πr

(2)

式中:μ0=4π×10-7;r為光學(xué)介質(zhì)中光路中某點與電流導(dǎo)線中心的距離.因此，可由式(2)結(jié)合已知的磁感應(yīng)強度求出長直導(dǎo)線中的電流I：

(3)

根據(jù)馬呂斯定律可知，激光經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€偏振光，再經(jīng)檢偏器輸出的光強為

I(α)=I0cos2α

(4)

式中:α為起偏器和檢偏器光軸之間的夾角;I0為α=0時的輸出光強.α=45°時，磁光調(diào)制幅度最大[6].

1.2常規(guī)測量方法

磁光調(diào)制倍頻法測量裝置如圖1所示.調(diào)整檢偏器，使示波器上出現(xiàn)倍頻信號.放入磁光介質(zhì)，旋轉(zhuǎn)檢偏器(角度盤就與之同軸旋轉(zhuǎn))，當α+θ=90°(“消光”位置)時，示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號.根據(jù)被測樣品放入前后兩次出現(xiàn)倍頻信號時的測角儀位置，即可確定被測樣品的法拉第旋轉(zhuǎn)角θ[7].

圖1　倍頻法測量裝置

消光法測量裝置如圖2所示.調(diào)整檢偏器使其處于消光位置，放入磁光介質(zhì)后，由于偏振光發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，所以后續(xù)電路檢測到光電信號，旋轉(zhuǎn)檢偏器(測角儀)再次回到消光位置，前后兩次角度之差.即為偏振光的旋轉(zhuǎn)角度[8].

圖2　消光法測量裝置

由分析可知，倍頻法和消光法都是基于馬呂斯定律，利用前后兩次光功率的變化來標記偏振光的旋轉(zhuǎn).兩種方法中，由于主觀判斷引入了人為因素的誤差，而且都是依靠手動旋轉(zhuǎn)檢偏器的角度盤得到測量值，因此無法實現(xiàn)快速高效及智能化.

過往研究的成果說明,影響一流論文產(chǎn)出的因素有許多,大部分研究者僅僅重點關(guān)注了單一的因素。一流論文是如何產(chǎn)出的?這個問題鮮有學(xué)者進行較為全面的思考。學(xué)者們關(guān)注較多的是科研人員的內(nèi)在因素和科研投入,鮮有學(xué)者關(guān)注科研人員面臨的外部競爭環(huán)境。近年來,我國科研論文數(shù)量逐年上升,科研人員之間競爭的激烈程度也在增加,但高質(zhì)量論文的數(shù)量并不多,仍存在大量零被引論文。20世紀90年代開始,日本的諾貝爾獎獲得者越來越多,甚至出現(xiàn)了“井噴”的態(tài)勢,日本學(xué)者在諸多領(lǐng)域獲得了高質(zhì)量的研究成果。我們可以通過對日本高被引論文作者的研究來分析高質(zhì)量論文產(chǎn)出的影響因素,并對我國建設(shè)世界一流大學(xué)、一流學(xué)科提出相關(guān)的建議。

1.3智能化檢測方法

偏振光的偏振方向與光束的能量無關(guān)[9]，故可采用雙光路測量，測量原理如圖3(a)所示.將偏振光束采用分光鏡分為兩束，分別通過兩組磁光介質(zhì)、檢偏器和光電探測系統(tǒng)，同時對兩束光進行測量.為該測量系統(tǒng)設(shè)計的傳感器探頭如圖3(b)所示.

(a)測量原理圖　　　　 　　　　　(b)傳感器探頭圖3　智能測量原理圖

由激光器發(fā)出的光束，經(jīng)起偏器變?yōu)榫€偏振光，利用分光鏡分成兩路，由光纖傳導(dǎo)至傳感器探頭.傳感器探頭相當于一個磁光調(diào)制器，對偏振光旋轉(zhuǎn)方向進行調(diào)制.由于母線(通電直導(dǎo)線)周圍感生磁場，且在A、B兩處的磁場大小相等，方向相反.對于磁光介質(zhì)，法拉第旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場方向決定，與光的傳播方向無關(guān)[10].當偏振光通過A、B兩處磁光介質(zhì)時，發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度大小相等，方向相反，對A、B兩處旋光性的解釋如圖4所示.為使磁光調(diào)制的幅度最大，兩個檢偏器都設(shè)置成與起偏器成45°.利用光電探測器，將接收到的光強大小轉(zhuǎn)化為光電流的大小.雙光路構(gòu)成差動測量，既提高了靈敏度，又抑制了共模干擾及溫度漂移.

圖4　旋光性解釋

由式(4)得A處光強為

I(α)=I0cos2(45°+θ)

(5)

B處光強為

I(β)=I0cos2(45°-θ)

(6)

差動放大后得到的信號為

(7)

式中，A為差動放大倍數(shù).因為偏振光在磁光調(diào)制器中偏轉(zhuǎn)的角度θ很小，故該方程有很好的線性.當θ在±10°內(nèi)變化時，取A=1,I0=1.仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5　仿真曲線

由以上分析可知，電流大小和偏振光旋轉(zhuǎn)角存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可以把實時檢測導(dǎo)體中電流的大小轉(zhuǎn)換為檢測偏振光旋轉(zhuǎn)角的大小.智能檢測系統(tǒng)框圖如圖6所示.

為了抑制外界光干擾，使用頻率為10kHz的正弦波光源.待測電流對光源信號進行幅度調(diào)制，光電探頭輸出的信號轉(zhuǎn)變成調(diào)幅電壓信號，經(jīng)過帶通濾波、解調(diào)、低通濾波以后，被測電流的信息被解調(diào)出來，再經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理和計算，并可通過CAN總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心.

圖6　智能檢測系統(tǒng)框圖

2實驗研究及誤差分析

2.1實驗研究

磁光介質(zhì)選用費爾德常數(shù)相對較大的抗磁性材料BGO晶體，其費爾德常數(shù)的溫度穩(wěn)定性較好而且光彈系數(shù)較小[11].在實驗室條件下，利用LMG-II晶體磁光效應(yīng)儀提供磁場，加載直流電流后，磁光效應(yīng)儀直流磁場部分形成特定大小磁場，改變加載電流大小，磁感應(yīng)強度B相應(yīng)改變.

在相同條件下，利用倍頻法和消光法對相同的磁光介質(zhì)進行偏轉(zhuǎn)角的測量，形成對比試驗的數(shù)據(jù)1、2，利用本文研究的傳感器測量出偏轉(zhuǎn)角度θ，得數(shù)據(jù)3.改變加載電流I得到相應(yīng)不同偏轉(zhuǎn)角度θ，連續(xù)測量多次求平均值，測量結(jié)果見表1.

表1測量結(jié)果

I/A0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0數(shù)據(jù)1/(°)0.3110.6471.0561.3151.7111.9732.2432.4972.6692.853數(shù)據(jù)2/(°)0.3230.6530.9871.3081.7072.1042.2392.4862.7212.849數(shù)據(jù)3/(°)0.3120.6331.1141.2971.8012.0162.2412.5232.7192.864

表1數(shù)據(jù)表明，在一定電流范圍內(nèi)3種方法測量結(jié)果具有相似性，說明雙光路差動測量的智能化檢測方法是可行的，由數(shù)據(jù)得到測量曲線如圖7所示.

圖7　結(jié)果對比圖

2.2誤差分析

智能化檢測方法的優(yōu)點在于其智能化和高速實時測量，測量速度主要由處理器的運算能力和速度決定.為了減小測量誤差，必須確保起偏器與檢偏器光軸之間夾角值的精確.選擇磁光介質(zhì)時應(yīng)根據(jù)量程選擇合適的參數(shù)，保證法拉第旋轉(zhuǎn)角在一個理想的取值區(qū)間.同時，應(yīng)選擇合適的光纖材料，并利用透鏡耦合等方式，增加光纖耦合的效率，進一步減少誤差[12].因為測量光路利用了雙光路差動測量，所以可以很好地抑制由溫度漂移引起的誤差及其他因素造成的共模干擾，軟硬件的結(jié)合體現(xiàn)了傳感器的智能化特點.此外，光電轉(zhuǎn)換效率不高也是造成誤差的一個重要因素，因此應(yīng)選擇光電轉(zhuǎn)換效率高的光電探測器.

3結(jié)束語

利用法拉第磁光效應(yīng)，將偏振態(tài)測量與電流測量技術(shù)相結(jié)合，具有非接觸測量、絕緣性好、抗干擾能力強、量程大等優(yōu)點.利用單片機及CAN總線技術(shù)，有利于實現(xiàn)電流實時在線監(jiān)測的數(shù)字化和智能化.利用雙光路差動測量技術(shù)，提高了測量速度，抑制了溫度漂移及共模干擾.在光源部分，利用半導(dǎo)體直接調(diào)制技術(shù)，有效抑制了外界雜散光的干擾.仿真及試驗結(jié)果證明該方法在一定區(qū)間內(nèi)有很好的線性.對比試驗表明，智能化檢測方法可以實現(xiàn)對電流的測量，對電流傳感器的高速化、智能化發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義.

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(編輯：郝秀清)

Study on the polarization modulated fiber optic current sensor

DU Zhao-jie, WANG Hui-lin

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:In order to realize the digital and intelligent real-time measurement of current, we proposed a differential measurement technique by fiber optic current sensor, based on Faraday magneto optic effect. Dual optical path differential measurement can enhance the anti-interference ability, and improve the real-time measurement speed. Using optical fiber as transmission medium,we can improve anti-electromagnetic interference ability, and realize remote measurement. Through theoretical analysis,we designed sensor structure,established a mathematical model, and carried out the simulation results. The test shows that the method can realize the measurement of the current, and with intelligent features.

Key words:magneto optic effect; current sensor; differential measurement; optical fiber

中圖分類號：TM452.93

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)03-0046-04

作者簡介：杜召杰 ，男，1246233277@qq.com; 通信作者:王輝林，男，ckjs@sdut.edu.cn

收稿日期：2015-09-04