菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖測(cè)試中的應(yīng)用

茅 昕

（長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖測(cè)試中的應(yīng)用

茅 昕

（長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖是全光纖電流互感器中的一種關(guān)鍵材料。本文提出在評(píng)估高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的高低溫性能時(shí)，使用光纖端面菲涅爾反射的方法替代在光纖端面鍍膜加工反射鏡，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖；光纖電流互感器；高低溫循環(huán)

0 引言

光纖電流互感器（Fiber Optic Current Transformer，F(xiàn)OCT）是一種基于法拉第磁光效應(yīng)、以光纖為測(cè)量和傳輸介質(zhì)的電流測(cè)量設(shè)備,具有抗電磁干擾、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、可測(cè)量直流、便于與高壓設(shè)備集成等優(yōu)點(diǎn)[1]。限制FOCT廣泛應(yīng)用的主要因素是其測(cè)量精度易受到環(huán)境溫度變化的影響。在實(shí)踐中可通過(guò)改進(jìn)高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的溫度系數(shù)等工藝手段提升FOCT的溫度性能。與工藝改進(jìn)相配合的是對(duì)改進(jìn)后的材料進(jìn)行在線高低溫測(cè)試。如能縮短測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)間和降低測(cè)試成本，對(duì)于推進(jìn)FOCT的技術(shù)發(fā)展具有積極作用。

本文研究了光功率變化對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響，提出用端面菲涅爾反射替代端面鍍高反射膜，并通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試對(duì)所提方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)信噪比分析

光纖電流互感器由光源、無(wú)源光器件、光探測(cè)器、電信號(hào)運(yùn)放采集、電信號(hào)處理這幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)的主要噪聲源為散粒噪聲、熱噪聲和探測(cè)器接收的相對(duì)強(qiáng)度噪聲[2]，信噪比的計(jì)算表達(dá)式為：

式1中，dS為系統(tǒng)輸出，散粒噪聲svσ 、相對(duì)強(qiáng)度噪聲svσ 都與系統(tǒng)光功率有關(guān)，熱噪聲hvσ 則是由探測(cè)器跨阻抗放大器轉(zhuǎn)換電阻上電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的。系統(tǒng)經(jīng)閉環(huán)反饋控制后，探測(cè)器的電信號(hào)輸出表達(dá)式為：

式2中dS為探測(cè)器電信號(hào)輸出，PK 為光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換系數(shù)，oI為光源輸出光強(qiáng) ，L為光路損耗，fφ為法拉第效應(yīng)相移, mφ為系統(tǒng)調(diào)制引入的相移。式3中N為高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖繞制的線圈匝數(shù)，V為光纖的維爾德常數(shù)，I為系統(tǒng)檢測(cè)電流強(qiáng)度。

系統(tǒng)的輸出電信號(hào)靈敏度與系統(tǒng)光源輸出光強(qiáng)度、傳感光纖圈數(shù)、待測(cè)電流大小等參數(shù)相關(guān)。為保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性，一般不調(diào)整傳感光纖圈數(shù)和待測(cè)電流大小，當(dāng)僅改變系統(tǒng)光功率大小時(shí)，光功率與系統(tǒng)信噪比的關(guān)系如圖1所示。

圖1 信噪比-系統(tǒng)光功率曲線

2 光纖電流互感器性能的評(píng)價(jià)機(jī)制

光纖電流互感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)是溫度穩(wěn)定性，特別是電流傳感部分的溫度穩(wěn)定性[3]。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，電力行業(yè)內(nèi)總結(jié)出限制FOCT廣泛應(yīng)用的主要因素是其測(cè)量精度易受到環(huán)境溫度變化的影響?？赏ㄟ^(guò)將FOCT的傳感部件置于高低溫箱內(nèi)的方式測(cè)試在外部溫度條件發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)的性能變化程度。電力行業(yè)內(nèi)定義：比例誤差=(被檢互感器二次電流-標(biāo)準(zhǔn)互感器二次電流)/標(biāo)準(zhǔn)互感器二次電流。其中被檢互感器和標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次電流通過(guò)互感器校驗(yàn)儀實(shí)時(shí)同步采集，互感器校驗(yàn)儀的輸出結(jié)果即為各時(shí)刻的比例誤差。

電力行業(yè)要求FOCT設(shè)備在其額定電流工作條件下，在全溫度變化范圍內(nèi)其比例誤差應(yīng)在±0.2%以內(nèi)?？紤]到系統(tǒng)工作時(shí)可在調(diào)制方式、λ/4波片制備工藝等方面進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此對(duì)于電流傳感部分優(yōu)先考察其受溫度影響導(dǎo)致比例誤差變化的重復(fù)性，其次是希望當(dāng)僅有傳感光纖部分處于變溫條件時(shí)，其全變溫范圍內(nèi)的比例誤差應(yīng)在±2%以內(nèi)。當(dāng)處于穩(wěn)定溫度條件下，其比例誤差應(yīng)在±0.2%以內(nèi)。

3 基于菲涅爾反射的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

當(dāng)光入射到折射率不同的兩個(gè)媒質(zhì)分界面時(shí)，一部分光會(huì)被反射，這種現(xiàn)象稱為菲涅爾反射。如果光在光纖中的傳輸路徑為光纖端面到空氣時(shí)，由于光纖和空氣的折射率不一樣，在光纖的端面處將產(chǎn)生菲涅爾反射。系統(tǒng)的其余設(shè)置和制備工藝保持不變，僅將反射鏡替換為菲涅爾反射面。實(shí)驗(yàn)中光纖端面通過(guò)光纖切割刀切斷光纖獲得，并進(jìn)行拋光研磨。經(jīng)拋光研磨后，光纖端面的反射率約為7%。

將FOCT的傳感光纖置于高低溫箱內(nèi)，使其處于-40°C~ 70°C的溫度循環(huán)狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)300安培的交流測(cè)試電流。在互感器校驗(yàn)儀上連續(xù)記錄系統(tǒng)輸出值與實(shí)際電流值之間的偏差，記為比例誤差。

圖2 端面菲涅爾反射時(shí)記錄的實(shí)時(shí)電流波形和高低溫比例誤差曲線

如圖2所示，由于反射光功率下降引起的系統(tǒng)信噪比劣化，系統(tǒng)輸出的正弦波形發(fā)生了較大的畸變，每一個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的恒溫比例誤差也超過(guò)了±0.6%以上。此時(shí)僅能從趨勢(shì)上判斷比例誤差隨溫度上升而增加，對(duì)于該被測(cè)高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的恒溫性能難以做出定量判斷。

根據(jù)對(duì)FOCT系統(tǒng)信噪比的分析，可以認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)中光功率降低時(shí)，散粒噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲也均會(huì)隨光功率下降而降低，系統(tǒng)中的熱噪聲成為主要的噪聲來(lái)源。熱噪聲屬于白噪聲，當(dāng)系統(tǒng)中的噪聲主要為白噪聲時(shí)，可通過(guò)累加平均的方式提高系統(tǒng)的信噪比。

因在反饋控制狀態(tài)下，系統(tǒng)對(duì)電流值的檢測(cè)輸出與電流的大小關(guān)系是一階線性的；同時(shí)按照比例誤差的計(jì)算表達(dá)式，系統(tǒng)的比例誤差與檢測(cè)電流輸出值的關(guān)系也是一階線性的，因此可將實(shí)驗(yàn)記錄的比例誤差值進(jìn)行累加平均，以對(duì)應(yīng)系統(tǒng)信噪比提高后的測(cè)試結(jié)果。

作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照，將同類型的高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖進(jìn)行端面處理鍍膜形成反射率約為99.7%的反射鏡，并按同等測(cè)試條件對(duì)此種類型的傳感光纖進(jìn)行了高低溫性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖3所示

圖3 端面鍍反射膜測(cè)試數(shù)據(jù)與累加平均后的端面菲涅爾反射測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

當(dāng)系統(tǒng)光功率下降時(shí)，光纖電流互感器的信噪比也會(huì)隨之下降，從而導(dǎo)致比例誤差增大。由于在低光功率的條件下，系統(tǒng)的主要噪聲來(lái)源是熱噪聲。本文設(shè)計(jì)了采用光纖切割刀切割光纖端面產(chǎn)生菲涅爾反射的方式替代在光纖鍍膜加工反射鏡，并采用累加平均的方法提高系統(tǒng)的信噪比。累加平均后的數(shù)據(jù)曲線與鍍反射鏡后的結(jié)果基本一致，可用來(lái)近似分析系統(tǒng)在高低溫時(shí)的性能，進(jìn)而分析高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的溫度性能。通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方式，可省去一般實(shí)驗(yàn)中必須的光纖鍍膜工藝過(guò)程，有利于縮短高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的測(cè)試周期和測(cè)試成本，對(duì)于推進(jìn)光纖電流互感器的技術(shù)發(fā)展具有積極作用。

[1]肖智宏.電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器的研究與評(píng)述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(12)：148-154.

[2]王立輝，伍雪峰，孫健等.光纖電流互感器噪聲特征及建模方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(1)：62-66.

[3]胡蓓，葉國(guó)雄，肖浩等.全光纖電流互感器關(guān)鍵狀態(tài)量及其監(jiān)控方法[J].高電壓技術(shù)，2016，42(12)：4026-4032.

Application of Finel reflection mirror in high birefringence rotating optical fiber test

Mao Xin
（Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company，Wuhan Hubei, 430073）

High birefringent spun fiber is a key material in FOCT(Fiber Optic Current Transformer) system.

A new method of using Fresnel reflection instead of reflecting coating method is introduced to reduce the cost when evaluating the temperature property of high birefringent spun fiber. Results indicate the equivalence of both methods.

High Birefringent Spun Fiber;Fiber Optic Current;TransformerTemperature cycling