高靈敏度全光纖電流傳感器研究進(jìn)展

劉闖闖，朱學(xué)華，蘇 浩

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，蕪湖 241000)

引 言

電流測量是電力系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。傳統(tǒng)電網(wǎng)中采取電磁式互感器作為電流測量器件，對電力系統(tǒng)進(jìn)行電流監(jiān)測、電力分配以及繼電保護(hù)等。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，新一代智能電網(wǎng)已經(jīng)成為全球各國電網(wǎng)改革和發(fā)展的重要領(lǐng)域[1]。它通過先進(jìn)的傳感測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)的自動監(jiān)測和控制，同時可以對不同地區(qū)進(jìn)行電力調(diào)控，使得電力資源得到合理分配，保障電力的安全、可靠、高效。

傳統(tǒng)電磁式互感器在安全性等方面存在著致命缺陷，逐漸不能滿足電力系統(tǒng)的測量需求，因此全光纖電流傳感器(all fiber optical current sensor,AFOCS)應(yīng)運(yùn)而生。全光纖電流傳感器是光纖傳感技術(shù)和法拉第效應(yīng)結(jié)合形成的完美產(chǎn)物，具有抗電磁干擾、高測量動態(tài)范圍和高精度、低功耗、低成本以及絕緣等顯著優(yōu)勢[2-3]，而且可以進(jìn)行長距離傳輸，是智能電網(wǎng)中電流監(jiān)測的主要設(shè)備之一[4]。在全光纖電流傳感器中利用光纖作為信號的傳輸媒質(zhì)和傳感元件來獲取通電導(dǎo)體的電流信息，它的基本原理是通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場使繞制在周圍的光纖中傳輸?shù)淖?、右圓偏振光的傳輸速度發(fā)生變化，通過產(chǎn)生的非互易性相位差實(shí)現(xiàn)對電流的測量[5]。因此，影響這種非互易性相位差發(fā)生變化的因素就是AFOCS的誤差來源，這些誤差來源可大致分為光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和對外界環(huán)境變化的敏感性，包括傳感光纖中殘余線性雙折射[6]、溫度[7]、振動、應(yīng)變等。信號處理模塊的算法不是最優(yōu)也會對最終實(shí)驗結(jié)果造成影響。為了減小或消除這些因素給AFOCS帶來的影響，國內(nèi)外研究人員設(shè)計了多種方案，如使用退火光纖[8]、低雙折射光纖來消除因光纖自身彎曲產(chǎn)生的線性雙折射，或是利用螺旋光纖[9]引入大量圓雙折射來抑制線性雙折射，還可以通過采用扭轉(zhuǎn)高雙折射光纖[10]、法拉第旋光鏡[11]等降低AFOCS對溫度、振動等因素的敏感性來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度等等。這些研究方案在一定程度上改善了AFOCS的測量精度和抗干擾能力，具有十分重要的實(shí)用價值。

本文中首先論述了影響AFOCS性能的主要因素，在此基礎(chǔ)上深入探討了解決溫度、線性雙折射等影響因素的國內(nèi)外研究方案和關(guān)鍵技術(shù)，并分析其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，最后總結(jié)一些改進(jìn)型的AFOCS，并對AFOCS的未來發(fā)展趨勢提出展望。

1 全光纖電流傳感器的基本理論和結(jié)構(gòu)分析

全光纖電流傳感器基于法拉第效應(yīng)，采用光纖作為傳輸媒質(zhì)和傳感元件。法拉第效應(yīng)是傳感光纖中的偏振光受到電流產(chǎn)生的磁場作用發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象(見圖1)，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角。圖1中，E表示偏振光所處的偏振面，H表示磁場強(qiáng)度(A/m),L表示偏振光穿過介質(zhì)的長度(m)，θ表示法拉第旋轉(zhuǎn)角(rad)。法拉第旋轉(zhuǎn)角的大小和磁場強(qiáng)度以及磁場與光傳播方向夾角的余弦值成正比，可描述為[12]：

式中，V表示費(fèi)爾德常數(shù)(rad/A)。

圖1 法拉第效應(yīng)示意圖

法拉第效應(yīng)和自然旋光的原理都是基于菲涅耳旋光性，但是前者具有非互易性，即當(dāng)偏振光被反射鏡反射后在介質(zhì)中往返一次，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將會加倍，而不是像自然旋光那樣轉(zhuǎn)回起始位置。

根據(jù)光路結(jié)構(gòu)和信號檢測方式不同，AFOCS可分為偏振型和干涉型兩大類。兩者的區(qū)別是：偏振型AFOCS的結(jié)構(gòu)中不存在相位調(diào)制器，直接通過檢測輸出光信號的光強(qiáng)關(guān)系得到法拉第旋轉(zhuǎn)角，繼而求得待測電流值；而干涉型AFOCS是利用調(diào)制器對光信號的相位進(jìn)行調(diào)制，通過檢測輸出干涉光的相位差得到待測電流大小。

1.1 偏振型AFOCS

偏振型AFOCS的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器形成線偏振光進(jìn)入光纖環(huán)中，出射的線偏振光經(jīng)檢偏器達(dá)到信號處理模塊，然后對信號進(jìn)行分析處理，這種結(jié)構(gòu)稱為單光路檢測[13]。

圖2 單光路檢測的偏振型AFOCS

這種結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是無法對直流進(jìn)行測量，因此德國學(xué)者PAPP和HARMS提出基于Wollaston棱鏡的雙光路檢測方案(如圖3所示)，實(shí)現(xiàn)了對直流的測量以及對溫度的補(bǔ)償，目前通常采用光纖偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)代替Wollaston棱鏡來降低系統(tǒng)損耗[14]。

圖3 雙光路檢測方案

它的基本原理是Wollaston棱鏡將出射的線偏振光分為兩路正交的偏振光，然后由兩個探測器分別檢測兩路光信號的光強(qiáng)，根據(jù)這兩路偏振光的光強(qiáng)與法拉第旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系，可以計算出法拉第旋轉(zhuǎn)角的數(shù)值：

式中，P定義為偏振度，表示兩路光強(qiáng)之間的關(guān)系，Lx和Ly分別表示兩路正交偏振光的光強(qiáng)。

這種結(jié)構(gòu)雖然有效地提高了系統(tǒng)的靈敏度，但是對外界環(huán)境的變化十分敏感[15]，因此一般會采用低雙折射光纖、旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖作為AFOCS的傳感光纖，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是這些特殊材料會使得成本增加。

1.2 干涉型AFOCS

干涉型AFOCS是通過檢測輸出光信號相位的變化來獲取被測對象的相關(guān)信息，可以從結(jié)構(gòu)上分為Sagnac型和反射式兩種結(jié)構(gòu)。

1.2.1 Sagnac型AFOCS 圖4所示是Sagnac型AFOCS的基本結(jié)構(gòu)示意圖[16-17]。光源發(fā)出的光信號經(jīng)起偏器起偏后形成線偏振光，再由耦合器分成兩路相同的信號，分別被λ/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光以相反的方向進(jìn)入光纖環(huán)中進(jìn)行循環(huán)，然后攜帶待測電流信息的兩路光信號在起偏器處發(fā)生干涉，最終由探測器進(jìn)行接收。

圖4 Sagnac型AFOCS

根據(jù)法拉第效應(yīng)中的非互易性原理，這種結(jié)構(gòu)測得的法拉第旋轉(zhuǎn)角是偏振型AFOCS的兩倍，因此它對外界的敏感性遠(yuǎn)低于偏振型結(jié)構(gòu)。但是從圖中可以看出，Sagnac型AFOCS使用了兩個λ/4波片，由于λ/4波片對外界變化十分敏感，同時它對制造工藝的要求比較高，所以導(dǎo)致成本增加。

1.2.2 反射式AFOCS 反射式是干涉型AFOCS的另一種結(jié)構(gòu)，又被稱為in-line結(jié)構(gòu)[18]，常用的反射鏡主要是正交共軛反射鏡(orthogonal conjugate reflector，OCR)和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday rotation mirror，F(xiàn)RM)。反射式AFOCS的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器形成線偏振光，被45°熔接點(diǎn)分為兩束相互垂直的偏振光，再由λ/4波片轉(zhuǎn)化為左右圓偏振光進(jìn)入光纖環(huán)中。當(dāng)兩束圓偏振光達(dá)到光纖環(huán)末端時被反射鏡反射后以相反的方向再次通過光纖環(huán)，最后在起偏器處發(fā)生干涉，再由探測器將信息采集[12]。由于光信號在光纖環(huán)中經(jīng)歷了兩次法拉第旋轉(zhuǎn)，因此測得的法拉第旋轉(zhuǎn)角是偏振型結(jié)構(gòu)的4倍。

圖5 反射式AFOCS

反射式AFOCS可以將互易性旋光相互抵消，大大降低了系統(tǒng)對溫度、振動等因素的影響，同時這種結(jié)構(gòu)用到的光學(xué)器件相對較少，避免了一些不必要的損耗，因此靈敏度和穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于以上兩種基本結(jié)構(gòu)的AFOCS。但由于兩束左右圓偏振光需要進(jìn)行同時調(diào)制，而一般的相位調(diào)制器很難實(shí)現(xiàn)雙軸調(diào)制，所以這種結(jié)構(gòu)的輸出信號會受到一定的影響[19]。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展

AFOCS的發(fā)展自20世紀(jì)70年代持續(xù)至今，但是仍不能被大規(guī)模實(shí)用的主要原因是靈敏度低以及長期運(yùn)行中穩(wěn)定性差，以下主要針對溫度、線性雙折射以及數(shù)據(jù)處理算法等影響因素進(jìn)行分析討論。

2.1 溫度補(bǔ)償方案

AFOCS的靈敏度對外界溫度的變化(-40℃～70℃)十分敏感[20]，它主要通過3種方式對靈敏度造成影響：直接影響光源輸出的波長[21]；引起傳感光纖中產(chǎn)生線性雙折射[22]；λ/4波片的相位延遲也會受到溫度變化的影響[23]。

2.1.1 光源補(bǔ)償方案 AFOCS要求光源必須是恒溫和恒流，一般采用半導(dǎo)體激光器溫控電路，應(yīng)用在分布反饋(distributed feedback，DFB)可調(diào)諧二極管激光器上進(jìn)行實(shí)際測量，得到輸出波長標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2×10-6、輸出功率標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02mW[24]；還有一種模擬溫度控制方案，利用運(yùn)算放大器、單結(jié)晶體管等元器件控制電源的輸出功率，在實(shí)際測試中當(dāng)溫度為750℃以下時，可以將精度控制在±3℃以內(nèi)[25]。

2.1.2 傳感光纖補(bǔ)償方案 為了消除AFOCS的傳感光纖中殘余線性雙折射，采用手征光子晶體光纖替代普通單模光纖作為傳感線圈[26]。通過模擬結(jié)果表明，將晶格常數(shù)、空氣填充率和旋光率分別設(shè)計為4.5m,0.42和2.9×10-4rad/m時，手性光子晶體光纖不僅具有更好的保偏性能，而且測量精度也提高了一個數(shù)量級。還可以采取一種帶有隔熱腔的新型光纖延遲線圈[27]。這種新型線圈可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同溫度變化誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在光學(xué)電流傳感器、光纖陀螺等傳感領(lǐng)域具有一定的參考價值和實(shí)際意義。此外，合理選擇光纖延遲器也可以使AFOCS在40℃～80℃的溫度變化范圍內(nèi)具有良好的溫度補(bǔ)償[28]。

2.1.3λ/4波片補(bǔ)償方案 使用具有負(fù)溫度系數(shù)的λ/4波片可以有效地補(bǔ)償費(fèi)爾德常數(shù)發(fā)生的正變化[29]，繼而大幅度改善溫度對AFOCS的影響，在實(shí)際使用中展現(xiàn)出了良好的性能。還可以通過設(shè)計λ/4波片補(bǔ)償器對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗證實(shí)在-40℃～85℃之間的輸出誤差小于0.2%[30]。

2.2 抑制線性雙折射

AFOCS中的光纖既是信號傳輸載體又是傳感元件，因此線性雙折射的影響必須盡可能減小。一般產(chǎn)生線性雙折射的原因是光纖結(jié)構(gòu)的非理想化對稱以及彎曲、外力的擠壓等，因此,需要采取合理的方案對其進(jìn)行抑制。

2.2.1 采用新型特殊光纖 經(jīng)過特殊工藝加工的光纖可以有效地抑制線性雙折射，如多邊形保偏光子晶體光纖[31]、退火光纖、扭光纖等，但是退火光纖的機(jī)械強(qiáng)度過低、扭光纖對溫度和應(yīng)力特別敏感，因此,一些新型特殊光纖成為研究人員的研究重點(diǎn)之一。通過設(shè)計一種扭轉(zhuǎn)高雙折射光纖[5]，利用“8”字型特殊繞制方式將這種光纖繞制在骨架上，可以降低對振動、應(yīng)變等因素的敏感性，也可以采用旋轉(zhuǎn)高雙折射(spun high birefringence，SHB)光纖替代普通單模光纖作為AFOCS的傳感光纖，通過結(jié)合法拉第旋光鏡，只需合理設(shè)置λ/4波片的初始相位延遲、溫度系數(shù)以及SHB光纖的旋轉(zhuǎn)比，就可以對線性雙折射進(jìn)行補(bǔ)償。一種新型正五邊形保偏光子晶體光纖也可以用作傳感光纖來抑制線性雙折射[32]，實(shí)驗表明，當(dāng)溫度的變化范圍在-50℃～80℃時，它的線性雙折射變化僅為氫光子晶體光纖的1/10，而且熱穩(wěn)定性和偏振穩(wěn)定性都優(yōu)于普通單模光纖，在AFOCS中具有潛在的應(yīng)用價值。但是由于這些新型特殊光纖制作工藝比較復(fù)雜、成本較高，所以不能普遍應(yīng)用在AFOCS中。

2.2.2 改進(jìn)傳感頭結(jié)構(gòu) 通過改進(jìn)傳感頭的結(jié)構(gòu)可以抑制線性雙折射，如使用法拉第旋光鏡或正交共軛反射鏡放置在傳感光纖末端，或者通過不同的繞制方式將傳感光纖繞制在骨架上等方案都可以有效地抑制線性雙折射，提高AFOCS的靈敏度和抗干擾能力。

2.3 數(shù)據(jù)處理算法的改進(jìn)方案

AFOCS可以通過數(shù)據(jù)處理算法的改進(jìn)來補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。比如通過誤差反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以對溫度進(jìn)行補(bǔ)償[33]，實(shí)現(xiàn)了非線性溫度誤差校正，結(jié)果表明，這種補(bǔ)償效果優(yōu)于最小二乘法的補(bǔ)償效果，用全溫條件下進(jìn)行反復(fù)驗證得出，在-5℃～50℃之間的溫度誤差小于0.5%。通過在原始補(bǔ)償算法中增加一個基于調(diào)制頻率二次諧波幅度的誤差補(bǔ)償單元也可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч鸞34]，這種補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)了AFOCS信號處理模塊的算法優(yōu)化，與未補(bǔ)償?shù)妮敵鱿啾染哂械陀?0倍的誤差，在提升系統(tǒng)可靠性和靈敏度的同時降低了成本。

3 全光纖電流傳感器的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在AFOCS的研究上已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，在交直流穩(wěn)態(tài)電路中實(shí)現(xiàn)了精確測量[35]。為了更有效地改善AFOCS的性能、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度，研究人員提出了一些新型結(jié)構(gòu)的AFOCS。

為解決靈敏度低和系統(tǒng)穩(wěn)定性不足的問題，將單偏振單模(single-polarization single-mode，SPSM)耦合器和光纖環(huán)結(jié)構(gòu)[36]進(jìn)行結(jié)合形成一種新型AFOCS[37]，由于SPSM耦合器只允許慢軸的偏振光通過，因此在光路中可以用作起偏器和檢偏器，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示?；驹硎枪庠窗l(fā)出的光經(jīng)耦合器進(jìn)入三口環(huán)形器中，然后由端口2進(jìn)入光纖環(huán)中進(jìn)行循環(huán)，被末端的正交共軛反射鏡反射后以相反的方向回到三口環(huán)形器，再由端口3返回至光路中。光信號每次經(jīng)過耦合器B時都會有一小部分被耦合到探測器，最終探測器收到一系列被稱為衰蕩光譜的脈沖信號。

圖6 基于SPSM耦合器和光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型AFOCS

實(shí)驗表明，這種新型AFOCS在10℃～80℃的溫度變化范圍內(nèi)，受溫度的影響減小了約17dB；在振動實(shí)驗中，振幅為1mm時可以減小10dB、振幅為10mm時可以減小20dB以上。因此，這種新型結(jié)構(gòu)不僅能顯著降低溫度和振動對系統(tǒng)的干擾，而且簡化了結(jié)構(gòu)、提高了靈敏度和穩(wěn)定性。

基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的AFOCS因高靈敏度和實(shí)用性受到了較多的關(guān)注，為增加傳統(tǒng)環(huán)形腔的循環(huán)次數(shù)，在其基礎(chǔ)上利用光開關(guān)來控制光信號的循環(huán)[38]，結(jié)構(gòu)如圖7所示。光纖激光器(fiber laser，F(xiàn)L)發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器(polarization controller，PC)進(jìn)入聲光調(diào)制器(acoustooptic modulator，AOM)成為脈沖光，然后從端口1進(jìn)入光開關(guān)中，出射光由端口2經(jīng)PBS到達(dá)光電探測器(photodetector，PD)中，最后由數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition card，DAQ)將采集來的信號收集。任意波形發(fā)生器(arbitrary waveform generator，AWG)是用來產(chǎn)生光開關(guān)和AOM的兩路控制信號，通過設(shè)置這兩路控制信號之間的相位差就可以控制光開關(guān)的通斷狀態(tài)，使脈沖光在指定的時刻從端口2耦合出去，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)次數(shù)可調(diào)。

圖7 基于光開關(guān)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型AFOCS

在實(shí)驗中測得當(dāng)光源功率設(shè)定為25mW、循環(huán)7次時，AFOCS的靈敏度達(dá)到7.6°/A；當(dāng)光源功率為35mW、循環(huán)9次時，靈敏度是11.5°/A。對不同的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于10次，靈敏度會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而提高；當(dāng)高于10次以后，輸出的波形發(fā)生嚴(yán)重的形變，這是因為環(huán)境變化等因素已經(jīng)影響了AFOCS的穩(wěn)定性，因此需要合理選擇循環(huán)次數(shù)。

通過將反射式結(jié)構(gòu)和集成光學(xué)偏振分束器(integrated-optic polarization splitter，IOPS)相結(jié)合形成一種新型偏振AFOCS[39]，圖8顯示這種新型結(jié)構(gòu)的配置。超發(fā)光二極管發(fā)出的光通過單模光纖發(fā)送至1×3的IOPS，經(jīng)薄偏振板P1后達(dá)到λ/4波長光纖延遲片轉(zhuǎn)化為左右圓偏振光進(jìn)入傳感光纖中，被反射鏡反射后沿相反方向以正交線偏振光的形式在P1和P2處發(fā)生干涉，再送到兩個探測器進(jìn)行檢測，最后由信號處理器進(jìn)行處理。

通過具體實(shí)驗數(shù)據(jù)得出，這種簡單的偏振型AFOCS在溫度變化范圍為45℃～85℃之間能夠?qū)⒔涣麟姷臏y量精度控制在0.1%內(nèi)，可以媲美于高性能干涉型AFOCS，而且這種結(jié)構(gòu)對外部應(yīng)力變化不敏感，能實(shí)現(xiàn)長距離的傳輸。

圖8 集成光偏振分束器的偏振AFOCS

目前，AFOCS的研究重點(diǎn)主要放在光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和誤差補(bǔ)償[40]，對高頻電流和暫態(tài)電流的研究相對較少，于是提出一種耦合法拉第旋光器的新型AFOCS[41]，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。在偏振型AFOCS的基礎(chǔ)上，將法拉第旋光鏡耦合在傳感光纖中點(diǎn)處，并采取雙線繞制的方式形成對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)互易性和非互易原理可知，傳輸過程中傳感光纖前半段和后半段產(chǎn)生的互易性相位差相互抵消，保留了法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的非互易性相位差。

圖9 耦合法拉第旋光器的改進(jìn)型AFOCS

實(shí)驗證明，這種新型結(jié)構(gòu)AFOCS具有良好的線性擬合優(yōu)度；在10Hz～10kHz的頻響實(shí)驗中幅值誤差和相位誤差分別在2.3%和2°以內(nèi)；頻帶測量范圍可達(dá)54.7kHz，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有AFOCS的頻帶；在-20℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓相對誤差小于4.3%。整體結(jié)構(gòu)有效地提高了靈敏度和穩(wěn)定性，在暫態(tài)電流測量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

綜上所述，AFOCS在大電流檢測以及超高壓測量領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了大量的研究，各種新型的傳感方案層出不窮，傳感靈敏度的穩(wěn)定性不斷提升。但是環(huán)境變化給傳感器帶來的影響始終無法避免，因此，未來需要設(shè)計新的結(jié)構(gòu)來減小甚至消除這種影響。利用時分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)通過一種結(jié)構(gòu)對同一變量的不同位置進(jìn)行測量、或者對不同變量進(jìn)行同時檢測也是未來發(fā)展的重要方向。此外，隨著新技術(shù)的成熟和新材料的應(yīng)用，AFOCS不再局限于工作在智能電網(wǎng)中，它還可以在航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。