基于微納光纖Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)的光學電流傳感器的響應特性研究

呂方興，李 飛

(1.西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710065)

0 引言

在電力工業(yè)中，電流檢測是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要技術(shù)手段，在電力系統(tǒng)繼電保護、電能計量、電力分配及設備故障檢測等一系列電網(wǎng)運行過程中起著至關(guān)重要的作用[1-4]。與傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器相比，光學電流傳感器利用光信號實現(xiàn)對電流的檢測，具有電氣安全性高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強的優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[5-7]。常見的光學電流傳感器有分立式磁光元件型、法拉第全光纖型、磁致伸縮材料涂覆型、集成光波導型電流傳感器等。其中，基于法拉第效應的全光纖電流傳感器是當前研究最多、應用最為廣泛的一種光纖電流傳感器[8-9]。但是，這種傳感器由于光纖費爾德常數(shù)數(shù)值小，因此該傳感器的靈敏度較低，且易受光纖固有雙折射效應影響，對環(huán)境溫度敏感。

磁流體的出現(xiàn)為電流傳感新技術(shù)的研究提供了契機。磁流體是nm數(shù)量級(10 nm左右)的鐵磁性或者亞鐵磁性微粒包裹一層表面活性劑，分散于適當?shù)妮d液中所形成的一種穩(wěn)定的膠體。它具有固體磁性材料的磁性和液體流動性，在光學上表現(xiàn)出了很多特有的性質(zhì)，其折射率在外界磁場的作用下會發(fā)生顯著變化[10-11]。利用磁流體獨特的磁光特性，人們研究開發(fā)了多種多樣磁場傳感器和電流傳感器[12-15]。與傳統(tǒng)的法拉第磁光效應式電流傳感器相比，由于磁流體沒有機械磨損和可動部件，這類電流傳感器具有使用壽命長、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢，也克服了傳統(tǒng)采用塊狀磁光材料法拉第效應和集成光波導式的傳感器由于存在各種光路耦合、反射、對準而導致的制作工藝復雜及系統(tǒng)性能不穩(wěn)定等技術(shù)缺陷。但是磁流體的封裝較為困難，且這類傳感器使用時仍然存在較大的溫度交叉敏感。

為此，提出了一種基于磁流體包覆的微納光纖Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)的光學電流傳感器，它利用微納光纖對外界折射率敏感的光傳輸性能和Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)上的互易性，制作出對外界磁場和電流敏感而對外界溫度不敏感的Sagnac環(huán)微型干涉儀。首先，理論推導了傳感器的傳感機理和溫度不敏感機理；研究了傳感器的制備技術(shù)，解決了微納光纖嚴重的降質(zhì)問題和磁流體封裝難題；最后，對傳感器的傳感性能和溫度特性進行了實驗研究。

1 傳感機理

Sagnac干涉儀是一種重要的光學器件，與其他類型的干涉儀相比，Sagnac有著其獨特的特性：在結(jié)構(gòu)上具有互易性，能夠消除由于環(huán)境噪聲引起的外界不穩(wěn)定因素所造成的干擾。而微納光纖直徑與光波長相當，對光場的束縛能力較弱，有很大一部分能量在微納光纖外以倏逝場的形式存在，故其對外界折射率敏感。

結(jié)合微納光纖對外界折射率敏感的特性和Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)上的互易性，利用微納光纖間的范德華力和靜電場力的自然引力，將微納光纖進行擰擠纏繞，制作成對外界折射率敏感的微納光纖Sagnac環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，當輸入光進入微納光纖Sagnac環(huán)型干涉儀后，由于耦合作用，光將會在纏繞區(qū)分成兩束。分開后的兩束光分別沿著順時針方向和逆時針方向通過環(huán)區(qū)。由于擰緊纏繞后纏繞區(qū)的光纖截面已經(jīng)不再是圓形結(jié)構(gòu)而是橢圓形，從而產(chǎn)生幾何雙折射效應，兩束光耦合分離，其中任何一束光都包含著2種不同速度、不同的偏振態(tài)。

圖1 基于微納光纖的Sagnac微型干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖

不同的偏振光具有不同的相速度，故當不同偏振態(tài)的光經(jīng)過同一段纏繞區(qū)后會產(chǎn)生一個相位差(即經(jīng)過同一段光纖所產(chǎn)生的光程不一樣)，當光通過環(huán)型結(jié)構(gòu)后匯聚將產(chǎn)生干涉。產(chǎn)生干涉的兩束光之間的相位差為[16-17]

(1)

式中：λ為光在真空中的波長；L為纏繞區(qū)的長度；B為纏繞區(qū)的雙折射系數(shù)。

傳感器的傳輸譜線可以表示為

(2)

從式(2)可以看出，傳感器輸出譜線類似余弦函數(shù)。由于Sagnac環(huán)是由微納光纖制作而成，其強倏場能夠與外界環(huán)境介質(zhì)發(fā)生強烈的相互作用，故其傳輸譜線會受到傳感區(qū)外部介質(zhì)折射率變化的影響。其影響規(guī)律可以表示為

(3)

式中：nam為外界環(huán)境折射率；λ為光波長；Δλ為波長變化量；Δnam為外界環(huán)境折射率變化量。

當微納光纖Sagnac環(huán)纏繞區(qū)被磁流體包覆時，磁流體就變成了微納光纖的包層介質(zhì)。當有電流I流過導體時，導體周圍會產(chǎn)生一個磁場，此時磁流體的折射率由于磁光效應而發(fā)生改變時，將引起傳感器外界的有效折射率nam變化，即Δnam=K·I，傳感器與電流發(fā)生裝置位置確定時K為常數(shù)。這樣，在電流I作用下，傳感器輸出的干涉波長最終將會發(fā)生遷移，即：

Δλ∝I

(4)

因此，通過測量波長的變化就可以計算得到待測電流值。

2 傳感器溫度穩(wěn)定特性的討論

如前所述，由于Sagnac干涉儀在結(jié)構(gòu)上具有良好的互易性，從而可以在很大程度上消除溫度等環(huán)境噪聲給傳感器帶來的干擾。對于環(huán)區(qū)，溫度對干涉波長影響可以忽略。然而，在纏繞區(qū)，由于制作微納光纖的材料二氧化硅和磁流體本身具有一定的熱敏效應(見表1)，干涉波長隨外界溫度T的改變可以表示為

表1 各部分介質(zhì)的熱敏特性

(5)

微納光纖的有效折射率neff由光纖內(nèi)外光場能量的分布決定，可以表示為

neff=(1-γ)·ncore+γ·nMF

(6)

式中：γ為微納光纖倏逝場所占光場總能量的比值；ncore和nMF分別為微納光纖和磁流體的折射率。

故式(5)右邊第一項可以簡化為：

(7)

式中：?ncore/?T和?nMF/?T分別為微納光纖和磁流體的熱光系數(shù)。

當傳感器的封裝介質(zhì)和用于傳感的敏感介質(zhì)確定之后，式(5)右邊第一項的值由γ決定，而γ的值可以通過控制微納光纖的直徑來調(diào)節(jié)。選擇合適的微納光纖直徑(實驗中發(fā)現(xiàn)較為合適的微納光纖直徑約為2～3 μm)，可以使得式(5)右邊第一項取值為負值，且大小與式(5)右邊第二項相近，從而減小傳感器的熱敏特性，大大降低傳感器的溫度敏感問題。

此外，由于溫度的變化比外加電流的變化慢得多，因此溫度的影響也可以通過濾波電路來避免。因此，所設計的電流傳感器的溫度交叉敏感問題可以得到較好地抑制，不會限制該傳感器的實際應用。

3 傳感器的制備

傳感器的制備需解決以下問題：

(1)微納光纖的降質(zhì)問題，降質(zhì)主要是因為微納光纖外的倏逝場為梯度場，由于光鑷效應的存在，長期暴露在空氣中使得光纖表面會附著1層μm量級的塵埃，使得其機械性能和光學性能產(chǎn)生變化。

(2)傳感器的穩(wěn)定性問題，包括機械穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性問題。機械穩(wěn)定性問題主要體現(xiàn)在微納光纖的微納米量級尺寸上，極易受到外力的破壞。溫度穩(wěn)定性問題在上文已經(jīng)討論，可以通過選擇合適直徑的微納光纖來實現(xiàn)。

為了解決微納光纖的降質(zhì)問題和傳感器的機械穩(wěn)定性問題，對傳感器進行了封裝。封裝步驟如下。

步驟1：將折射率為1.40的硅凝膠聚合物均勻涂覆在玻璃基底上形成第1層薄膜，薄膜的厚度約為50 μm，再將其置入80 ℃的恒溫箱內(nèi)固化。

步驟2：采用勻膠機在已固化的薄膜上二次涂覆聚合物，調(diào)節(jié)旋涂速率使其厚度略小于制作的微納光纖的直徑(約2 μm)。

步驟3：把制作好的干涉儀放置在第二層聚合物薄膜上，再將傳感器除傳感區(qū)外的其他部分全部封上硅凝膠，常溫對其固化。

步驟4：把部分封裝好的傳感器結(jié)構(gòu)固定在自制的玻璃腔內(nèi)，并將磁流體灌注到該腔體內(nèi)，使磁流體與干涉儀的傳感區(qū)充分接觸。

封裝后的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種封裝結(jié)構(gòu)既能保證傳感器長期工作的穩(wěn)定性，又能讓倏逝場與磁流體作用，用來進行電流傳感。實驗中所用的磁流體為水基Fe3O4磁流體，型號EMG605，其內(nèi)部磁性顆粒濃度為0.5%，大小為10 nm左右。

通過光譜儀實際測得的傳感器輸出譜線如圖3所示，由輸出譜線可以看出，傳感器的輸出光譜為類正弦，自由光譜范圍FSR大約為1.9 nm，與理論分析相吻合。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 傳感器的溫度響應特性

將封裝好的傳感器放到溫箱中，通過光譜儀觀察該傳感器的輸出光譜隨溫度的變化特性。實驗中發(fā)現(xiàn)，傳感器的輸出光譜在20～60 ℃溫度范圍內(nèi)變化較小。圖4為在20～60 ℃溫度下，傳感器的輸出光譜。從圖中可以看出，傳輸光譜隨溫度的變化約為3 pm/℃。與常見的光纖類傳感器的溫度交叉靈敏度相比較[13-14,18-19]，所封裝的傳感器溫度穩(wěn)定性較好，這說明該溫度交叉敏感問題的解決方法是行之有效的。這里需要說明的是，由于手工制備的傳感器參數(shù)具有一定的隨機性，其傳輸光譜隨溫度的漂移量是不確定的，但是多次實驗發(fā)現(xiàn)在使用該方法制備的傳感器，其傳輸光譜隨溫度的漂移量都被控制在pm/℃量級。

圖4 傳感器的傳輸譜線隨溫度的變化

4.2 傳感器的磁場響應特性

由于該傳感器是通過測量待測電流產(chǎn)生的磁場強度實現(xiàn)電流檢測的。為此，先檢測該傳感器對磁場的響應特性。將封裝好的傳感器置于外界磁場中，改變外界磁場強度，實時監(jiān)測傳輸譜線的變化，進而得出該干涉儀對外界磁場的響應曲線。實驗裝置如圖5所示，主要包括寬譜光源、Helmholtz線圈和光譜分析儀。其中，Helmholtz線圈用來產(chǎn)生標準均勻磁場，調(diào)節(jié)供電電流可以改變所施加的磁場強度。磁場方向與光傳輸方向及光纖環(huán)所在的平面方向垂直。

圖5 勻強磁場實驗裝置示意圖

改變外加磁場強度，同時通過光譜儀觀察記錄傳感器的輸出光譜變化，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，當外界磁場強度增大時，傳感器的輸出光譜有規(guī)律地向長波長方向移動。當磁場強度從0 Oe(1 Oe=79.578A/m)增大到300 Oe時，波長整體向右紅移了450 pm，且基本成線性關(guān)系。從圖7的標定曲線可以看出，外界磁場增強和減弱的過程中，傳感器響應幾乎是一致的，在除去外部磁場時，傳感器內(nèi)部的磁疇基本恢復到了未被磁化前的狀態(tài)，即回到了零點。這是由于磁流體具有超順磁性，無剩磁，無矯頑力。

圖6 傳感器的傳輸譜線隨磁場的變化

圖7 磁場的標定曲線

4.3 電流的響應特性

由于光譜儀的掃描頻率低，通過讀取光譜漂移量的方法只適合測量超低頻的外加電流，不能滿足實際的電流測量需求。因此，將輸入光源換成波長可調(diào)的窄帶激光，通過檢測傳感器輸出的功率來獲得光譜的漂移量，進而得知外加電流強度的信息，使得傳感器可用于對快速變化電場的測量。其原理如圖3所示，當選擇可調(diào)諧窄帶激光器工作波長在線性區(qū)的中點時，干涉波長的變化Δλ可以轉(zhuǎn)換為輸出光功率的變化ΔP。為了研究傳感器的電流響應特性，采用如圖8所示的試驗裝置。

圖8 電流檢測的實驗裝置示意圖

從圖8中可以看出，可調(diào)諧窄帶激光器(TSL510)作為輸入光源，選擇特定的波長λlaser，可以將傳感器輸出的微小波長變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化，然后通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號，并通過電流放大器(SR570)的消噪和微弱信號放大電路，最終形成示波器可觀測的電壓信號。同時，將該電流通過變換器輸入到示波器作為參考信號。施加不同幅值的50 Hz的交流信號，檢測示波器的輸出，結(jié)果如圖9所示。表2為不同電流強度下，傳感器輸出響應波形的幅值。從表2可以看出，響應波形的幅值隨著被測電流幅值的增大而增大。

圖9 傳感器的外加電流(上)及傳感器的響應曲線(下)

表2 不同電流強度下，電流傳感系統(tǒng)的輸出幅值

采用最小二乘法對表2的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到電流強度與傳感系統(tǒng)輸出的擬合線性方程為

y=0.002 18x-0.041 33

(8)

其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.997 9。由擬合方程可以得到傳感器的電流測量靈敏度為

(9)

從響應波形可知，傳感器的響應信號頻率為100 Hz，為原信號頻率的2倍。這是由于磁流體對磁場的方向不敏感。

5 結(jié)束語

基于磁流體包覆微納光纖Sagnac環(huán)的全光纖電流傳感器的封裝能夠很好地保護微納光纖，其長期工作穩(wěn)定性較好。同時，又能夠保證微納光纖中的倏逝場能量能夠進入磁流體內(nèi)部，與磁流體充分作用，實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性的光纖電流傳感，這些結(jié)果對于推進微納光纖傳感器的實用化具有重要的參考價值。