光纤电流传感器性能分析及环形衰荡结构设计

作者:孙滨超;沈涛; 刊名:激光与光电子学进展 上传者:张浩

【摘要】针对当前光纤电流传感器较难同时实现较高灵敏度和较好稳定性的问题,根据法拉第效应,从理论上建立了基于琼斯矩阵的直通式、反射式全光纤电流传感器的数学模型;利用OptiSystem软件进行仿真,得到直通式、反射式全光纤电流传感器的线性灵敏度分别为0.24和0.37。提出了光纤环形衰荡结构,将强度调制转换为时间调制,从而消除了光源及外界环境对系统性能的影响,使系统同时实现较高的灵敏度和较好的稳定性。通过理论及实验证实了该方案的可行性。

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高电压、大容量的输配电网是当今电力工业的主要发展方向。光学电流传感器(OCS)已成为电力系统的新需求,国内外相关研究机构为此提出了多种实现方案[1-4]。Katsukawa等[5]研究了基于法拉第效应、YIG光纤以及铅玻璃的光学电流互感器,并成功研制了集磁环型光学电流传感器样机。戴玉堂等[6]利用飞秒激光微纳加工技术制作了高灵敏度光纤磁场传感头,其灵敏度为非微纳结构的5倍。王琦等[7]提出了基于磁流体和环形衰荡技术的光纤电流传感器,该传感器实现了较高的测量灵敏度,为现代电磁测量技术提供010602-1了一种新型方法。郑硕等[8]从Sagnac结构出发,实现了光纤电流传感系统样机的制作。但是,受限于双折射效应、温度对测量灵敏度的影响、器件长期运行稳定性差等因素,光纤电流传感器仍未在电力系统中得到广泛应用。针对上述问题,本文从法拉第效应出发,建立了基于琼斯矩阵的直通式、反射式全光纤电流传感器的数学模型,利用OptiSystem软件对这两种结构的全光纤电流传感系统进行仿真。通过分析,得到直通式光纤电流传感器稳定性好、反射式光纤电流传感器灵敏度高的结论。为同时实现较好的稳定性和较高的灵敏度,提出了光纤环形衰荡结构的光路改进方案,建立了相应的数学模型,证实了该方案的可行性。搭建了环形衰荡式结构的光路,通过实验验证了仿真结果的正确性,为高性能全光纤电流传感器的实用化提供了一种新的解决方案。2直通式全光纤电流传感器2.1直通式全光纤电流传感器原理直通式全光纤电流传感器的光路结构示意图如图1所示。光源发出的光束经起偏器转化为线偏振光进入传感头,在被测电流产生的外磁场作用下,线偏振光的偏振面发生旋转,经检偏器检偏后由光探测器进行信号解调。为提高系统对偏转角度的检测灵敏度,对系统中起偏器和检偏器的角度进行调整。假设两个偏振器的夹角为,将输出光强对和求二阶偏导数,当=0且偏导数为0时,求解得到=/4,即当两偏振器偏振方向的夹角为/4时,传感头探测灵敏度最高,因此令起偏器和检偏器偏振方向的夹角为/4。直通式全光纤电流传感器的光路系统结构简单,具有抗干扰能力较强以及稳定性高等优点[9-13]。图1直通式全光纤电流传感器光路结构示意图Fig.1Diagramoflightpathstructureofstraight-throughall-fibercurrentsensor2.2直通式光路结构的琼斯矩阵根据图1中的光路结构,设入射光电场强度Ein为Ein=ExE[]y,(1)式中Ex、Ey分别为x方向、y方向的电场强度。理想情况下,各个器件的琼斯矩阵如下:起偏器的琼斯矩阵为LP=10[]00;(2)法拉第效应琼斯矩阵为LF=cos-sinsincos[]。(3)通过检偏器的光场E和光强I*分别为E=LPLFLPEin,(4)E=Excos[]0,(5)I*=E2=I01(+cos)/2。(6)由(6)式可知,直通式结构的系统输出光强由法拉第旋转角的余弦项决定,因此系统的灵敏度取决于公式中的余弦项,即只与公式中的法拉第旋转角有关。010602-22.3直通式光路结构的仿真利用OptiSystem软件对直通式光路结构的光学电流传感器进行建模仿真,仿真原理图[14]如图2所示。从图2可以看出,光源通过起偏器转换为线偏振光,利用调制器与调制波模拟整个仿真系统受磁场作用的情况。在磁场的作用下,线偏振光受到法拉第效应的作用,偏振面发生偏转。当线偏振光经过检偏器与光电转换器的作用后,对信号进行处理。图2直通式光学电流传感器仿真结构原理图Fig.2Simulationstructurep

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