全光纤电流传感器的原理及应用(2)

光纤

江智伟,等　全光纤电流传感器的原理及应用79(总737)

光纤具有抗电磁干扰强、电绝缘性能好、柔软可弯曲等优点,还有比其它光学电流传感器体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、易与传输光纤耦合、可长距离传输、便于与计算机连接组成遥测网络等优点

[1]

,因而基于法拉第旋光效应的全光纤电流

光纤圈数来控制灵敏度。

但一般通信用石英光纤的费尔德(Verolet)常数很小,且光纤绕成线圈将产生很强的线性双折射,使光纤本来很低的费尔德常数又大大降低(约为原来的1/50),加上在电线上缠绕光纤时必须停电,因而无法实际应用。

由于缠绕在电线上的线圈直径不能小于4～5c,从而使所得信。因,,好的补偿方案。

(2)用块状光学晶体制成

这种传感器可以使用费尔德常数比通信光纤高的特殊晶体材料制成,大大提高了对磁场的灵敏度。而且,晶体退火后释放了内应力,从而减少线性双折射。块状光学晶体本身在温度变化和机械影响的情况下,性质相对稳定,保证了传感器的可靠稳定工作。而且,块状光学玻璃的成本相对低廉,满足能大规模生产的前提。

这种传感器的体积比同规格光纤传感器大,而且,块状光学玻璃不是铁磁性的,所以费尔德常数相对较低,限制了在大电流测量中的应用。

为了解决块状光学晶体存在的问题,一些学者发现了一种提高传感器灵敏度方法———在块状光学玻璃周围排列多环路的阵列已经被,但是在应用中这样的结构有一定的局限性,即容易产生温度波动。这个问题的解决方法正在研究之中。

(3)用磁光材料制成

铁磁性的材料每单位厚度具有很大的费尔德常数,例如BiTb2Y3Fe5O12,这样就可以用很小的法拉第旋转角度测量特定的磁场强度,使体积大大减小,从而能够降低成本、降低安装难度。

据国外专业厂家介绍,这种材料的生产方法已经成熟。并且,还可以直接应用到其他领域,特别是光通信,已经形成的规模效应远远超过了光学晶体和光纤材质的传感器。2.2　安装方法

图1展示了光纤电流传感器3在电缆上的应用,用一个与电缆直径大小匹配的一个特制支撑钳4将其固定在电缆上。

支撑钳4有3个作用:固定光纤电流传感器使之在指定的位置;避免光纤传感器内部材料产

传感器愈来愈受到人们的重视。

1　工作原理

1946年米切尔 法拉第(MochaelFaraday)

,向发生改变,应,被广泛应用于光纤通讯领域,特别是用在阻止从耦合连接处产生的反射光线回到光源,改变光源的频率、功率输出等参数。

其旋转角度

Φ=VH dl

l

∫

(1)

式中　V———光学介质的Verdet常数;

l———光在介质中的传播的距离;H———磁场强度。

当磁场H穿过传感头导体中的电流I产生,且光路围绕载流导体闭合时,利用安培环路定律上式可改写为:

Φ=VNLI

式中　NL———围绕载流导体闭合光路圈数。

(2)

可见,只要测出偏振光旋转的角度Φ,即可计算出待测电流的大小。另外,利用适当的光路设计增加围绕载流导体的光路圈数可提高传感头灵敏度。

光线偏振面的转旋角与磁场强度成正比,磁场强度与电流和温度成正比。测出通过磁场的光的偏振面的旋转角,就可以计算出电流强度。

根据法拉第效应,把光学传感器阵列放置在磁场中。通过监测入射光偏振面的旋转情况,得到磁场强度和电流。

用通信光纤、块状光学玻璃和磁光光纤都能产生法拉第效应。

2　全光纤电流传感器的特性

2.1　光纤取材

(1)用通信光纤制成

把光纤缠绕在电线上,根据安培定理,可以直接测量出电流的大小。通过改变缠绕在电线上的