基于法拉第效应的光纤电流传感器
基于法拉第效应的光纤电流传感器
摘要：光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT)，具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感头的结构和工作原理，对改进光纤电流传感器的设计，提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。
关键词：光纤电流传感器、光纤回转仪、法拉第磁光效应
正文：
近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
1、光纤传感器概述
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤传感器灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。所以说光纤传感器可以很好的用于磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
2、光纤电流传感器
2.1光纤电流传感器概述
光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT)，具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。
由于光在光纤中，一边反射，一边行进，偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。针对此现象，在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返，借助光的来回往返，成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。将铅玻璃光纤用于传感器元件，并结合利用镜面的方法，只需把光纤卷绕在载流导体上，用于电流计测的反射型传感器就基本完成。其次，开发了调制程度的平均处理与信号处理方式，这有利于特性的稳定及噪音的抑制。此外，对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究，
而且，慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术。目前，光纤传感器技术正朝实用化的方向进展，以适应电力系统的广泛需求。
2.2光纤电流传感器的结构
光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图1所示。传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度，可分为无源式和有源式两类。
图一光纤电流传感器的结构示意图
2.3光纤电流传感器工作原理
光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感头的结构和工作原理，对改进光纤电流传感器的设计，提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。
光纤回转仪是MOCT（光纤电流互感器）的核心部件，它由光源，探测器，调节器，以及缠绕电流导线的光电探头组成。其中调节器是光纤电流传感器的核心部件，通过这套系统可以对电流进行精确测量，此项技术受２０多项国际专利保护。光纤回转仪最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制。
图2 光纤电流传感器原理示意图
（1）光源发出的光通过波导传至线性偏光器，然后是偏振分离器（产生两束线性偏振光波），最后到达相位调节器。
（2）然后这两束光通过光纤从控制室传到传感头；
（3）两束偏振光通过1/4波长滤波器产生右旋和左旋偏振光；
（4）两个光束在围绕导线的光纤环中传播，到达终点时遇到反射镜，光线沿同样的路径返回；
（5）当光线环绕导线传播时，导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，该磁场使两束光的相位产生偏移；
（6）光波沿光路返回后，最终到达光学探测器，电子器件检测出相位漂移；
（7）两束光波的相位偏移与导线的电流成正比，然后显示单元将电流数值以模拟量或数字量传至最终用户。
2.3光纤电流传感器的优点
与传统的电磁式CT 比较，光纤电流传感器除具有前述的优点以外还具备：
(1)容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小利轻量化；
(2)无电磁噪音的干扰。近年的计测控制系统中，一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路，传感装置本身全部由光学器件构成，故具有抗电磁干扰(EMI)特性；
(3)计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；
(4)因为信号通过光纤传输．波形畸变小．传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。
3、光纤电流传感器在电力系统中的应用
国外在六十年代就已开始对光纤电流传感器进行研究。美国、日本及西欧的一些国家的研究机构和一些电气仪器公司都在此领域作了大量的工作，如美国国家标准与技术研究所、贝尔实验室、日本的中央研究所、ＮＥＣ公司及东芝、松下等公司、瑞典皇家技术学院等，到八十年代初期，光纤电流传感器开始进入工业试用阶段。
1986 年美国的田纳西州流域电力管理局（TVA）在其所属的Chkamauga水坝电力编组站安装了第一台单相高电压光学计量用的电流互感器，可靠地运行两年多后拆除。电站的常规电压互感器为OCT 提供电压。在一年的千瓦小时的计量中，与参照系统比仅变化0.08%。按照各种预定的条件如负载、温度、湿度以及电磁干拢等条件下完成了其应负的任务。在变电站的环境中，展现出稳定、准确的性能。
1987 年8 月至1989 年3 月，日本东京电力公司与日本东芝公司合作，研制的光学OCT，试验数据符合JEC1201 标准。
1991 年6 月，ABB 电力公司公布了计量和继电保护用的光学电流测量系统，运行4 个月，与参照标准相差0.4%。
国内应用法拉第效应的光学电流传感器处于探索阶段，在“六五”期间，以198 2 年９月在上海召开的“激光工业应用座谈会”为起步，先后有多家单位进行这方面的研究，中电八所、上海硅酸盐所、上海冶金所、华北电力局、北京化工学院、清华大学、华中理工大学等都取得一定成果。
据第15 届国际光纤传感器会议统计在FOS市场份额中，“应力”占23%，“温度”占17.2%，“气压声学”占15.2%，“电流电压”占12.2%，“化学汽体”占1 1.3%。就传感器类型来说，“光纤光栅”占44.2%，“分光计”占11.1%，“散钟反射”占10%，“Fraday旋光效应”占6.9%，“荧为黑体”占6.6%。
光纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合，还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置。如下图所示。
图三是基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器外观。
图三
图四是基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器的传感头。
图四
图五是基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器应用于架空电缆的线路，用于判定事故发生区间判定。
图五
图六是基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器安装于275KV地下输电线，用于检测输电线的浪涌电流。
图六
基于法拉第效应的光纤电流传感器在电力系统中用于测高压线电流、变压器事故电流、发生事故时传输塔底脚电流和高压击穿时的猝发电流。
光纤电流传感器在电力系统检测中具有测量范围大、电绝缘性能好、响应速度快的优点，而且稳定性较好，对环境因素不敏感。随着光电技术及其相关技术的迅速发展，光纤电流传感器在电力系统中的应用前景将日益广阔。
4、光纤电流传感器的研究现状
光纤电流传感器的原理是法拉第效应，即在光通过磁性材料过程中，光的偏振态会发生改变。光纤电流传感器不是单单的光学电流传感器，在光纤电流传感器中，线偏振光波人射到纤芯中，把它们分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。在通过处在电磁场中的纤芯时发生双折射。因此在通过纤芯后，两个圆偏振光就产生了位相差，线偏振的方向发生了变化，与附加电流、光纤数量成正比。
虽然原理很简单，但在实际操作中有很多问题限制了传感器的分辨率。由于纤芯形状的非理想性，光纤中存在一些线性双折射，造成了输出信号的误差。在光纤退火过程中可以相对降低线性双折射，但实际是很难做到的。另外，振动、机械应力、温度变化对线性双折射的影响也很大。
综上所述，如何消除光纤内存在的线形双折射及其对系统性能的不良影响是全光纤电流传感器研究的核心间题为了减小和消除光纤的线形双折射，近二十年来，做了
大量的研究工作，提出了多种方案，也取得了一定的成果。例如，曾提出的采用扭转光纤和退火光纤间制作电流传感头的方法，研究表明扭转光纤可显著减小由光纤中剩余应力及几何非对称性引起的内在线形双折射；而退火处理则可显著减小光纤的弯致线形双折射。近来有人将这两种方法结合起来，即用扭转过的光纤在经过退火处理后制作电流传感头。实验表明，其使灵敏度和温度的稳定性都有很大提高。采用低光一弹性系数的比例材料来制作光纤可以降低光纤内部的光弹性效应，也可以减小线形双折射。如涟石玻璃应用就取得了很好的效果。在第九次和第十次光纤传感器国际会议上有过介绍的用于840nm波长的隧石玻璃单膜光纤，其内在双折射和弯致线形双折射均可小到忽略不计，采用此种光纤做的电流传感器也有报道。
采用新结构的光纤也是减小线形双折射的一种方法，有人采用了一种带有双包层结构的光纤用于电流传感器。该光纤用硅材料做第一包层，用丙烯酸盐材料做第二包层。该种光纤可降低振动、温度变化等外界因素对光纤的干扰，从而提高了系统的稳定性。采用此种光纤做传感元件及单端反射倒易光路的系统的实验，第一次获得了满足日本标准JEC1201所有技术要求的结果：测量电流为8000A时电噪声误差为3.8 Arms，在-20℃--90℃温度范围内灵敏度变化4%，该值与硅材料的菲尔德常数的温度系数相对应，用89震动加速度做的振动实验在3.8Arm，背景噪声电平上未见明显的响应信号，8h时间稳定性实验的测量精度保持在+0.15%以内，有良好的应用价值。
另外，利用倒易性消除线形双折射的新设计和新的干涉仪检测方案也有报道。如Fang小组几年来采用强度型倒易非敏感结构(TR IS-based)光路设计，该设计全部采用光纤器件及低双折射光纤实现，与普通低双折射光纤传感系统相比，系统对线形双折射及传输损耗的敏感性降低了2倍。
欧洲ABB 公司研制出达到IEC 标准0. 2 级晶体结构的OFCT。近年来，北美Nxtp hase公司研制出超过IEC标准0.2S级的全光纤AOFCT ；我国清华、华中科大也相继研制出正常环境下精度为0.3 %的块状结构AOFCT。北航研制的新型AOFCT ，传感光纤采用共光路设计，因而具有较好的互易性和较强的抗干扰能力，全温下比例因数变化小于0.5 %。
光纤电流传感器的市场前景是显而易见的。为了寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的光纤电流传感器以实现电力系统高压大电流的测量，20多年来，国内外的诸多科学工作者进行了艰苦卓绝的努力，取得了丰硕的研究成果。之所以有各种形式光纤电流传感器的传感头，就是为了克服光纤电流传感器的一个重大缺陷——
线性双折射问题。上述的各种方案在克服线性双折射效应的不利影响方面取得了有针对性的效果。由于这一问题的复杂性，光纤电流传感器的实用化商品仍很少见，其稳定性仍是需要深入研究的问题。
参考文献；
1、杜菲，赵耀军，张新《光纤电流传感器的应用研究》安徽理工大学 2008.11
2、刘哗，王锋，韦兆碧《光纤电流传感器传感头的结构与原理》西安交通大学电气工程学院 2002.11
3、邓隐北，彭晓华《光纤电流传感器的工作原理及应用》郑州大学电气工程学院 2008.6
4、李莉、张心天《光纤电流传感器及其研究现状》武汉理工大学 2002.2
新型光纤电流传感器及其应用
新型光纤电流传感器及其应用 电流测量在很多领域均有着广泛的应用,如工业中的电力传输、军事上的船舰全电推进以及科研应用中的超短脉冲电流监测等,都会涉及到电流测量。随着科技的发展,对各类电流信号的测量需求也在不断提升,传统的电磁式电流互感器暴露出瞬态响应差、易饱和、绝缘困难以及随着电压等级提高而产生的运行成本过高等缺陷,而基于法拉第磁光效应的光学电流传感器可以很好的克服这些缺陷,表现出的很大的应用潜力,其中尤以光纤电流传感器(Fiber Optical Current Sensor,简称FOCS)优势最为明显,它采用闭合光路设计,其相比于传统的电流互感器不仅具有不受外界电磁干扰的特性,而且兼具测量动态范围大、电气绝缘性好、体积小、重量轻等优势,可覆盖不同领域的电流测量需求,已受到越来越受到广泛地关注。结合国内外研究发展现状,分析了各类电流传感器的优缺点,并提出一种基于偏振调制型原理的新型全光纤电流传感器,它采用与干涉型光纤电流传感器相同的闭合光路设计,但无需额外的光信号调制,其测量精度可满足一般工程应用要求,因此有很大的成本优势。文中对其光路和算法设计进行了阐述并搭建了试验样机。 立足实际工程应用,并以工频电流测量和雷电防护两个应用方向为研究对象展开工作,首先对通过调整反射镜的位置和对系统进行零偏补偿使其闭环误差和系统零偏误差满足应用需求,随后以解决全光纤电流传感器实际工程应用的典型技术难点——易受温度影响为目的,对其复杂的非线性温度特性做了详细分析,并通过BP神经网络强大的非线性映射性能对变温实验中传感光纤线圈的变比系数与对应温度数据进行非线性拟合,利用获得的温度补偿曲线对其进行在线温度补偿,使这种新型的全光纤电流传感器在-5℃~+50℃温度范围内达到国标中规定的0.5级要求。最后,从实际工程应用出发,结合该传感器的快速响应优势,将其应用于雷电防护测量。试验中以Pearson电流传感器测量结果作为参考基准,使用新型全光纤电流传感器对8/20μs雷电流进行准确、快速的全波实时波形测量,通过软件及硬件优化,使其在2kA~1500kA雷电流范围内满足工业应用需求。
用于光纤电流传感器SLD光源的温度控制系统
第43卷第3期红外与激光工程2014年3月Vol.43No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2014 用于光纤电流传感器SLD光源的温度控制系统 曹辉1,2，杨一凤1，刘尚波1，徐金涛1，赵卫1 (1.中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安710119； 2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：为减小高压电网中光纤电流传感器超辐射发光二极管(super luminescent diode，SLD)光源温度特性对测量准确度的影响，提出了一种模拟温度控制系统对光源温度进行恒温控制。根据设计要求，介绍了各重要环节的设计过程。分析了通过搭建合适的温度采集电桥，可以得到与温度近似成线性关系的输出差分信号。在频域上建立了系统的数学模型，计算了系统的传递函数，得到了比例-积分-微分(proportional鄄integral鄄derivative，PID)控制器各参数对时域上输出的影响。在实验室中搭建了用于光纤电流传感器SLD光源的温控系统，对温控系统进行了定温与温度循环实验，实验结果表明：该控制系统可以实现对温度的实时控制，使光纤电流传感器测量准确度满足0.2级工业要求。 关键词：光纤电流传感器；超辐射发光二极管光源；实时温度控制；传递函数；PID控制器中图分类号：TN21文献标志码：A文章编号：1007-2276(2014)03-0920-07 Temperature control system for SLD optical source of FOCS Cao Hui1,2,Yang Yifeng1,Liu Shangbo1,Xu Jintao1,Zhao Wei1 (1.State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi′an710119,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:To lower the influence of optical source temperature property on the precision of fiber optic current sensor(FOCS)in high voltage grid,an analog temperature control system was proposed to control the optical source working temperature.According to the designed goal,design process of each key section was introduced.A proper temperature signal bridge was analyzed which could obtain a linear relationship between the output differential voltage and temperature.The mathematical model of the system was established in the frequency domain;the transfer function of the system was calculated;and the parameters of proportional鄄integral鄄derivative(PID)controller were analyzed in the time domain.A temperature controller used for FOCS super luminescent diode(SLD)optical source was designed,which was verified by fixed temperature test and temperature cycle test.The results show that by means of the real time temperature control,the accuracy of FOCS is up to0.2level which reaches industry requirements. Key words:fiber optic current sensor(FOCS);super luminescent diode(SLD)optical source; real time temperature control;transfer function;PID controller 收稿日期：2013-07-09；修订日期：2013-08-23 作者简介：曹辉(1989-)，男，硕士生，主要从事光电测量技术及其在电力系统中的应用。Email:caohui@https://www.wendangku.net/doc/1717383431.html, 导师简介：徐金涛（1979-），男，副研究员，硕士，主要从事光纤电流互传感器的研制及其在智能电网中的应用研究。 Email:xujintao@https://www.wendangku.net/doc/1717383431.html,
干涉型光纤传感器的信号处理系统
干涉型光纤传感器的信号处理系统 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。 干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。 该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。 研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。 本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。 传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。 当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。 干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。 信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。在合理设置采样率
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Michelson干涉型光纤传感器原理.
一、引言 光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。 光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。 二、Michelson干涉型光纤传感器原理 图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为 I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1） Φ=2nπl/λ（2） 式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。
基恩士光纤传感器的分类及原理
基恩士光纤传感器的分类 KEYENCE光纤传感器根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型；KEYENCE光纤传感器根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；KEYENCE光纤传感器根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式；根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。 基恩士光纤传感器的原理 KEYENCE光纤传感器光纤布拉格光栅传感器（FBS）是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。 当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城。https://www.wendangku.net/doc/1717383431.html,/
一种光纤三相电流传感器的设计
!!!!!!!!!!!!!!"" " " 设计与制造 一种光纤三相电流传感器的设计 刘 彬，张君正，张秋婵 （燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛!""!!# ）摘 要：提出一种只用三个传感头、一套光路、一套信号处理部分实现对高压三相电流同时检测的混合式 光纤传感系统，给出了其在一相实验中的实验结果。由于光路系统采用了基于相位压缩原理的微分干涉式结构，因此该系统不受外界缓变量（如温度）的影响；与一般干涉仪相比该系统也因相位压缩而使工作的线性范围扩大了!!"倍。 关键词：三相电流；相位压缩；干涉仪中图分类号：#$%&!’(%；#)!*! 文献标识码：+ 文章编号：*""",(-.-（!""!）"*,""*%,"/ $%&’()’)(*+,*-.’/+’0%1.21%%3-2,&%/411%).&&%)&*1012345，67+89:;5<=>?5@ ，67+89A 4;C 5（5/26*+78%/67)(’)6，9,)&2,):)’;%1&’.<，=’)24,)( >,*!""!!#，?2’),）@0&.1,/.：+>D E F 4G H I J 4B K 4E ?F L ?5L H F 4L I F H I H L ?GM 4J >J >F ??L ?5L H F >?C G L ，C H I J 4B K 4E ?F L ?5L 45@C F N ，C L 4@5C O I F H 4B >B C 5N ?C L ;F ?J >F ??C L ?B ;F F ?5J L L 4N ;O J C 5?H ;L O D ，C 5 G 4J L ?P I ?F 4N ?5J C O F ?L ;O J L 45L 45@O ?I >C L ?4L C E
光纤电流传感器
引言 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 1 光纤电流传感器 1.1 光纤电流传感器概述 光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器（OFCT），具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。 当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。 由于光在光纤中，一边反射，一边行进，偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。针对此现象，在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返，借助光的来回往返，成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。将铅玻璃光纤用于传感器元件，并结合利用镜面的方法，只需把光纤卷绕在载流导体上，用于电流计测的反射型传感器就基本完成。其次，开发了调制程度的平均处理与信号处理方式，这有利于特性的稳定及噪音的抑制。此外，对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究，而且，慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术。目前，光纤传感器技术正朝实用化的方向进展，以适应电力系统的广泛需求。 1.2 光纤电流传感器的结构 光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图1所示。传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度，可分为无源式和有源式两类。
干涉型微纳光纤传感器
干涉型微纳光纤传感器 金龙，李杰，关柏鸥 (暨南大学光子技术研究所，广州，510632) 摘要：本文报道我们在干涉型微纳光纤传感器方面的研究进展，包括高双折射微纳光纤环形传感器、级联长周期光栅传感器及基于单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。通过对干涉仪几何结构的设计与优化，实现了104 nm/RIU 量级的折射率感测灵敏度，为研制成本低廉、高灵敏度的光学生物化学传感器提供了可选方案。 关键词：微纳光纤；微纳光纤传感器；干涉型传感器 微纳光纤传感器具有体积小巧、结构灵活、强瞬逝场等特点，基于对周围液体折射率的测量，能够实现对微弱生化成分变化的检测。已报道的微纳光纤折射率传感器包括光栅型、谐振型等。我们通过结构设计与优化，实现了几种干涉型微纳光纤折射率传感器，具有折射率灵敏度高、温度灵敏度低，制作成本低等优点，具体包括： （1）高双折射微纳光纤环形传感器。在闭合光纤环镜结构中加入一段由矩形截面光纤熔融拉锥而成的高双折射微纳光纤，构成M-Z 干涉型传感器，其折射率灵敏度达到18897nm/RIU ，并通过进一步将干涉仪制成灵巧型尖端式结构，将灵敏度提升到24373nm/RIU ，温度灵敏度仅为5 pm/°C 。理论分析表明其传感特性由群双折射色散决定，可通过对光纤截面的椭圆度和和直径的优化实现灵敏度的提升。 （2）级联长周期光栅微纳光纤传感器。通过用CO 2激光器在微纳光纤上构成级联长周期光栅，感测灵敏度达到2227nm/RIU ，温度灵敏度为11.7 pm/°C ，并通过理论计算指出，通过进一步降低光纤直径到 3.5μm 左右时，由于瞬逝场作用的增强和模式色散因子的降低，感测灵敏度有望达到40000nm/RIU 左右。 （3）单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。在光纤熔融拉锥过程中，通过减小过渡区长度，可激发微纳光纤中的高阶模式，并基于单个锥区实现干涉仪结构。这种结构制作方法简便，锥区总长度更短，本文还将介绍我们在这方面的最新结果。 CO 2 Laser L d =9.5μm 73.5 μm d Λ 图1左图：基于高双折射微纳光纤环镜结构的传感器原理图及实物图；右图：基于级联微纳光纤长周期光栅的干涉型传感器原理图及实物图。
光纤传感器的分类及特点
1 光纤传感器基本原理 随着工艺水平的提高，光纤技术目前相对成熟。光纤传感器即为应用光纤传输的基本原理组合的一个广电感应系统。通常的光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理部分组成[3]。其工作原理如下图所示：光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程称为光电转换过程，最后利用微处理器进行信号分析。 如前所述可以看出光纤传感器的传感机理和电磁传感器的传感机理是相似的，但是光纤传感器由于其测量信号的载体是激光，其在光导纤维内部传播，很难受到外界电磁场干扰，因此适合复杂工况下的检测，且操作方便灵活，信号输出自动化。 2 光纤传感器的分类及特点 2.1 光纤传感器的分类 2.1.1 光纤传感器的分类有不同的方式 按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。 传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。 2.1.2 传光型光纤传感器 传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有 Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero 腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。 2.2 光纤传感器的特点 研究和工程应用表明光纤传感器具有如下特点： ⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。 ⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。 ⑶测量的频带宽、动态响应范围大。 ⑷可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。 ⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 3.光纤传感器土木工程中的应用举例 随着光纤传感技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。
光纤电流传感器
光纤电流传感器（OCT）的研究 论文摘要 电流测量是电力系统运行的基本条件,从发变电到控制保护,无不出现对电流量值的要求。随着电力系统输电电压的日益提高、传输功率的不断增大,传统的电流计量设备愈来愈显示出其局限性,主要表现在其性能价格比随电压等级的提高越来越低。生产的发展导致了对新型电流测量装置的要求。 光纤传感器作为七十年代以来逐步发展成熟的一种新型传感技术,自其问世之日就显示出巨大的优越性,其良好的电气绝缘性能、卓越的抗辐射能力及极快的频响等特点都为其在电力系统中的应用提供了潜在的可能性,但其输出信号幅值较小、光路设计和制造复杂又限制了其广泛应用。随着现代光学材料加工工艺水平的提高、集成光学技术的不断进步及计算机在电力系统的日益广泛应用为光纤电流传感器的应用提供了巨大的可能性。本文将对目前光纤电流传感器(ＯＣＴ)的研究和应用情况进行探讨。 关键词:光学电流传感器,传感头,Faraday效应,结构设计,信号检测,性能分析.
Research of the Optical Current Sensor ABSTRACT Optical current transducer(OCT) This paper introduced principle of a new current measuring system based on Faraday effect,optecal current transducer,whose principles differ from those of conventional. With the development of optical_fiber technology, OCT is used more widely. Briefly OCT is excellent in such aspects as control of electromagnetic Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌ＿ｆｉｂｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔ’ｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ,ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｓｍ＿ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｏｐｔｉｃａｌ＿ｆｉｂｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ;Ｆａｒａｄａｙｍａｇｎｅｔｉｓｍ＿ｐｈｏｔｏｅｆｆｅｃｔ;Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ
Sagnac干涉型光纤电流传感器研究_
第1章 绪论 第1章 绪 论 1.1 引言 在人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件，传感器与人类的关系愈来愈密切。传感器技术是现代信息技术的重要组成部分，也是代表国家科技竞争力的核心技术之一。从某种程度来说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。 光纤传感技术是现代传感器技术的一个重要分支，它是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。这种光纤技术的非通信应用，被普遍认为是近代检测技术的发展方向之一。近年来，光纤传感技术的发展十分迅速，显示出巨大的开发潜力和应用前景。 光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”互扰、“传”和“感”合二为一、抗化学腐蚀、机械强度大、与电子学系统易兼容、材料资源丰富和成本低等。特别适用于石油化工、电力、机械、冶金、生物医学及国防等部门应用。特别是在易燃易爆、超高压电器设备、强电磁干扰、强化学腐蚀等特殊工作环境中，进行多种物理量测量。光纤传感实现的物理量测量很广，包括声压、位移、加速度、应变、扭矩、旋转速率、温度、流量、压力、液位、磁场、电场、电流、电压、放射性、化学成分等等。 光纤传感器的分类方法很多，主要有三种。一是按被测物理量分类，根据被测量有光纤温度、光纤压力、光纤声波传感器等。二是根据光纤在检测系统中的作用来分类，有功能型和非功能型两种。功能型光纤传感器中的光纤不仅起信号传输作用，而且同时又是基本敏感元件，在外界被测量的作用下，光纤中的波导光被调制，发生某种特定的光参数变化，功能型中的光纤把信号的“传”和“感”合二为一，故又称传感型光纤传感器。非功能型光纤传感器中的光纤只是信号的传输媒介，对被测量的敏感或光调制借助于其它元器件完成，这种传感器的传输和传感是分开的，发送光纤和接收光纤是不连续的，两者之间需要通过光学的或机械的装置把非光纤敏感器嵌入其中。有时把这种传感器又称为传光型的光纤传感器或外调制型光纤传
光纤电流传感器的调研
光纤电流传感器的调研 一种高度灵敏的小型光纤电流传感器 摘要 中文摘要部分： 随着电力系统的发展，传统的电流测量器件在现代电力系统中缺点越来越明显，如：传统电磁式互感器已经不能满足高压下大电流的检测需要，因此寻求合适的替代产品成为必然。与此同时，光纤传感技术在电流测试中优势逐渐增多，所以人们对光纤传感技术在电流测量中的运用更加重视。本文介绍的光纤电流传感器正是以光纤传感技术为基础的传感器件，器件以光纤作为传输媒质，用以法拉第磁光效应为工作原理的磁光材料作为传感元件，具有抗电磁干扰、重量轻、尺寸小、带宽大、信号传输方便、结构稳定、灵敏度高、可实现电流值的线性检测等特点，适用于电力系统中高压下的电流检测。但同时，由于光纤自身存在弯曲损耗，限制了小型化设备的发展。文章中简要介绍了光纤电流传感器的研究现状、现实意义和研究背景，详细论述了一种新型的高灵敏度小型光纤电流传感器，包括理论基础，实验过程和数据分析。最后得出结论，此高灵敏度的小型光纤电流传感器，在保持很高的抗弯曲能力的同时，可以达到更高的电流灵敏度。 关键词：光纤电流传感器，法拉第效应，弯曲不敏感光纤，双折射PACS：07.07.Df ，02.10.Yn，03.50.-z，06.30.Gv
1 引言 目前，国外已有2000 千伏的输电线路投入使用，国内的电压等级也将继续提高。随着电压等级的大幅度提高，传统的电磁感应式电流互感器逐渐显露出它的局限性。首先是绝缘问题，电压的提高给绝缘带来了更大的技术困难，同时绝缘尺寸的加大又造成了互感器的结构更加复杂，体积和重量又随之增大，导致了运输、安装、调试、维修上的困难。其次是成本问题，电磁感应式电流互感器的成本随着电压等级的升高按几何级数增加。在这种情况下，以光电子为基础的光纤电流传感器向传统的测量方式提出了挑战，研制全新的电流传感器就成为必然。 目前为止，所研究光纤电流传感器的工作原理可以概括为四大类。 第一类是利用法拉第效应(Faraday Effect)测量电流； 第二类是利用磁致伸缩效应测量电流； 第三类是利用电磁感应原理(例如Rogwski线圈)测量电流； 第四类是利用光栅原理和集成光学技术测量电流。 具体采用的光路和电路也各不相同，有采用起偏器、检偏器测偏振角变化的，有采用Sagnac或Mach-Zehnder干涉仪测相位变化的，也有采用数模、模数转换技术测电流电压的等等。其中基于法拉第效应的光纤电流传感器是当前研究热点。 近几年间，国内外学者对光纤电流传感器的研究屡有成果。如：一种高度灵敏的小型光纤电流传感器的研制[1]；使用刻在保偏光纤上的长周期光纤光栅作为传感器解调器的一个简单光纤电流传感器[2]；基于双折射效应光纤布拉格光栅电流传感器[3]；基于改进相位调制反射式光纤电流传感器的设计[4]；光纤布里渊光纤电流传感器；复用干涉电流传感器；带有温度补偿的光纤布拉格光栅电流传感器等。
干涉型光纤传感器的信号处理设计
干涉型光纤传感器的信号处理设计 高志宇，洪小斌，伍剑，徐坤，林金桐 北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876） E-mail：gaozy@https://www.wendangku.net/doc/1717383431.html, 摘要：应用马赫－泽德干涉仪设计的具有双向干涉结构的光纤传感器，用于实现分布式振动传感定位。本文针对这种传感器结构，深入研究了相关运算和基于AR模型的功率谱估计方法，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。在此基础上，采用DSP和PC 机组成的平台实现信号的实时处理并得出定位结果。 关键词：光纤传感器，相关运算，AR模型的功率谱估计，DSP 1．引言 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无线电波及电火花干扰传输的光波信号。同时，光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任意形状的传感器。更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声，电、磁、温度、压力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。 光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作。由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等特征参量就随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测量对光的调制方法不同，传感型光纤传感器可分为强度传感器、频率（或波长）传感器、相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器（即各种光纤干涉仪）的灵敏度最高。光纤干涉仪将光波的相位信息转换位强度信息，通过检测光强信号分析出所测物理量。本文中所讨论的干涉型光纤传感器，对外界振动及压力变化进行准确定位。其中定位的准确程度决定于传感器信号处理算法的设计，故以下将从传感器的系统结构入手，着重介绍干涉型光纤传感器实现定位的信号处理算法。 2．干涉型光纤传感器的系统结构 干涉型光纤传感器所采用的干涉结构通常有四种，迈克尔逊（Michelson）干涉仪、马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪、塞格纳克（Sagnac）干涉仪和法布里－珀罗（Fabry-Perot）干涉仪。以光纤作为上述干涉仪的光路介质，就构成了干涉型光纤传感器的基本结构，本文中介绍的光纤传感器将采用马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪结构。 2.1 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器原理 M-Z干涉型光纤传感系统的线路传感部分是一种典型的M-Z干涉仪。它的基本结构如图1所示。两个耦合器分别用来进行合束和分束，由两根光纤构成的干涉臂位于耦合器之间，其中一条作参考光路，与外界隔离，另一条作传感光路，测量传感光路中光相位的改变，可获得外场变化信息。