文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 反射式光纤电流传感器毕业设计论文

反射式光纤电流传感器毕业设计论文

反射式光纤电流传感器毕业设计论文
反射式光纤电流传感器毕业设计论文

毕业设计(论文)资料

设计(论文)题目:反射式光纤电流传感器

的分析及设计

系部:电子与通信工程系

专业:应用物理学

学生姓名:

班级:一班学号2007041

指导教师姓名:职称讲师

最终评定成绩

长沙学院教务处

二○一一年二月制

目录

第一部分毕业论文一、毕业论文

第二部分过程管理资料

一、毕业设计(论文)课题任务书

二、本科毕业设计(论文)开题报告

三、本科毕业设计(论文)中期报告

四、毕业设计(论文)指导教师评阅表

五、毕业设计(论文)评阅教师评阅表

六、毕业设计(论文)答辩评审表

2011届

本科生毕业设计(论文)资料第一部分毕业论文

(2011届)

本科生毕业论文

反射式光纤电流传感器的分析及设计

系部:电子与通信工程系

专业:应用物理学

学生姓名:

班级:一班学号 2007041118

指导教师姓名:职称讲师

最终评定成绩

2011年5月

长沙学院本科生毕业设计

反射式光纤电流传感器的分析及设计

系(部):电子与通信工程系

专业:应用物理学

学号: 2007041118

学生姓名:

指导教师:讲师

ABSTRACT

As the voltage and current levels increase, the traditional assolenoid style current transformer cannot satisfy the measurement requirements. Optical fiber current sensor as an new power detection equipment, by its unique advantages and has a good prospect in the market.

Based on optical fiber current sensor research and applications for background, mainly in reflective optical fiber current sensor in the principle and characteristics of further research. This paper first discusses the compared with traditional sensors, optical fiber current sensor has the advantages ,Then, at home and abroad optical fiber current sensor of a simple overview of the state, summarizes the advantages and disadvantages of different optical fiber current sensor. According to the existing deficiency of optical fiber current sensor, and proposes an reflex of fiber current sensor, improve the sensitivity of the optical fiber current sensor, and analyses the deep theoretical research. First, the detailed discussion on Faraday magneto-optic effect, then the basis of the principle of using Jones matrix, reflective optical fiber current sensor for a theoretical analysis and calculation, obtained reflex current sensor mathematical model. The influence of various factors sensor measurement accuracy, the overall theoretical analysis, and from the Angle of polarization and from every physical process detailed analysis. Finally, the reflex current sensor model in each device design and choice; To further design optical fiber current sensor laid a theoretical foundation.

Keywords:Optical fiber current sensor,Jones matrix,Fraday effect

目录

摘要........................................................................... 错误!未定义书签。ABSTRACT ..................................................................................................II 第1章绪论 (1)

1.1 光纤电流传感器概况及意义 (1)

1.2 光纤电流器的分类 (2)

1.2.1块状玻璃型光纤电流传感器 (2)

1.2.2 偏振调制型光纤电流传感器 (3)

1.2.3 相位调制型光纤电流传感器 (3)

1.3 光纤电流传感器的发展情况 (4)

1.4 本论文的主要工作 (5)

第2章光纤电流传感器的基本理论及分析方法 (7)

2.1 偏振光 (7)

2.2 偏振的Jones矩阵分析法 (8)

2.2.1 偏振光的琼斯矢量表示法 (8)

2.2.2 正交偏振 (10)

2.2.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法 (10)

2.2.4 偏振光系统的琼斯矩阵分析法 (13)

2.4 本章小结 (16)

第3章反射式光纤电流传感器模型设计 (17)

3.1 结构设计 (17)

3.2 反射式光纤电流传感器的偏振态分析 (18)

3.3 反射式电流传感器的琼斯矩阵分析 (19)

3.4 本章小结 (22)

第4章反射式光纤电流传感器器件的选择 (23)

4.1 光源 (23)

4.2 λ/4延迟器的设计 (24)

4.3 相位调制器 (26)

4.4 光电探测器 (27)

4.5 本章小结 (27)

参考文献 (29)

致谢 (30)

第1章绪论

1.1 光纤电流传感器概况及意义

电力工业是国家经济建设的基础工业,在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展,对电力的需求日益增大,电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高[1]。电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用,它们为电力系统提供用订量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面,要求测量装置具有很高的测量准确度及稳定性,而为了系统保护的需要,要求测量装置测试速度快、反应迅速。同时,力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要求。

目前,对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流传感器,这种传统的电磁感应式电流传感器在应用的过程中,积累了丰富的实践经验,它的各种技术性能、指标均还保持着一定的优势,同时电磁式电流传感器的原理简单,可靠性高,不易损坏[2]。上述这些优点,是其得以普遍使用的主要原因。但是由于电磁式电流传感器结构、原理的特性,使得它存在以下几个致命的缺点:

(1)存在绝缘的问题,充油的电磁式电流传感器使用在高压环境时,有可能发生绝缘击穿,从而引起对地短路或者突然爆炸的危险;

(2)存在磁饱和的问题,电流传感器铁芯在被测量电流异常增大的时候,将出现磁饱和,这严重影响了电流传感器的测量准确度;

(3)存在电磁干扰的问题,在高压环境中,电磁式电流传感器的电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰,影响测量准确度;

(4)成本问题,电磁式电流传感器的成本随着被测量电流/电压等级的增大,成指数增加。这些电磁式电流传感器的缺点是由其基本结构造成的,是无法从根本上改变的。因此,在这种情况下就需要研究新型的电流传感器了,光纤电流传感器就孕育而生了。

光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的,光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的,自七十年代问世以来,受到了各国的广泛关注[3]。与传统的电磁式电流互感器相比,光纤电流传感器具有以下的优点:

(1)绝缘性能非常好,从材料来说:光纤电流传感器所用的材料主要是石

英光纤,它自身就是非常好的绝缘体;

(2)光纤电流传感器的结构中不含有铁芯,因此不存在磁饱和、铁磁谐振等问题,测量准确度得到了提高。

(3)抗电磁干扰能力强,光纤电流传感器的信号由光来传输,具有抗电磁干扰性,这样它测量的准确度也能增大,

(4)光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生高压的危险,从而消除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题。

(5)光纤电流传感器的体积小,重量轻。光纤传感器的传感头,重量小于l公斤。据美国西屋公司公布的磁光式345KV光纤电流互感器,其高度为2.7米,总重量为100公斤,而同等电压等级的充油式电磁式电流传感器,高为6.1米,重达7718公斤[4]。

(6)适应了电力保护和计量的数字化、智能化及光通信的发展趋势。

(7)测量的动态范围大,可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。

光纤电流传感器从问世至今己40多年,各国科技人员花费了大量心血,提出了各种各样的实现方法,但有些关键问题至今没有获得圆满解决[5]。虽然也有一些产品问世的报道,但离大规模商业应用还有较大距离。尽管困难重重,人们对光纤电流传感器的期望始终没有减少,一直在探索新的实现方法和关键技术解决途径,这都是因为与电磁式传感器相比,光纤电流传感器具有无法比拟的优点。

1.2 光纤电流器的分类

光纤电流传感器从出现以来,就被受到重视。现有的光纤电流传感器按照它的传感头的不同,可以分为全光型光纤电流传感器、块状玻璃型光纤电流传感器和混合型光纤电流传感器。

1.2.1块状玻璃型光纤电流传感器

块状玻璃型光纤电流传感器基本原理是:利用全反射,使线性偏振光通过玻璃材料内部多次反射,形成环绕通电导体的闭合光路,其结构如图1.1所示。

图1.1 状玻璃型光纤电流传感器的传感头结构

通过测量线偏振光的法拉第旋转角,从而间接的测量电流。这种电流传感器具有线性范围宽、稳定性好、精度较高、受光纤线性双折射影响较小等优点;但是存在加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点,且在光反射过程中不可避免的引入了反射相移,使两两正交的线偏光变成椭圆偏振光,从而影响系统的性能。

1.2.2 偏振调制型光纤电流传感器

偏振调制型也称为非干涉型,它不使用相位调制器,无电流时输出信号为直流量,通过检测出射光的偏振态旋转角度来确定待测电流的大小。偏振调制型光纤电流传感的基本结构如图1.2所示。

图1.2 偏振调制型光纤电流传感器结构

光源发出的光经起偏器转变为线偏振光,当线偏振光通过光纤圈时,电流产生的磁场将使线偏振光产生法拉第旋转,旋转角度与被测电流成正比。

1.2.3 相位调制型光纤电流传感器

相位调制型的全光纤电流传感器是利用外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光

的折射率不同,而线偏振光可以分解为一个左旋和右旋的圆偏振光,因而传播一段距离后,表现为线偏振光的振动面发生了旋转,而旋转角取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率之差[6]。

因此通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差,也可以实现电流的测量。如图1.3为相位调制型全光纤电流传感器的原理图。

图1.3 相位调制型全光纤电流传感器的原理图

激光光源发出的光经过起偏器后为线偏振光,通过耦合器分成两路,分别经过1/4延迟

器转换成旋向相同的圆偏振光,分别沿顺时针和逆时针方向通过传感光纤圈,由于法拉第效应,使得两束圆偏振光的偏振面发生旋转,然后再经过另一个1/4延迟器重新转换成为线偏振光返回偏振器进行干涉。由于干涉的两束光的偏振面旋转的角度大小相等,方向相反,因此其相位差为两倍的法拉第相移,因此在相同的圈数时的灵敏度为偏振调制型光纤电流传感器的两倍。只需检测输出光的相位差就能得出待测电流,因此功率波动对系统的影响比偏振旋转方案小,即系统稳定性优于偏振调制型方案主要缺点是结构中包含了Sagnac环结构,因此很容易受到Sagnac效应的影响[7]。

Sagnac效应与法拉第效应一样都产生非互易相移,检测时分辩不出,从而引起测量误差,降低系统的稳定性;传感光纤的固有双折射难以处理,由于光纤制备工艺的不完善,介质中的杂质、缺陷等破坏了光纤的轴对称性,以及使用时不可避免的弯曲等原因,使传感光纤中存在固有双折射[8]。而普通硅光纤的费尔德常数较小,光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角,为了提高灵敏度,就必须增加传感光纤圈数,这同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射,从而使传感器灵敏度远远低于理论预计值。因此,有必要对怎样抑制光纤中的固有双这射的影响进行研究。

1.3 光纤电流传感器的发展情况

20世纪60年代,在1963年安装在美国俄勒冈州Bonneville电力局(BPA)的230kV电网上装置“Traser”,它通过玻璃波导实现了信号传输,这是光纤电流传感器的最初形式。同时,G.H.Moulton等人设计了一套高压保护装置,采用了光脉冲传输原理[9]。S.Saito 等人进行了超高压电力线电流测量研究 (日本),他们采用的是磁光效应原理。可以看出,这一时期的研究为全光纤电流传感器的发展打下了初步的理论和技术基础,是光纤电流传感器的兴起阶段,光纤电流传感器理论、方法的试验时期。20世纪70年代,光导纤维制造技术逐步完善,光纤电流传感器因此也得到了迅速发展。人们发现:全光纤型光纤电流传感器因为具有结构简单、重量轻、形状随意等优点,它一被提出,就成为了研究者们追求的目标[10]。1977年英国电力研究中心的A.J.Rogers和A.M.Smith等人从原理方面对全光纤电流传感器进行了大量的研究,在实验室对实验装置进行试验并获得成功,在1979年成功安装在发电站上,开始试运行,并取得了成功。在此之后,德国A.Papp等人对全光纤式光纤电流传感器的原理、构成、特性、测量及信号处理等方面,进行了系统专题研究,取得了较大的成果[11]。他们的研究为光纤电流传感器的进一步发展做出了巨大的贡献。

90年代起,各国对光纤电流传感器的研究进一步深入。在1994年,ABB公司研发生产出了多种电压等级的交流、直流数字光电式光纤电流传感器。NxtPhase公司采用相位调制原理研制出了全光纤电流传感器,有230kV和138kV两个电压等级,在正常计量范围

准确度高达士0.2%段[12]。在1998年,光纤电流传感器通过各种工业性试验,开始商业生产。

2000年5月12日,NxtPhase公司在英国的Ingledow变电站安装了额定电压为230kV的三相(B)式传感器,第二年lO月29日,该公司又在Rolls Royce燃气轮发电站安装了一个138KV的三相试制系统。该三相NXVCT系统的光学器件的性能与传统没备的性能相比:能够提供从三个高压侧测量VCT、三个低压侧测量CT和三个保护CT接收的所有信息。NxtPhase公司的3个可以代替9个原有装置。NxtPhase公司计划在今后将安装更多的电压电流传感器,电压等级将扩展到765KV[13]。

相对于国外的情况,国内的研究比较晚,无论从技术上和研究成果来看,都相对于落后。开始是主要集中在国内一些著名高校,如清华、华中科技大学等,他们首先做大量的理论研究和实践工作,为推动国内的光纤电流传感器的发展奠定了基础。随着理论技术的成熟和市场需求的增加,国内一些有实力的集团和厂家开始和高校合作,共同研制。如沈阳互感器厂、保定天威集团、上互公司等,这些厂家在生产互感方面有着丰富的经验,并且具有很强大的经济实力和专门的优秀人才,在自主研发和引进国外先进技术相结合的基础上,最光纤电流传感器进行专门研制和研发。这一时期,推动了我国光纤电流传感器事业的发展。但是,国内的研究工作还是主要集中在原理性实验性样机的实现上,一般是从检测方案、信号处理方面来进行研究,还没有触及到如何保持光纤传感头性能的环境稳定性问题上,在全光纤电流传感器的研究上落后于国外。从整体的发展来说,现在光纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量,同时被用于导弹、飞机、有人工智能装置的小型炸弹等的导航系,而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合,还可研制开发出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。对光纤电流传感器的研究不仅具有重要的科研意义,而且在军事、工业应用上也非常的重要,随着光电技术及其相关技术的迅速发展,光纤电流传感器的应用前景将日益广阔。

1.4 本论文的主要工作

本文主要分析光纤电流传感器技术,在深入研究了光纤电流传感器技术的基础之上,重点研理论上研究了反射式光纤电流传感技术。本论文的主要工作如下: 第一章,概述了研究光纤电流传感器的背景和意义,总结了几种光纤电流传感器的特点,并分析了其在国内外的发展状况。

第二章,本章介绍了Faraday效应的宏观理论;介绍了分析偏振系统的Jones矩阵法;推导了几种主要偏振器件的琼斯矩阵,为系统模型的建立打下基础。

第三章,深入地研究了光纤电流传感技术的理论基础,并从偏振态的角度详细的分

析每个物理过程,分析了光的偏振变化;然后利用琼斯矩阵,针对反射式光纤电流传感器进行了理论上的分析计算。

第四章,考虑反射式光纤电流传感器的特性和应用的环境等因素,针对性的对反射式光纤电流传感器系统的光源、光电探测器、相位延迟器、相位调制器等各个部件进行了详细的设计,确定了反射式光纤电流传感器器件的选择。

最后进行了总结和展望。

第2章 光纤电流传感器的基本理论及分析方法

光纤电流传感器是基于Faraday 效应来检测电流大小的光学传感器件。Faraday 效应是指线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转的现像。Jones 矩阵是研究光的偏振及偏振系统的有效方法[14]。

2.1 偏振光

光是频率极高的一种电磁波,它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时,理论和实验表明,对光检测器起作用的是电矢量而不是磁矢量,所以只需考虑电场的作用,因此用电矢量来表示光矢量。

光波是横波,因此光波具有偏振性。就偏振性而言,光一般可以分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中,光矢量的方向不变,其大小随相位变化的光,这时在垂直于传播方向的平面上,光矢量端点的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中,其光矢量的大小不变、方向规则变化,其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均规则变化,光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直、相位有关联的线偏振光来表示。

设光波沿z 轴传播,则光矢量必然在垂直于z 轴的xy 平面上振动,则光波可以表示为:

00cos()E E τδ=+

(2.1)

2.1式中: 0,t kz τωδ=- 为初相位。 用分量的形式可以表现为

0102=cos()

=cos()=0

x x y y z E E E E E τδτδ++ (2.2)

其中和2δ分别为x ,y 分量的初相1δ位,不同的取值可表示不同的偏振态,令初相位差

12σδδ=-,化简公式可以得到:

2

22

2

2

0000112

cos sin y x x

y

x

y

x y

E E E E E E E E σσ+

-= (2.3)

由式(2.3)可知:当

2,0,1, 2...

2

m m π

σπ=

+=±±为线偏振光;当2,

2

m π

σπ=

+

0,1, 2...m =±±时,为左旋圆偏振光;当2,0,1, 2 (2)

m m π

σπ=-+=±±时,

为左旋圆偏振光,其他情况为椭圆偏振光。

2.2 偏振的Jones 矩阵分析法

Jones 矩阵为偏振光及偏振器件提供了一种最简练的表示方法。利用矩阵运算来推算出偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态的改变情况.而不必去追求其中每一个过程的具体物理意义,这就是偏振的琼斯(Jones)矩阵分析法[15]。

2.2.1 偏振光的琼斯矢量表示法

设偏振光E 的两个正交分量的复振幅分别为

12

12==ia x ia y E a e

E a e

(2.4)

矩阵表示法就是用一个称为琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光

1212ia x ia y E a e E E a e ??

??==????????

(2.5) 偏振光的强度是它的两个分量的强度之和,即

2

2

22

12

x

y

I E E a a =+=+ (2.6)

通常关心的往往是光强的相对变化,因此归一化琼斯矢量可以写为

1212

2

212

1ia ia a e E a e a a ??

=

??+??

(2.7)

考虑到偏振态的形状、位置及旋向仅取决于两分量的振幅比a= 2

1

a a ,相位差21a a δ=-,

因此归一化琼斯矩阵也可以写为

12

2

12

1i a E ae a a δ??

=

??+??

(2.8) 上式中略去了公共位相因子1

ia e .

下面是求取偏振光归一化琼斯矢量的例子。 (1) 光矢量与x 轴成θ角、振幅为a 的线偏振光

cos x E a θ= sin y E a θ= 2

2

2

x

y

E E a

+= (2.9)

归一化琼斯矢量为

cos cos 1sin sin a E a a θθθθ????=

=????????

(2.10)

(2)长轴沿X 轴,长短轴之比为2:1的右旋椭圆偏振光

2x E a =2

i

y E ae

π

-=2

2

2

5x

y

E E a

+= (2.11)

归一化琼斯矢量为

12

2

12

1i a E ae a a δ??

=

??+??

(2.12)

同样方法可以写出其它偏振态的琼斯矢量,表2.1列出了一些偏振态的归一化琼斯量。

表2.1 一些偏振态的琼斯量

偏振态

琼斯矢量

线偏振光

光矢量沿X 轴

10??

???? 光矢量沿Y 轴

01?????? 光矢量与X 轴成45

1112????±?? 光矢量与X 轴成θ角

cos 1sin 2θθ????±?? 圆偏振光

右旋

112i ????-?? 左旋 112i ??????

通过简单的矩阵运算,可以方便的求出若干个偏振光叠加后新的偏振态,如左右圆偏振光的叠加

111112022L R E E E i i ????

??

=+=

+=??????-????

??

(2.13)

结果表明合成波是光矢量沿X 轴的线偏振光,其振幅是团偏振光分振幅的2倍。

2.2.2 正交偏振

设任意两个偏振光的琼斯矢量为

1212121212x x y y E E A A E E E E B B ????????====????????????

???? (2.14)

如果他们满足关系

120E E *

?=即 12120x x y y E E E E **

?+?= (2.15)

则表明这两个偏振光是正交的。式(2.15)中,*表示复数共轭。

可以证明,任何一种偏振态都可以用一对特定正交偏振态的两个琼斯矢量的线性组合来表示,即任何一种偏振态均存在着一对正交偏振态。

例如,对于任意偏振光A E B ??

=????

,根据矢量运算法则,可以写成

1001A A B B ??????

=+????????????

(2.16)

即可以用分别在水平与垂直方向振动的一对正交的线偏振光来表示,同时也可以写成

()()111122A A iB A iB B i i ??????=++-??????-??????

(2.17)

表明这一偏振光也可以用一对正交的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光来

表示。

2.2.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法

偏振光通过偏振器件之后,光的偏振态将发生变化。若入射光的偏振态表示为

111A E B ??

=????

,经过偏振器后变为层:12,,,N G G G ,则偏振器件的线性变换作用可以用一

个二行二列的矩阵来表示,即有

211121221

221A g g A B g g B ??????

=????????????

(2.18) 或21E G E =

1i ??

??

-??

1i ??

??

??

称矩阵 11

1221

22g

g G g g ??

=????

(2.19) 为该偏振器件的琼斯矩阵。式中11g ,12g ,21g ,22g :一般为复常数。上式表明偏振器件在偏振态转换中起着线性变换作用,新的偏振态的两个分量是原来偏振态两分量

的线性组合。

下面是求取偏振器件琼斯矩阵的例子[17]

图2.1 线偏振器坐标系

(1)线偏振器的琼斯矩阵设偏振器透光轴与x 轴成θ角。如图2-1所示建立xy 坐标系,入射光在x 、Y 轴上的两个分量分别为1A 和1B ,将它们在线偏振器透光轴方向上投影。入射光通过线偏振器后,1A 和1B 沿透光轴方向的分量1cos A θ和1cos B θ将这两个分量的组合在x ,Y 轴上再一次投影,得到出射光的两个分量2A 和2B ,即

2

211112

211111(cos sin )cos cos sin 22

1(cos sin )sin sin 2sin 2

A A

B A B B A B A B θθθθθ

θθθθθ

=+=+=+=

+ (2.20)

比较式(2-20) 、(2-18),可得线偏振器的琼斯矩阵为

2

2

1

cos sin 22

1sin 2sin 2

G θθθθ??

?

?=?

???

????

(2.21)

荧光光纤测温原理

1 概述 传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟,如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其它领域的温度传感器。它们的敏感特性主要是以电子信号作为传感媒介,即利用温度对电子信号的调制作用。而在特殊工况和环境下,如在易爆、易燃、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体,以及要求快速响应、非接触等环境下,光纤温度测量技术具有独到的优越性。由于光纤本身的电磁绝缘性以及固有的宽频带等优点,使得光纤温度传感器突破了电子温度传感器的限制。同时由于其工作原理是利用温度对光信号的调制作用,传感或传输方式多采用石英光纤,传输的幅值信号损耗低,可远距离传输,使传感器的光电器件脱离测温现场,避开了恶劣的环境。在辐射测温中,光纤代替了常规测温仪的空间传输光路,使尘雾、水汽等干扰因素对测量结果影响很小。光纤质量小、截面小、可弯曲传输,因此可测量不可见的工作空间的温度,便于特殊工况下的安装使用。光纤由于温度测量的机理与结构形式多种多样,基本上可分为两大类:一类是传光型,它利用某种传感元件把光的强度、波长等与温度有关的信息作为测量信号,由光纤将信号传递到探测器;另一类是传感型,它以光纤本身为传感元件,将光的相位、波长、强度等为测量信号。光纤温度传感器机理及特点如表1所示。 光纤传光型温度传感器通常使用电子式敏感器件,光纤仅为信号的传输通

道;传感型光纤温度传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度,光纤本身为敏感元件,其温度灵敏度较高,但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性,使其工作的稳定性和精度受到影响。其中荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到应用水平。 其中,荧光光纤测温技术可以实现不同工作情况,尤其是电磁干扰下的温度测量。荧光是辐射的去活化过程。荧光材料原子受到某一波长的辐射而激发时,辐射去活化,发出辐射。荧光是发射光,它涉及吸取和再发射2个过程,每个过程都是瞬间的,但在2个过程之间存在一时间间隔,它依赖于荧光去活化过程。 荧光光纤温度传感器不仅限于表面温度的定向测量,其探头可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中,到达特定区域。荧光测温与其它测温方法相比具有诸多优点,如实现温度的绝对测量,测温精度不受被测体表面发射率的影响,在中低温范围内有很高的灵敏度和测温精度等。 2 荧光光纤测温原理 当发光材料受到某种波长的入射光照射,吸收光能后从基态进入激发态,并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光(通常波长在可见光波段),而且一旦移除入射光,发光现象也随之立即消失,即出射光消失,具有这种性质的出射光就被称之为荧光。 荧光产生机理 由普朗克定理可知,当发光材料接收到无论哪种形式的入射光能量时,发光材料中的电子将发生能级跃迁现象,而在能级跃迁的过程中伴随着波长为λ的出射光。 其中 21hc E E hν λ -==(1)

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/2417564371.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/2417564371.html,

光纤温度传感器的设计

设计性实验报告 实验课程:医用传感器设计实验学生姓名:程胜雄 学号: 080921037 专业班级:08医工医疗器械方向 2010年12月8日

光纤温度传感器的设计 摘要:介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计,利用金属件的热膨胀的原理,通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化,当光源输出光功率稳定的情况下,探测器接收光功率受温度调制,通过光电转换,信号处理,完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段,以光作为信号载体,抗干扰能力强,测量结果稳定、可靠, 灵敏度咼。 关键词:光纤,传感器,光纤传感器,光纤温度传感器 在光通信系统中,光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中,光纤易受外界环境因素的影响;如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量,如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此,人们发现如果 能测出光波量的变化,就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小,于是出

现了光纤传感技术。 一:光纤传感器的基本原理 在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 E=错误!未找到引用源。 式中,错误!未找到引用源。是光波的振幅:w是角频率;■为初相角。 该式包含五个参数,即强度错误!未找到引用源。、频率w、波长错误!未找到引用源。、相位(wt+ J和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已知调制的光信号进行检测,从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时,使的强度发生变化,就称为强度调制光纤传感器;当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时,就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。 (一)强度调制 1.发光强度 调制传感 器的调制 原理光 纤传感器 中发光强度的调制的基本原理可简述为,以被测量所引起的发光强度变化,来 实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图 5-39所示。光源S发出的发 光强度为错误!未找到引用源。的光柱入传感头,在传感头内,光在被测物理 量的作用下强度发生变化,即受到了外场的调制,

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

的基础上,可以实现lOOM的定位误差。采用DSP和PC机合理分配运算负担,可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。 第一章绪论 1.1引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置,它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。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会随之变化,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。根据被测物理量对光的调制方法不同,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。20世纪70年代以来,在飞速发展的光纤通信技术的带动下,光纤传感

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,

光纤温度传感器

光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041

光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点,比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点,详细介绍了光纤温度传感器的原理,种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域,本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构,工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词:光纤传感器,光纤温度传感器,运用领域,空调器,空调器原理 1 引言: 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器.它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点,其中几种主要的光纤温度传感器:分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件,对被测对象不产生影响;光纤耐高压,耐腐蚀,在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽,动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合,实现远距离测量和控制;体积小,重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理,特点和应用范围。70 年代中期,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年,美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划,这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后,光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间,光纤传感器己达近百种,它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看,己有一些形成产品投入市场,但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件,对被测对象不产生影响;光纤耐高压,耐腐蚀,在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽,动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合,实现远距离测量和控制;体积小,重量轻等。目前,世界各国都对光纤传感器展开了广泛,深入的研究,几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤

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/2417564371.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:*""",(-.-(!""!)"*,""*%,"/ $%&’()’)(*+,*-.’/+’0%1.21%%3-2,&%/411%).&&%)&*1012345,67+89:;5<=>?5@ ,67+89A 4;C 5(5/26*+78%/67)(’)6,9,)&2,):)’;%1&’.<,=’)24,)( >,*!""!!#,?2’),)@0&.1,/.:+>D E F 4G H I J 4B K 4E ?F L ?5L H F 4L I F H I H L ?GM 4J >J >F ??L ?5L H F >?C G L ,C H I J 4B K 4E ?F L ?5L 45@C F N ,C L 4@5C O I F H 4B >B C 5N ?C L ;F ?J >F ??C L ?B ;F F ?5J L L 4N ;O J C 5?H ;L O D ,C 5 G 4J L ?P I ?F 4N ?5J C O F ?L ;O J L 45L 45@O ?I >C L ?4L C E C L ?B H N I F ?L L J >?H F D ,J >?L D L J ?NB C 55H J E ??K K ?B J ?G E D H ;J L 4G ?L O H MQ C F 4?J D L ;B >C L J ?N I ?F C J ;F ?’R H N I C F ?GM 4J >B H N N H 545J ?F K ?F H N ?J ?F L ,J >?O 45?C F 4J D F C 5@?H K J >4L L D L J ?NM C L ?5O C F @?G E D !!"J 4N ?L K H F I >C L ?B H N I F ?L L ’A ,&:J >F ??C L ?B ;F F ?5J L ;I >C L ?B H N I F ?L L ;45J ?F K ?F H N ?J ?F !引 言目前电力系统中,对于高压电流的测量大都采用以电磁感应原理为基础的电流互感器(B ;F F ?5J J F C 5L K H F N ?F L R #)。这种传统的测量技术,随着电网电压的不断增加,出现了许多不足:动态范围小,约!!/个数量级; 故障电流时出现磁饱和,同时对故障电流的测量准确度严重下降;铁磁共振效应、磁滞效应、电磁干扰现象严重;二次侧开路出现高电压; 体积大、质量大、价格昂贵、运输安装难度大 [*,!]。针对这些问题人们作了多方面的努力,而当前最流行最有应用前景的就是光纤电流传感器(K 4E ?F H I J 4B B ;F F ?5J L ?5L H F L S R T )的研究。普遍流行的基于法拉第磁光效应的S R T 已取得了较大的进展,采用光纤干涉技术也可以测量高压电流,而且避免了温度对 法拉第磁光效应式光纤电流传感器的影响 [/,%]。而多数研究只针对单项电流的测量,对于三相电流的同时测量需采用三套同样设备,成本很高。设计收稿日期:!""*,"-,!/ 出一套光纤干涉式检测系统实现对三相电流的同时检测。系统把相位压缩原理应用到光路中实现了微分干涉目的,消除了温度等缓变量的影响、扩大了测量的动态范围。由于只采用三个传感头、一套光路、一套信号处理系统,大大简化了结构。可以说该系统对于我国电力事业的迅速发展、未来的“光纤化”电站的实现将起到一定的推动作用。 C 三相电流传感器的设计原理 系统结构如图*所示。传感头部分是实现电流到光相位的转化。三个型号完全相同的空心线圈R #把高压电流转化为小的电压量分别加在压电陶瓷)$*、)$!、)$/上。高压电流量通过空心线圈可以线性的被转换为电压量,避免了使用电磁式R #的磁饱和非线性问题。利用压电材料的逆压电效应把电压转变成相位信号。实验证明,空心线圈接压电材料负载时电流与电压有很好的线性关系及大的动态测量范围。 % *传感器技术(:H ;F 5C O H K #F C 5L G ;B ?F #?B >5H O H @D )!""!年第!*卷第*期 万方数据

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。

光纤温度传感器简介

光纤温度传感器 摘要:本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势,分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理,最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字:光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中,有很多温度测量问题,传统的温度传感器有热电偶,热电阻温度传感器,热敏电阻温度传感器,半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比,它具有灵敏度高,体积小,质量轻,易弯曲,不产生电磁干扰,不受电磁干扰,抗腐蚀性好等等优点,特别适用于易燃,易爆,空间狭窄和具有腐蚀性强的气体,液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制,振幅调制,偏振态调制;按工作原理分,光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体,而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比,虽然灵敏度稍差,但可靠性高,实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码,具有传统传感器不可比拟的优势,近年来光纤光栅成为发展最为迅速,最具代表性的光纤无源器件之一,已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应,其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,满足如下光学方程: =2nA 式中:为Bragg波长,A为光栅周期,n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视,是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理,以获得测量结果,传输光纤用于传输光信号,光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光,如图1所示:

光纤温度传感器

光纤温度传感器的种类很多,除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外,还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等,由于其种类很多,应用发展也很广泛,例如,应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。 分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展 光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展,由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等,都需要使用光纤传感器进行测量,因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善,经过在电力系统行业的应用,从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。 光纤光栅温度传感器在建筑业的发展 光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点,被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统,进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作,例如,美国墨西哥使用光栅温度传感器,对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用,光栅温度传感器所存在的问题,如:交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决,因而此系统得到了完善。 航空航天业中的应用发展 航空航天业使用传感器的频率较高,包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测,都需要使用光纤温度传感器进行检测,并且所使用到的传感器数量多达百个,所以对传感器的大小和重量要求很严

格。因此,基于航空航天业对传感器的要求,光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。2222222分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器,通常用在检测空间温度分布的系统,其原理最早于1981年提出,后随着科学家的实验研究,最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究,分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射(OTDR)和布里渊散射(OTDR)的研究已取得了很大的进展,因此未来的传感器研究热点,将放在对基于喇曼散射(OTDR)的新分布式光纤传感器的研究上。最近,土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器,此传感器的温度分辨率是1℃,空间分辨率是1.23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究,例如,中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统,其检测温度为-49℃~150℃,温度分辨率为0.1℃。 光纤荧光温度传感器 当前最热门的研究,就是针对光纤荧光温度传感器,其是利用荧光的材料会发光的特性,来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时,就会出现发光的情况,发射出的光参数和温度是有着必然联系的,因此可以通过检测荧光强度来测试温度。世界各国的高校都设计过此类传感器,例如,韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤,在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃~290℃;我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光,进而以光随温度改变的原理,研发出了温度范围是0℃~

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。