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
第一章选题背景
§1.1研制光学电流传感器的意义
由于电力工业的快速发展，传统的电流测量设备已经越来越不能满足要求。传统的电流测量设备，电流互感器和电压互感器是应用电磁感应原理，其自身的测量机制决定了他们在高压下以及超高压下，存在绝缘困难，易发生爆炸，测量范围和测量精度受到限制以及电力系统故障状态下易饱和等缺点。而光纤电流传感器技术的快速发展，特别是其良好的电气绝缘性能，耐腐蚀性好，频响极快等有点使其具有极大的研究和应用前景。但同时，现阶段由于其输出信号幅值较小，光路设计和制造工艺复杂，成本高等这些弱点又限制了其大规模应用。随着现代光学器件和新光纤材料和结构的研究和应用，以及光纤处理技术的发展和新的检测技术的运用，为光纤电流传感器的应用提供了广阔的前景。随着工业技术的发展，输电网络工作电压的日益提高，对高精度，高范围以及安全可靠的新型电流传感器的需求在增多，对光纤电流传感器的研究，将在全光纤电流传感器，光学玻璃，光电混合，光纤光栅，磁场传感等多个方向展开。
光学电流传感器(ｏｐｔｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ,简称ＯＣＴ)是以法拉第磁光效应为基础的,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磁场的作用而发生旋转的角度来确定电流的大小。与传统的电流互感器(ｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ,简称ＣＴ)相比,ＯＣＴ有许多优点:
(1)不含油,无爆炸危险;
(2)不含交流线圈,在故障电流下不饱和;
(3)不含铁芯,无铁磁共振和磁滞效应;
(4)抗电磁干扰;
(5)体积小、质量轻、易安装;
(6)与高压线路完全隔离,运行安全可靠;
(7)测量带宽宽、准确度高。
因此,ＯＣＴ必将逐步代替传统的ＣＴ,具有很高的经济价值。
§1.2光纤电流传感器研究新进展
早在1894年,在Michael Faraday发现磁光效应49年之后,就有人提出用光学原理测量电流的想法[1],但光学(含光纤)电流传感技术的发展主要还是自本世纪七十年代开始的。通常光学电流传感器可分为四个类型:全光纤型;块状光学材料(块状光学玻璃或钇铁石榴石简称YIG)型;混合型和磁场传感器型。它们各自的优缺点及面临的问题已在较早的综述文章中予以阐述。限于篇幅,本文仅介绍全光纤电流传感技术的研究进展。全光纤电流传感器始终是光学电流传感技术研究领域所关注的主要方向之一。使其实用化的关键问题是如何克服光纤内存在的线性双折射对系统性能的不良影响。为此,自70年代以来已提出了近十种方案,其中包括“退火光纤”、“扭转光纤”和“干涉仪”方案。自1994年以来,此研究在光纤处理技术、新结构光纤及新材料光纤方面均取得了一些新进展。
§1.2.1技术改进
§1.2.1.1 光纤处理技术新进展为了抑制光纤中的线性双折射,曾分别提出用扭转光纤[4]或退火光纤[5]制作电流传感头的方案。其中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性双折射;退火处理可明显降低光纤中存在的弯致线性双折射。最近Rose等人将这两种方法结合起来,将扭转过的光纤再经退火处理后用来制作电流传感头,使灵敏度与温度稳定性均获得明显改善,实验所得归一化灵敏度高达99%以上,温度稳定性达1.3310-4/°C。该报告同时报道了对该技术方案的理论分析。
§1.2.1.2 利用倒易性消除线性双折射设计新方案线性双折射具有倒易性,Faraday效应则是非倒易的。二者间的这种差别可用来消除线性双折射的影响。Fang小组近来采用强度型倒易非敏感结构(IRIS-based)光路设计 (图1),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, 系统对线性双折射及传输损耗的敏感性降低20倍。在采用旋制光纤(spunfiber-based)的传感系统中,需与其它辅助技术诸如波长控制技术与极-零点消除(pole-zerocancella-tion)技术联用,以消除强度-偏振耦合效应。仿真结果表明此技术可使传感器的稳定性趋于最大。
§1.2.1.3 干涉仪检测方案由电流感应产生光波偏振面偏转即Faraday效应可描述为电流导致的圆双折射变化或相位变化,该变化可用干涉仪检测。其中Sagnac干涉仪具有下列优点:可采用简单的全光纤结构而不必使用偏振片,对输入光无偏振要求,可用于低相干光源。更重要的是利用其具有共模抑制作用的结构可使其不受任何具有倒易性的因素,诸如光强改变、输入偏振态改变、弯致线性双折射及扭致圆双折射等的干扰,检测出具非倒易性的Faraday效应。干涉仪与外差技术结合可使系统具有三个量级的动态范围,并可排除各种低频干扰。但温度变化产生的圆双折射变化对某些干涉仪系统的影响仍是尚待解决的问题。典型的Sagnac干涉仪的两个响应函数可分别表示为R1(I)=sin2(μVNI)和R2(I) =cos2(μVNI),其中μ为光纤的磁导率,V是光纤的菲尔德常数,N是围绕载流导体的圈数,I是待测电流的强度。然而对于小信号检测(干涉仪用于检测Faraday效应即如此)而言,这两个响应函数的斜率均趋于零且具有明显的非线性;同时由于它们都是电流的偶函数,在检测响应函数超过半个周期的大信号时输出不再具备单值性。为克服这些问题,Veeser和Day在1990年将带有光纤耦合器的Sagnac干涉仪引入到电流传感技术之中。由此引进的三个响应函数分别为
R1(I)=49cos2(μVNI-π3)、
R2(I)=49cos2(μVNI)
R3(I)=49cos2(μVNI+π3)。
从而将系统的工作点移到了第一、三个响应函数斜率达最大值的87%(零电流时)且相对变化的位置,系统的线性也得到显著的改善。然而近来的理论分析表明[17],其响应函数依赖于注入耦合器的光的偏振态。对于无损耗零双折射的系统,仅当输入光为圆偏振时才能获得相差120°相移的三个响应函数。当输入线偏光或去偏光时,其相移变成180°并在小信号处产生零斜率。
不仅如此,两信号还会退化,使其表现与采用232耦合器的系统类似,从而失去了采用333耦合器所预期的优越性。文献[14]在带有333光纤耦合器的Sagnac干涉仪的传感光纤环的两端分别加入一个光纤四分之一波片,以保证注入圆偏光,并用仿真方法分析了四分之一波片、传感环中的线性双折射及事先扭转光纤产生的圆双折射的影响。其不带有任何有源或无源温度补偿装置的实验结果显示出优于偏振检测方案或普通Sagnac干涉仪方案的温度稳定性。Frosio等人首次提出了一种所谓“串联式Sagnac干涉仪(in-lineSagnacinterferometer)”方案[18],其实质为半Sagnac干涉仪方案,其原理如图2所示。两个互相正交的线偏光注入高双折射光纤的两个双折射轴后,每个线偏光在往返过程中分别利用了不同的两个光轴,致使二者总光程完全相同。在经过1/4波片后,每个线偏光都成为圆偏振光。若在波片与反射镜间存在Faraday效应,则圆偏振光间将产生非倒易性相位差。于是经过一次往返之后,每个输出线偏光都经历了两次Faraday效应并产生4ΦF的相移。这里ΦF=VNI为N圈光纤产生的Faraday偏转。光纤及光纤元件中的线性双折射的影响则在线偏光往返传输过程中因其具备的倒易性而互相抵消掉。用40A电流所做的实验获得了0.015A/Hz的噪声电流。该值为理论计算所得散弹噪声值的20倍。该实验也显示了很好的稳定性。作者给出了对此系统的理论分析,并分别考察了高、低相干光源对系统性能的影响。
Blake等人则进一步研究了机械振动、环境温度变化、实用偏振调制器的不完备性、四分之一波片的不完备性、传感光纤中双折射等对采用“串联式Sagnac 干涉仪”方案系统的影响及克服的办法。实验结果显示其精度超过0.3%,动态范围大于105,系统噪声为0.3A/Hz,该值已十分接近Sagnac干涉仪的散弹噪声限。理论与实验研究的结果表明:该设计除了保持了偏振检测方案及Sagnac 干涉仪方案的共同优点之外,与Sagnac干涉仪相比,其灵敏度增加了一倍、显著地降低了传导光纤对振动与温度变化的敏感程度、并减少了所用的光学元件的数量。与偏振检测方案相比,其灵敏度为偏振检测方案灵敏度的四倍,并减小了对元件稳定性的要求。由于该系统采用了带有反射镜的单端传感光纤
设计,在安装时不必断开载流导线,利于实用。3 新光纤材料:燧石玻璃光纤克服线性双折射问题的另一思路是寻找低光-弹性系数的玻璃材料来制作光纤,从而降低光纤内部的光弹性效应,以减小线性双折射。燧石玻璃就是一种具有极小光-弹性系数的较理想的玻璃材料。用于840nm波长的燧石玻璃单模光纤在第九、第十次光纤传感器国际会议上均有报道。实验表明:其内在双折射及弯致双折射均小到可忽略不计。采用此种光纤的电流传感器亦有报道。两年后,用于1.55μm的燧石玻璃单模光纤亦见报道。其光-弹系数及菲尔德常数分别为-6310-15/Pa和 3.75310-6rad/A2turn。普通石英玻璃的相应系数则分别为3.5310-11/Pa和4.4310-6rad/A2turn。二者相比知燧石玻璃的光-弹系数降低了四个数量级而菲尔德常数则仍在同一量级。在椭圆度为0.4%条件下实验测得的内在线性双折射为1.8°/m;在弯曲半径为30mm条件下的弯致线性双折射可略而不计。用此种光纤制成的电流传感器其输出线偏光的消光比大于30dB,测量4300Arms电流时误差不超过±1%,温度系数约为10-4/°C,在-20°C～80°C范围内误差保持在±0.5%,在108kA范围内可实现精确测量,最大可测电流达200kA。燧石玻璃光纤电流传感器已于1995年投入场试,至1996年3月仍在正常运行之中[24]。文献[25]则在报道燧石玻璃光纤电流传感器的同时介绍了一些实用化时需采用的技术处理措施。
§1.2.2 新光纤结构
为了减小线性双折射的影响,Takahashi等人报道了一种用于电流传感的带有双层包层结构光纤[26]。在比较了三种可能的材料的性能后,他们选择在宽温度范围内具有稳定的杨氏模量的硅材料做第一包层,考虑到其机械性能比较脆弱,又选用丙烯酸盐材料做成第二包层对其加以防护。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。采用此种光纤作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3.8Arms,在-20°C～90°C温度范围内灵敏度变化±0.4%,该值与硅材料的菲尔德常数的温度系数相应,用8g振动加速度做的振动实验在3.8Arms背景噪声电平上未见明显响应信号,8h时间稳定性实验测量精度保持在±0.15%以内。5 对系统性能的专项研究系统温度稳定性、振动稳定性与抗外部杂散场干扰能力是实现光纤电流传感器实用化必须解决的问题,也是光纤电流传感技术研究的焦点所在。近年来在这三个方面均有理论或实验研究的报道。
1 温度稳定性研究旋制高线性双折射(SHB)光纤适于用作高灵敏、温度特性稳定的光纤电流传感元件。Laming等人曾对采用SHB光纤及不同检测方案的光纤电流传感器作过仿真与实验研究[27]。近来Qian等人用模式耦合理论研究了SHB光纤的两个本征模式场及其传输系数,进而研究了用SHB光纤作电流传感及其温度补偿的机理,并导出了灵敏度及温度稳定性与SHB光纤参数、光源参数间的关系。用部分相干光理论对光源对系统影响的研究结果表明:宽带光源所产生的平均效应可有效地消除温度不稳定性。
2 振动稳定性研究Short等人对采用退火光纤的不同电流感器做了声振动效应的实验研究,比较了声振动分别作用于偏振检测方案与“串联式Sagnac
干涉仪”方案的传感光纤环及传导光纤时对系统的影响,特别比较了“串联式Sagnac干涉仪”方案的光纤相位延迟线前部与后部对振动敏感性上的区别。实验结果表明:“串联式Sagnac干涉仪”方案的传感光纤环对声振动具有不敏感性,但光纤相位延迟线远离传感光纤环的部分(不与传感光纤环直接相连的部分)却对振动十分敏感;偏振检测方案的传感光纤环易受振动影响,但未见对传导光纤的机械应力扰动对系统产生影响。
3 抗外部杂散场干扰能力研究MacDougall等人采用计算机仿真与实验的方法研究了某些因素对采用偏振检测方案的纯光纤电流传感器的抗外部杂散场干扰能力的影响。实验与仿真均针对传感光纤环的不同部位分段顺序进行。研究结果表明:产生外部杂散场的干扰源的相位与频率对光纤电流传感器输出信号的大小与相位均有影响;存在于传感光纤环中的线性双折射使系统对外场产生不希望其存在的响应,此时被光纤环包围在内的载流导体的位置与形状亦应予以考虑。
§1.2.3 其它
近年来,国内外光纤传感器的研究十分活跃,研究兴趣已更多地趋向解决实用化过程中遇到的问题。国外已有一些商品化的光纤电流传感器出现在市场上。某些外国公司正试图打进并占领我国市场。我国光纤电流传感技术研究、研制与开发工作已面临激烈的竞争与巨大的压力。随着高压大电流光纤检测技术的日趋实用,制定相关的行业技术标准的问题已提上有关国际组织的议事日程。各国电力工业行政管理部门也面临制定相应的技术标准及产业政策的问题。这些标准与政策将直接关系到工业用光纤电流传感技术的发展前景。
第二章光纤电流传感器块状光学玻璃的设计
§3.1概述
ＯＣＴ的原理ＯＣＴ的测量原理见图1所示。
在光学各向同性的透明介质中,外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的线偏振光的偏振面发生旋转,这种现象称之为Ｆａｒａｄａｙ磁光效应。图1中,根据磁光效应,一束线偏振光沿磁场方向通过Ｆａｒａｄａｙ材料,偏振面会发生旋转,旋转角度θ由下式决定
θ=Ｖ∫ｌＨｄｌ,
式中Ｖ为磁光材料的Ｖｅｒｄｅｔ系数;ｌ为磁光材料中的通光路径;Ｈ为磁场强度。当磁场Ｈ是由于待测载流导体中电流ｉ产生,且光行进的路线围绕载流导体闭合时,由安培环路定律可得
θ=Ｖ2ｉ,
其中ｉ为载流导体中的电流。可见,测出角度θ,即可测出电流ｉ。
通常ＯＣＴ可分为四个类型:全光纤型;块状光学材料型(块状光学玻璃型);混合型和磁场传感器型。在这里主要介绍块状光学玻璃型。块状光学玻璃型通常采用高费尔德(Ｖｅｒｄｅｔ)系数的块状玻璃制成传感头。它不受光纤中存在的本征双折射及弯曲引起的线性双折射的影响,温度双折射和应力双折射效应也都比较小,结构较简单,系统的灵敏度比较高。
§3.2传感头的设计和改进
在块状光学玻璃电流传感器方案中,传感头由光学玻璃制成,一般用弱磁性的重火石玻璃为材料, 线偏振光经若干次全反射构成环绕导体的闭合光路。但是,绝大多数情况下的全反射将造成线偏振光电矢量的水平分量和垂直分量间的位相差,从而产生椭圆偏振光,降低了测量灵敏度。理想的传感头应满足:
(1)传感材料的Ｖｅｒｄｅｔ系数大,受温度影响小。
(2)线偏振光环绕载流导体形成闭合或近似闭合的光路。
(3)材料的双折射小。
(4)闭合环路中的光损耗接近于零,并且光的线偏振态保持不变。
§3.2.1四角形双层光路块状玻璃电流传感器方案
图2示出了四角形双层光路传感头的设计图。
从图2上可以看出这种设计的缺点是
(1)光从双层光路的下层入射进传感头,然后从上层出射,显然光路不
是完全闭合的(经过六次全反射),不闭合程度占总光路长的3.7%,
因而使得测量易受传感头中心孔中导体的位置变化影响,并易受另
外二相电流产生的磁场影响,从而降低整个电流传感器的准确度。
加之反射面多,有六个反射面需精加工,若每个面有同样加工准确
度,整个系统加工误差就将累加六次。在光路调整中不可能使每次
全反射都恰为45°,反射面越多,误差越大。
(2)(2)一般须在进光和出光面胶合一小块材料,使得光束能正入射进
入及透射出传感头。这导致光在绕导体一周时两次通过胶合面。由
于胶合面用的光学胶的折射率与材料的折射率差异较大,因而在胶
合面上会产生光反射损耗。
基于上述缺点，提出了一种双正交反射方案,但其存在问题是光路在与载流导体平行面上的投影不闭合,致使系统对垂直于待测电流的其它外部电流产生的杂散场的抗干扰能力受到影响。为解决这个问题,提出将原光路设计中第三角上第一次反射的方向由向上改为向下(见图3),其入射光与出射光的不闭合程度仅为0.6%左右,使传感头内光路在载流导体平行及垂直的两个平面上的投影均可形成闭合回路,从而提高了系统抗外场干扰的能力。
§3.2.2光学玻璃电流传感头的尺寸设计
在确定了传感头的基本结构和形状之后，便可以进行尺寸设计。块状单圈传感头如图3-1所示，其尺寸由D，L，h，d，W五个参量决定。
图3—1 块状玻璃光学电流传感头的三视图和左视图
(1) 由被测电流的大小确定传感头的中心孔直径D
为了使被测电路导体棒能从OCS传感头中穿过，传感头中心需钻孔，中心
孔的尺寸由被测电流导体的直径及封装工艺所需尺寸加上适当的裕量来确定。其中电流导体的截面A主要按产品要求的热稳定电流I th和短路时热稳定电流密度j s来计算。当额定电流密度满足需要时，热稳定电流密度也满足要求，故可按下式计算D:
（3-1）
式中m D为考虑密封及绝热时的直径裕量，m D一般可取5-20mm。
(2) 确定反射面的高度h
反射面高度h与光斑大小有关，由于从准直自聚焦透镜输出的并非理想的平行光，而是带有一定的发散，因而光束经过一段光程后，光斑将逐渐变大，为了使各反射面的光不泄漏出去，一般说来h ≥a ,a为出射光斑直径，与光程有关。
(3)确定传感头的厚度d
(4)确定传感头的宽度W
传感头的宽度W与中心孔直径D和传感头厚度d有关，当D和d确定时
W＝d+D+mW (3-2）
(5)确定传感头的长度L
传感头的长度L与中心孔直径D和传感头厚度d有关，当D和d确定时，
L＝2d+D+mL (3-3）
式中们：为长度裕量，一般取2-3mm。
从式(3—2)、(3-3)可以看出，虽然传感头一共有5个尺寸变量，但一旦被
测电流大小确定后，传感头尺寸便只与传感头厚度d和反射面h高度有关。因此，块状传感头的尺寸设计主要是确定d，h的最佳值。
§3．3 块状单圈传感头的计算及分析
建立坐标系如图3-1，x，y轴分别与传感头最前面的棱和最左面的棱在底面的投影重合，z轴与传感头底面重合，射入射点坐标为r o(W—x。，0，z。)，其中x。为宽度W与入射点x坐标的差值，表示入射点离右端面的距离。由于各反射面均为45o斜角，利用简单的等腰直角三角形的关系，可得各反射点的坐标如下：
（3-4）
由以上各点的坐标表达式，可以得到设计传感头时必须考虑的几个重要指标(1)总光程长度
令r i [x], r i [y], r i [z]分别表示ri点的 x，y，z 坐标，并引入S(ri)=ri[x]+ri[y]+ri[z]表示r i点的x，y，z坐标之和，由于光线是相互垂直的，因而环状传感头中总光程长度为：
（3-5）
(2)垂直小段的光程之和
（3-6）
(3)不闭合程度
不闭合的间隙长度为：
(3-7)
不闭合程度为
（3-8）
将式(3—2)，(3-3)代入式(3-6)，可简化为
S=4D+4d+h+2m W+2m L （3-9）
通过计算表明，光程只与传感头尺寸有关，而与入射点无关；而垂直小段光程和及不闭合程度与传感头尺寸何入射点位置均有关。
§3．4传感头尺寸及入射点的优化设计
1.尺寸优化设计
传感头尺寸优化的目标是光程最短，约束条件为各反射面和通光面的尺寸应大于光斑直径与加工裕量之和。对于块状单圈传感头，上述优化问题可表示为：
（3-10）
式中m h，为反射面高度加工裕量，a为出射光斑直径，经过距离为s的一段光程后，出射光斑直径为：
（3-11）
式中θi 为入射光斑的发散角，R f, R g分别为入射光纤的纤芯半径和自聚焦透镜的半径，NAg为自聚焦透镜的数值孔径。由于出射光斑直径a与光程s有关，不足固定数值，所以不能直接对上式求解。但用图解法可得到点A即为最优解，如图3—2所示。
图 3-2 块状传感头尺寸优化图解
此时必有d二2h，则光程为：
（3-12）
式(3-11)可简化为：
（3-13）
将式(3-13)代入式(3-12)得：
（3-14）
可算得最优解：
（3-15）2．入射点的最佳位置
传感头的结构及尺寸确定下来以后，光束的光程及光斑发散大小均为定值，光束在传感头总的行进轨迹主要由入射点的坐标所决定。调整入射点的坐标x。和z。，可使垂直段光程及不闭合间隙达到最优。
对于块状传感头，按图3-1所示结构，由r3点到r4点，两反射面之间并不是意义对应的，而是局限于一个三角形的反射区域，在该区域以外，光束将泄漏出去。这个区域的一个重要界限是由r4点所在反射面与h对应反射面的交线，其直线方程为：
（3-16）
即（3-17）
由上面的讨论及式(3-18)可得调整入射点时的一个重要约束条件：
（3-18）
式中a为出射光斑的直径，代入r3点的x，少坐标，可得：
（3-19）
入射点的优化目标为：闭合性最好，垂直段光程最短。考虑光斑的大小，由不闭合间隙及垂直段光程公式(3-5)、(3-6)，上述优化问题可表示为：
(3-20)
（3-21）
（3-22）
（3-23）
(3—20)式为闭合性的目标函数，(3—21)式为垂直小段光程之和的目标函数，由于一段闭合性比垂直段光程最短更为重要，取加权因子分别为0．7，0．3，将上述双目标优化问题转化为单目标问题：
（3-24）
图3-3 块状传感头最优入射点图解
按图(3—3)所示的图解，可得最优解为：
（3-25）
h,a的值可由式(3-22)、(3-21)确定。
§3.2.2三角形双层光路块玻璃
图4示出了正三棱镜锥光路走向图。
从图4中可看出,该模型为一正三棱镜锥,各侧面Ｓ、Ｐ、Ｑ为等腰三角形,光线走向可为Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ａ,其中全反射的反射面在Ｂ、Ｃ、ＤＥ处。这是一种双层光路四次全反射的传感头,能减少反射面,实现光路完全闭合,提高测量准确度。为了抵消全反射位相差,只须满足两个条件:(1)两次全反射的入射面相互垂直;(2)两次全反射产生的位相差相等。这样就能通过连续两次全反射补偿位相差,且使光路闭合。这种结构的传感头与四角形六次全反射传感头相比,前者光路完全闭合,仅仅是光出、入射的方向不同,闭合度为100%,高于后者。前者反射面为四个,少于后者,因此测量误差小,光路调整容易。对于通过相同外径导体的传感头,前者光路长度小于后者,光吸收少,而且光纤耦合效率高。
§3.5 块状光学玻璃型电流传感器的其它一些改进
为提高块状光学玻璃型电流传感器的测量准确度,除了改进传感头传光路径的设计方案外,还要进行其它一些改进。
§3.3.1 镀膜保偏方案
在反射表面镀保偏膜是解决反射相移的一种方法。优点是:简化传感头形状易于加工;光路在任何平面内的投影均极接近完全闭合,可提高系统抗外场干扰能力;传感头厚度可减小到双正交反射方案传感头厚度的1/2,从而改善其温度特性。
（1）多层介质保偏膜采用多层1/4波长介质薄膜技术及选择适当的反射角解决反射相移问题,提出了为了保证光路完全闭合,采用均匀的各向同性块状光学材料的单块多边形传感头设计方案。由于反射相移对入射角十分敏感,故对传感头的加工与装配需十分精心。文献[8]利用多层
介质膜保偏,用钇铝石榴石(简称ＹＩＧ)作传感材料,将系统的灵敏度
—带宽积提高到350ＭＨｚ2(°)/Ａ。该文献同时给出了反射相移对
系统灵敏度影响近似的、但十分接近实际的数学表达式。
（2）单层介质保偏膜采用单层介质膜实现保偏全反射的光学玻璃电流传感头,该方案的优点在于节省用于膜材料和膜系加工所需费用及时间。
该文献是多层介质膜方案的1/(2Ｍ),这里Ｍ是多层介质膜方案设计中
采用的1/4波长介质膜对的数目,该方案要求在镀膜过程中严格控制膜
的厚度,故提高了对镀膜工艺的要求。
§3.5.2 抑制振动在传导光纤中引入噪声
在块状光学玻璃材料电流传感器中,从光源到起偏器及从检偏器到探测器都不可避免地要使用光纤来传输光束。由于在单膜光纤中存在线性双折射,当光束通过单膜光纤后再出射时,总会显示出某种占主导地位的偏振态且该偏振态会随光纤双折射的变化而改变。特别在由检偏器到探测器的一段光纤中,其出射光的偏振态将随环境条件变化,从而影响系统输出信号的稳定性。振动在传导光纤中引入噪声的机理并力图寻求解决办法,结果表明:利用长多模光纤的消偏与消相干性能,结合选用低相干光源,可有效地抑制振动在传导光纤中产生噪声。
第三章实验以及结果分析
§2.1光学电流传感器的原理
§2．1．1光学电流传感器的调制方式
光学传感器实际就是用外界信号对光进行调制，由于光具有波长、频率、相位、振幅、偏振态等多种性质参数，只要对其中一种或几种进行调制便能构成不同测量原理的光学传感器。一般说来，光学电流传感器主要采用相位调制、偏振态调制及光强调制三种方法。
相位调制是通过电流产生的磁场的作用使处于其中的一段光敏材料中的光发生相位变化；偏振态调制是利用磁场改变光的偏振性，通过检测光的偏振面的旋转程度来检测被测磁场，从而检测电流；而光强调制则是通过电光转换，使光强与电流大小成某种函数关系。
值得注意的是通常用来检测光信号的光电探测器只能探测光的强度，而无法直接检测相位和偏振态的变化，所以对于相位调制和偏振态调制，还必须经过变换，最终变为强度调制，以方便检测。具体说来就是相位调制利用干涉技一束作为基准，另一束束受磁场作用发生相位变化。在干涉区产生后，各点的光强即为
A=A1+A2+2A1A2cosΔф(2-1)
式中Δф为相位调制造成的两相干光之间的相位差。检测到干涉光强的变化，就可确定Δф（2-1），从而得到被测电流的大小。偏振态调制则根据马吕斯
(Malus)定律，光束通过起偏器、检偏器系统，输出的光强为
P=P0COS2Ф (2-2)
式中Ф为起偏器和检偏器透光轴之间的夹角，P。为Ф=0时的输出光强，在两只偏振器之间放入光学电流传感器探头，设电流引起的法拉第旋转角为θ，则输出光强为
P=P0COS2 (Ф+θ) (2-3)
光强与被测电流大小有确定的函数关系，检测到光强也就检测到了θ，从而得到被测的电流的大小。
§2．2Feraday效应及基于Feraday效应的光学玻璃电流传感头
光学电流传感器是利用Faraday磁光效应实现的，如图2-5所示。
图2-5 光学电流传感器原理图
当通过传光媒质的线偏振光在同方向的磁场H作用下，其偏振面旋转角度θ为：
θ=V∫H.dl (2-4)
V为材料的Verdet常数。当光路绕载流导体构成闭合环路时，依安培环路定理上式可变为：
θ=V d .N l .i (2-5)
i为载流导体中流过的电流，N l为光束绕被测电流i的环路数。当没有电流通过时，调节起偏器和检偏器的透光轴使两者的夹角为45。。通以电流后，偏振面旋转θ，根据马吕斯定律：
I =I0cos2 (45o-θ)＝1/2（1+sin2θ）(2-6)
I。为入射光经过起偏器后的光强。当θ很小时，
I＝1/2（1+sin2θ）=1/2I。（1+2vi）(2-7)
利用电流交、直流分离可得：
I AC=I。vi
I DC=I。/2 (2-8)
取最终输出I=I AC/I DC=Ki, K为比例系数。即可得到被测电流的大小。
§2.2光学器件的选择：
1．光源
OCS对光元的要求主要有以下几点：
2足够大的辐射强度使光信号能被PIN光电管检测到并具有足够的信噪比；
2合适的波长范围，对传感材料透明，并使Verdet常数较大；
2使用寿命至少为10年；
2较小的过量噪声。
由于固体材料的Verdet常数是色散的，并且服从Cauchy经验公式，即Verdet常数与波长平方成反比，Verdet常数随着波长的增大而减小。另一方面，当λ<0．5／μm时，抗磁性玻璃的吸收系数比较大，因而0．55～0．9／μm的波长范围是适合的。因此波长为633nm的He-Ne激光器，波长为850nm 的发光二极管(LED)和波长为850nm的半导体激光器(LD)均可被用作光源。2．准直自聚焦透镜
准直自聚焦透镜的作用是将光纤输入的光束变为准直平行光束，便于在传感头内传播。这里采用的自聚焦透镜为径向梯度折射率透镜，它的直径很小，可使光学系统的结构趋于微型化。其端部通光面是个平面，便于光学加工，并可与光纤直接以光学粘接，使传感头光路部分牢固、紧凑、安装调试方便。选择准直透镜的基本原则应使其输出的光束准直性好，发散角小，光斑小。我们选用的准直自聚焦透镜直径为2mm，数值孔径为0．16，节距为0．25。3．光电探测器
OCS对光电探测器的要求主要有以下几点：
2相应度高
2暗电流小
2线性度好
光电探测器是利用物质吸收光辐射能量后，其电学性质发生改变来对辐射能流进行检测的，即利用光电效应。它对光波长响应有选择性，响应速度很快。在选用光电探测器时，还要了解探测器的阻抗数值以便与外围电流相匹配；了解探测器的最大允许电流及其动态线性范围，以便安全而正确的使用。
光电倍增管或光电二极管可选作探测器，光电倍增管主要用于实验室，而室外多用光点二极管。实际中，我们采用了PIN光电探测器。PIN光敏二极管是在半导体的P结和N结的中间加上一层本征型材料，用来增大耗尽层以适当增加接受光照的区域，并且这本征层的厚度可以根据材料的吸收系数加以控制，以达到使入射光子都被吸收的效果，因而比一般PIN型光敏二极管更有用。其响应时间一般在10-8～10-10S。所采用的硅PIN光电二极管在800—900nm波长范围的效率最高，而这个波段与LED的工作波段几乎完全一致。另外，硅PIN管的暗电流较小，响应度高。
4．偏振棱镜
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/f512455009.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/f512455009.html,
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，
一文深度了解光纤传感器的应用场景
一文深度了解光纤传感器的应用场景 文| 传感器技术（WW_CGQJS）光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。光纤传感器应用种类一、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，目前该项技术已经成熟，适合进行批量生产和商品化；第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。 光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。 二、光纤光栅传感器 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干
涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便。 目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。三、光纤电流传感器 电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故；大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。 四、光纤水听器 光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有
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。
光纤传感器的应用及发展
文章编号:10044736(2004)02006304 光纤传感器的应用及发展 杨春曦,胡中功3,戴克中 (武汉化工学院电气信息工程学院,湖北武汉430073) 摘 要:简要介绍了光纤传感器的特点,综述了光纤传感器的发展以及近期国际上光纤传感器的研究和应用情况,最后描述了其前景和主要研究方向. 关键词:光纤传感器;应用;光纤布拉格光栅;温度测量中图分类号:TQ 174.75+9 文献标识码:A 收稿日期:20031013 作者简介:杨春曦(1976),男,贵州铜仁人,硕士研究生.3通讯联系人. 0 引 言 光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代, 那时,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(N RL )开始执行由查尔斯?M ?戴维斯(Charles M .D avis )博士主持的Fo ss (光纤传感器系统)计划[1],这被认为是光纤传感器问世的日子.从这以后,光纤传感器在世界的许多实验室里出现.由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景,很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度,也涌现出许多成果[2].但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈,这使得它在工程上的应用较少.最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破.随着新方法、新工艺不断被引入,大量低价位高性能光纤传感器面世,而光纤与其他学科理论相结合,不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高,而且其应用领域也越加广阔.本文简要地介绍了光纤传感器的特点,并对光纤传感器近期的发展动态进行简要地概述. 1 光纤传感器的特点 光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成.众所周知,描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等),这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变.如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,均会使这 些参量发生相应变化.光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小.一般光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型.而按其检测方法不同主要又可分为两种类型:强度型和相位型.图1是光纤传感器的结构框图 . 图1 光纤传感器的结构框图 F ig .1 Structu ral diagram of fiber op tic sen so r 与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、本质安全及测量对象广泛等特点,而且在一定条件下可任意弯曲,可根据被测对象的情况选择不同的检测方法,再加上它对被测介质影响小,非常有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用. 2 光纤传感器在研究和工程中的应 用近况 2.1 光纤传感器的工程应用 光纤的优点和具体学科理论相结合,产生一大批应用范围更广、性能更好、价格相对低廉的各具特色的光纤传感器,在传统领域和新兴领域都得到很好的应用. 2.1.1 光纤传感器在化学和生物学中的应用 当前,在国外研究得比较多的化学和生物光纤传感器主要有光吸收型传感器,荧光型传感器和衰减波形光纤传感器三种. a .光吸收型传感器的工作原理是根据测定被测物对特定波长的光产生吸收以及吸收的强度来确 第26卷第2期 武 汉 化 工 学 院 学 报 V o l .26 N o.22004年6月 J. W uhan In st . Chem. T ech . Jun. 2004
光纤传感器的应用和发展
文章编号:100320794(2004)0820009202 光纤传感器的应用和发展 马天兵,杜 菲 (安徽理工大学,安徽淮南232001) 摘要:主要阐述了光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况,介绍了在实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感器存在的问题,指出了今后发展的方向,为光纤传感器的深入研究提供了有益的参考。 关键词:光纤传感器;测量精度;传感技术 中图号:T N253文献标识码:A 1 前言 自20世纪70年代以来,光纤传感器取得了飞速发展。由于它独特的优点,决定了可实现某些特殊条件下的测量工作,比常规检测技术具有诸多优势,是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 2 光纤传感器的原理 光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知,描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)。这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变,特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。 光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点,即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好,而且测量对象广泛。因此,在传感器行业中,光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面,这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差,使得其实用范围受到限制。 3 国内外光纤传感器的发展概况 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国家更是竟相研究开发并引起激烈的竞争。 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面,其进展都十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NAS A)的有关部门负责,并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代便制定了“光控系统应用计划”,该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂,以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争,其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。 我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究,其起步时间与国际相差不远。目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值,有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。 4 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年 ? 9 ? 2004年第8期 煤 矿 机 械
光纤传感器的主要应用领域
关于传感系统中光纤的应用有基本其实本站早就有探讨过。对于光纤的传输特性，在传感器技术中的要求与其在工业中应用中是不同的：邮政，电报等方面的应用中不希望的（如损耗），在传感技术中恰恰是可以利用的。在光纤传感技术中，为了获得所期望的灵敏度，可以将光纤“增敏”或者“去敏”，就是比如果只是采用通讯用普通光纤，那么光纤传感器性能将受到限制。根据传感技术的需虽选用新的材料、设计特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的一个基础课题。 传感器的概念并不陌生，可以类似人的眼睛就是一种传感器。人步行时，要用眼睛观察道路状况，由大脑作出判断并控制着步行的方向和行动，这样才能保证安全行走。在人类有目的指向的行为中，关于目标的识别和判断都是必不可少的。在工程技术中控制和测量的关系也是如此：要实现准确的自动控制，必须从工程对象那里得到信息，在其基础上作出准确的判断。微型计算机的发展不仅带来了计测技术本身的高度发民同时也促进了高可靠快自动控制机器的发展与普及。无论是计测还是控制，其最重要的部分都是作为来自待测目标的信息入口的传感器。随着对于计测和控制方面的要求越来越民相应的实现各种目的传感器的研制开发都迅速展开。 至于光纤传感器，可以这样定义：一种用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境（物理量或化学置或生物虽等）的变化带来的光传榆特性改变的装置。光纤传感器与传统的各类传感器相比，有独特的优点。光纤本身用作基本传感器，具有高灵敏度，抗电磁干扰，耐腐蚀、防爆及不干扰被测场等特点;光纤作为传感信号的传送系统，与传统的金属线路相比，具有抗电磁场相地球环流的干扰、可靠住高、安全及可长距离传送等优点;并且便于与计算机连接、与光纤传输系统组成遥测网络;加之光纤传感器结构简单、体积小、重量，因此光纤传感器有着广泛的应用潜力。 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/f512455009.html,/
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
最新光纤传感器的应用研究
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。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。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光纤电流传感器传感头的结构与原理
光纤电流传感器传感头的结构与原理3 刘 晔,王 锋,韦兆碧,时德钢,邹建龙,王采堂 (西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049) 摘要: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;法拉第磁光效应;传感头 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2002)11-0003-03 Structure and Principle of Sensing H eads for Optical Current T ransducer Liu Ye,W ang Feng,Wei Zhaobi,Shi Degang,Zou Jianlong,W ang C aitang (School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China) Abstract:Optical current transducer is a new power measurement equipment,which is based on Faraday magneto-optic effect and uses optical fiber as medium.It measures the rotation angle of optical wave polarization plane caused by magnetic field produced by current when the optical wave goes through magneto-optic material to calculate the current. The sensing head is the most critical component.Analyzes roundly the structure and operational principle of all-fiber and mixed optical current transducer.It plays an instructional role in im proving the design of optical current transducer and promoting the performance of optical current transducer. K ey Words:Optical Current Transducer;Faraday Magneto-optic E ffect;Sensing Head 1 引言 电力系统中传统的电流测量是通过电磁感应铁芯式电流互感器(Current Transducer,简称CT)进行的, CT按用途可分为测量用和保护用两类,为系统的计量、继电保护、控制和监视单元提供了输入信号。但是,随着现代电力系统的发展,传统CT因其机理而呈现出自身不可克服的难题,如:绝缘结构日趋复杂,生产成本与电压等级呈指数上升,短路电流中的非周期分量将引起铁芯饱和,充油易爆炸,输出端不能开路,易受电磁干扰等。 对电流进行变换和测量的方法很多,一次仪表和二次仪表之间的电气绝缘和信息传递的可靠性是一个很重要的考虑前提。相比之下,充分发挥光纤传感技术的优势,以实现电力系统电流的检测和整个系统的有效保护的光纤电流传感器(Optical Current Trans2 ducer,简称OCT),可以满足大部分上述传感要求[1-3],是最有前途的,光纤介质物理特性可以满足在高压环境下工作的绝缘要求。OCT不会产生磁饱和现象,也不像CT那样动态工作范围受铁芯磁饱和效应的限制。可以用于高电磁噪声的工作环境;也可以在比较宽的频带内,产生高线性度的响应;可以用于以监控或测量为目的的高速遥感、遥测系统。一般来说,这些OCT还具有测量装置结构紧凑,体积小,重量轻,价格便宜的特点。这是世界各先进工业国投入极大的人力和物力积极开发光纤(光学)电流传感技术的根本原因。 2 光纤电流传感器 光纤传感器的基本工作原理为:由光源发出的光经过光纤送入调制区(传感头),在被测对象的作用下,光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化,使它成为被调制了的信号光,再经过光纤送入探测器和某些电信号处理装置,最终获得待测对象的信息。所以光纤电流传感器按调制方式可分为强度、波长、频率、相位、偏振态调制5种,它们利用法拉弟磁光效应、电流的热效应和电流的微变效应等原理来实现电流的测量。光纤电流传感器是指基于法拉弟旋光效应,由围绕载流导线的传感元件(即传感头)、光纤连接通道、光源、探测器及信号解调/信号处理/控制电路构成的系统[4],如图1所示。传感头是其中最为重要和关键的部件。根据所采用的传感材料的不同,OCT可 3 第11期?传感器技术? 3基金项目:西安交通大学自然科学(在职博士)基金资助项目(BS JJ:2001003) 收稿日期:2001211206 收修改稿日期:2002207215
光纤传感的基本原理及应用实例
光纤传感的基本原理 光纤不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测这种物理量。这就是光纤传感器的基本原理。 光纤传感器的应用实例 1.光纤传感技术在电力系统的应用：在电力系统中，光纤传感器致力于解决对庞大而复杂的大容量、超高压和特高压传输系统进行电参量传递、准确、在线、实时监测、设备隐患的报警和排除以及安全防护及网络自动化控制等问题。 2.光纤传感技术在石油和化工行业的应用：光纤传感器在石油与化工行业中主要用于三个方面：石油地震勘测中地震波的探测；石油采集过程中温度、压力、油水含量、油的剩余量等的监测；石油化工产品生产过程中温度、压力、流量等参量的监测。 3.光纤传感技术在工程上是应用：光纤传感器由于能实现空间立体监测和连续性监测，在大型土木工程的安全监测上已经得到了越来越多的重视。 4.光纤传感技术在国防军事上的应用：光纤传感技术的国防军事应用引起了各国军方的重视，光线制导导弹、光线遥控武器、光纤陀螺、光纤水听器等发展较早的技术将能逐步装备部队。 5.管线传感技术在医学上的应用：生物医学上，光纤广泛应用于传输各种医学影像的图像，主要是生医传感器有光血压传感器、医用内窥镜以及应用于组织和细胞的光谱分析激光器等。 光纤照明技术原理和应用情况 室外的自然光透过采光罩导入到照明系统中进行重新分配，经过光导管（光纤）传输和强化后由系统底部的末端附件（室內末端投射装置)把自然光均匀高效的照射到室内，带来自然光照明的特殊效果。集光器(即采光罩)安装在屋外可以整日不受任何限制随时采光，使集光效率发挥到最大。但是也可以加装太阳方位追踪器，可使集光器集光效果提升。 光纤照明的特点 : 1.光纤照明可以通过滤光装置获得我们所需要的各种颜色的光,以满足不同环境下对光色彩的需求. 2.由于光纤的自身特性和光的直线传播原理一样,光纤在理论上可以把光线传播到任何地方,
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。
机器视觉系统应用案例
机器视觉系统 1.引言 随着医疗水平和医疗器械的不断提高和更新，一次性注射针以其方便、卫生的特点深受用户的喜爱，其需求量也迅速增大，而针头外观的好坏直接影响到一次性注射针的质量。所以为了减少不合格品的数量，需要增加检测工序。手工外观检验和产品标记昂贵和不可靠。同时又意味着不近人情的单调工作。这里，自动化机器视觉系统提供了解决这些问题的方案。 2. 一次性注射针的缺陷 一次性注射针可以分为针座和针头两个部分。针座的缺陷对产品的质量影响可以不计。而针头就存在着两种缺陷情况：首先针头在制作过程中针尖部位可能会产生毛刺；其次针头在自动装配过程中可能会产生倒插现象（针尖部位被插入针座）。影响针头的几个缺陷为：针尖毛刺、倒插。其中倒插不仅会对产品的质量产生直接的影响，而且严重的会危害到人的生命。如图1： 正插倒插 图1 3. 利用机器视觉实现一次性注射针的外观缺陷的自动化检测 随着市场一次性注射针需求的不断增大，以及客户对产品质量的要求，越来越多的医疗器械生产厂商采用自动化注射针检测系统，对一次性注射针的外观缺陷进行综合检测。这种方法代替了传统的人工方法以提高生产效率和产品质量，解决了人工方法效率低、速度慢，以及受检测人员主观性制约等不确定因素
带来的误检及漏检，实现更好的100%产品在线检测。 3.1机器视觉系统概述 机器视觉系统是指通过图像摄取装置（分CMOS相机和CCD相机两种）把图像抓取到，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 3.2 机器视觉系统的特点 1）. 机器视觉系统属于光电系统； 2）. 机器视觉系统中的传感器属于阵列传感器； 3）. 机器视觉系统中的数据量大； 4）.运行速度快，但与集成电路的制造与发展相关。 3.3机器视觉实现一次性注射针的外观缺陷的自动化检测方案 本文采用了注射针检测系统用于一次性注射针的外观缺陷检测。该系统以西门子图像处理器为核心，并结合西门子自动化设备，形成了既有简单的数字信号接口又有复杂的工业网络接口的系统，让用户能选择适合自己工况的系统，既方便又节省投资。 其基本检测处理流程如图2，简易系统框架如图3： 启动系统 图像摄取 图像传输和分析 PLC处理 剔除装置 图2 基本检测流程图图3简易系统框架