光纤电流传感器的研究及应用

光纤电流传感器的研究及应用光纤电流传感器的研究及应用摘要摘要：随着光纤传感技术的不断发展，几乎在各个领域得到研究与应用。综述光纤传感技术的最新研究进展及其在某些领域的应用开发研究。绍了光纤光栅传感器、分布式光纤传感系统以及现有各种光纤电流传感器的工作原理、分类以及在国外的应用情况,展示了光纤电流传感器在电力系统中广阔的应用前景。关键词关键词：光纤，传感系统，电流传感器1 1 引言引言光纤传感技术的发展始于 20 世纪 70 年代，是光电技术发展最活跃的分支之一。光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：光纤传感技术的研究及其在各个领域的应用开发研究。近几年来年，随着半导体光电技术、光纤通信技术以及计算机技术等相关技术的进步，光纤传感技术迅速发展。基于相位调制的高精度、大动态光纤传感器也越来越受到重视，光纤光栅、多路复用技术、阵列复用技术使光纤传感器的应用范围和规模大幅度提高，分布式光纤传感器和智能结构更是当今的研究热点。2 2 光纤传感技术的研究进展光纤传感技术的研究进展2.12.1 光纤光栅传感器的原理光纤光栅传感器的原理光纤布拉格光栅由于其传感灵敏度高、可靠性好等优点，简称光纤光栅，如图所示。图 1 光纤光栅布拉格光纤光栅（FBG）传感器的测量原理是在光纤核心中一段布拉格光栅的纵向折射率周期性变化排列，其基本特性表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格波长。当入射光进入光栅时，布拉格光栅会反射特定波长的光，该波长满足以下特定条件，即距）。B 2neff其中，B为反射光的中心波长；neff为光纤的有效折射率；为光栅周期（栅光纤光栅的中心波长值是与其应变和温度有关的物理量。当光栅受到拉伸或者受热膨胀时，B增大；当光栅压缩或者遇冷时，B减小。对于采用标准单模石英光纤制成的光纤光栅，B随温度和应变的变化规律可以用下式表示，即B(1peff)()TB式中，B为中心波长的变化量；B为不受外力、温度为时该光纤的初始中心波长；和T分别为光纤光栅所受的应变和温度变化量；、和别为光纤的热膨胀系数、热光系数和光弹系数。光纤光栅传感器由于其独特的优势，适用于多种场合测量。国内外对其进行了大量的研究，主要集中在以下几个方面：（1）对具有高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；（2）开发成本低、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统研究；（3）实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。2.22.2 分布式光纤传感系统分布式光纤传感系统分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息。可以实现长距离、大范围的连续、长期传感，也是当今光纤传感发展的一个重要趋势。目前，基于各种散射机理的分布式传感系统是光纤传感领域的一个研究热点。包括后向瑞利散射分布式光纤peff分传感技术、基于自发及受激拉曼散射的分布式传感技术、基于自发及受激布里渊散射的分布式光纤传感技术、前向传输模耦合技术。它可解决目前测量领域的众多难题，其优缺点及应用如下表 1 所示。干涉型分布式光纤传感系统的研究也在如火如荼的展开，特别在管道、隧道、围栏等应力检测、破坏性行为监测方向得到广泛关注。目前的干涉型分布式传感系统多采用复合干涉结构，以提取信号作用位置。分布式光纤传感系统在空间上具备测量的连续性，避免了使用大量分立的传感元件，降低了传感部分的系统成本。然而，为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需要进行多方面的研究。今后的研究重点也将主要放在以下几个方面：实现单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量；提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨力和测量不确定度；提高测量系统的测量范围，减少测量时间；新的传感机理的研究。光纤传感技术应用领域的研究主要有：军事领域、工程领域、电力工业领域等。涉及到几种主要传感器的应用发展：光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器(optical fiber current transducer，OFCT)等各方面的应用。光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、易成阵列等诸多特点。所以随着光纤的出现和技术的发展，光纤式电流传感器成为电流传感器发展的另一大趋势。3 3 光纤电流传感器的工作原理与种类光纤电流传感器的工作原理与种类OFCT 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 2 所示：图 2 光纤电流传感器的结构示意图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。3.13.1 无源式无源式 OFCTOFCTOFCT 主要利用了 Faraday 磁光效应。即磁场不能对自然光产生直接作用,但在光学各向同性的透明介质中,外加磁场 H 可使在介质中沿磁场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转。这种现象被称为磁致旋光效应或 Faraday 效应。当一束线性偏振光通过置于磁场中的 Faraday 旋光材料时,若磁场方向与光的传播方向相同,则光的偏振面将产生旋转。旋转角 H 正比于磁场强度 H 沿偏振光通过材料路径的线积分:VH dl V iL式中,V 为磁光材料的 Verder 常数,旋转角度 H 与被测电流 i 成正比。利用检偏器将旋转角度 H 的变化,转换为输出光强度的变化,经光电变换及相应的信号处理,便可求得被测电流 i,如图 3 所示。图 3 光纤电流传感器的传感头3.23.2 有源式有源式 OFCTOFCT这是一种基于传统互感器传感原理,利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介,将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理,并得到被测电流信号的新型传感器。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点,明显降低了大电流高压互感器的体积、重量和制造成本,又利用了传统互感器原理技术成熟的优势,避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。有源 OFCT 是通过一次采样传感器(空心线圈或小 CT,电阻分流器)将电流信号传递给发光元件而变成光信号,再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。目前应用最多的是采用空心线圈的有源式 OF CT,其组成原理如图 4 所示。图 4 有源式光纤电流传感器组成原理框图空心线圈的截面为矩形或圆形,其感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关,受外磁场和载流导体位置的影响小。因此,对空心线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。4 4 光纤电流传感器的应用光纤电流传感器的应用OFCT 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。随着光电技术及其相关技术的迅速发展,OFCT 在电力系统中的应用前景将日益广阔。参考文献：参考文献：1孟宪玮，张青，史彦新，等.光栅布拉格光栅波长解调系统的研究J.吉林大学学报.2009.39(2):342-3462邓隐北.新型光电式高电压测量器和电流互感器J.国际电子变压器,2007(9).3 何金良,嵇士杰 刘俊,胡军,王善祥,等.基于巨磁电阻效应的电流传感器技术及在智能电网中的应用前景.2011,35(5):8-13.4 Li Hongnan,Li Dongsheng.Recent applications of fiber optic sensors to health monitoring incivil engineeringJ.Engineering Structures,2004,26(11):1647-1657.5Deng Yinbei，Peng XiaohuaThe principle and applications of optical fiber currenttransformerJShanghai Power，2008(6)：550-5526侯俊芳，裴 丽，李卓轩，刘超，等光纤传感技术的研究进展及应用.2012,27（1）：49-53.