《光纤磁致伸缩材料B课件3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤磁致伸缩材料B课件3（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章第八章光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器概概 述述应用特点：应用特点：在在电电力力系系统统中中，常常会会遇遇到到要要在在强强电电磁磁场场干干扰扰的的情情况况下下测测量量高高压压、大大电电流流等等电电磁磁参参量量的的问问题题。由由于于光光纤纤传传感感器器具具有有绝绝缘缘性性好好，抗抗电电磁磁场场干干扰扰，灵灵敏敏度度高高等等特特性性，因因此此在在电电力力系系统统测测量量中中具具有有突出的优势。突出的优势。 常用的调制方式：偏振调制和相位调制式。常用的调制方式：偏振调制和相位调制式。 利用的物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效利用的物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效 应、电致光吸收效应、压电效应等。
2、应、电致光吸收效应、压电效应等。电磁量光纤传感器调制方式电磁量光纤传感器调制方式某某些些物物质质在在磁磁场场作作用用下下，线线偏偏振振光光通通过过时时其其振振动动面面会会发发生生旋旋转转，这这种种现现象象称称为为法法拉拉第第效效应应。光光的的电电矢矢量量E旋旋转角转角 与光在物质中通过的距离与光在物质中通过的距离l和磁场强度和磁场强度H成正比成正比1、法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）、法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）ElH V 费尔德常量费尔德常量，2、磁致伸缩效应、磁致伸缩效应铁铁磁磁性性材材料料的的磁磁状状态态改改变变时时,其其尺尺寸寸也也发发生生相相应应的的改改变变。例例如如铁铁磁磁材材
3、料料做做成成的的棒棒放放在在方方向向顺顺着着棒棒长长的的磁磁场场内内,其其长长度度将将发发生生变变化化,这这种种现现象象称称为为磁磁致致伸伸缩缩效效应应.磁磁致致伸伸缩缩效效应应是是可可逆逆的的,即即在在对对棒棒拉拉伸伸使使之之发发生生形形变变时时,其磁化强度也发生变化其磁化强度也发生变化.磁磁致致伸伸缩缩引引起起的的形形变变是是相相当当小小的的,其其数数量量级级为为10-6。不不同同的的铁铁磁磁材材料料其其磁磁致致伸伸缩缩效效应应是是不不同同的的,在在铁铁、钴钴、镍这三种材料中镍这三种材料中,镍的磁致伸缩效应最明显。镍的磁致伸缩效应最明显。 单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图在在铁铁磁磁质
4、质中中，相相邻邻铁铁原原子子中中的的电电子子间间存存在在着着非非常常强强的的交交换换耦耦合合作作用用，这这个个相相互互作作用用促促使使相相邻邻原原子子中中电电子子的的自自旋旋磁磁矩矩平平行行排排列列起起来来，形形成成一一个个自自发发磁磁化化达达到到饱饱和和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。磁致伸缩效应的物理解释磁致伸缩效应的物理解释 磁畴磁畴在在外外磁磁场场作作用用下下，磁磁矩矩与与外外磁磁场场同同方方向向排排列列时时的的磁磁能能将将低低于于磁磁矩矩与与外外磁磁反反向向排排列列时时的的磁磁能能，结结果果是是自自发发磁磁化化磁磁矩矩和和
5、外外磁磁场场成成小小角角度度的的磁磁畴畴处处于于有有利利地地位位，这这些些磁磁畴畴体体积积逐逐渐渐扩扩大大，而而自自发发磁磁化化磁磁矩矩与与外外磁磁场场成成较较大大角角度度的的磁磁畴畴体体积积逐逐渐渐缩缩小小。随随着着外外磁磁场场的的不不断断增增强强，取取向向与与外外磁磁场场成成较较大大角角度度的的磁磁畴畴全全部部消消失失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。磁场增强磁场增强磁场增强磁场增强磁磁 致致 伸伸 缩缩 效效 应应磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化k波数；波数；l光路长度；光路长度；n折折射率；射率；S(B
6、)磁场磁场B引起的纵向引起的纵向应变应变适用于弱磁场：1016 T（1 km）光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料B3、电致光吸收效应、电致光吸收效应外外加加电电场场的的作作用用可可引引起起材材料料吸吸收收系系数数的的变变化化。尤尤其其是是在在半半导导体体材材料料中中，外外电电场场作作用用使使能能带带边边发发生生倾倾斜斜，带带间间电电子子隧隧道道贯贯穿穿势势垒垒降降低低，致致使使带带间间吸吸收收(包包括括一一些些激子吸收峰激子吸收峰)向低能方向偏移，称为电致光吸收效应。向低能方向偏移，称为电致光吸收效应。4、电致伸缩（压电效应）、电致伸缩（压电效应）在在某某些些材材料料上上施施加加电电场场,会会产
7、产生生机机械械变变形形,而而且且其其应应变变与与电电场场强强度度成成正正比比,这这称称为为电电致致伸伸缩缩效效应应。如如果果施施加加的的是是交交变变电电场场, 材材料料将将随随着着交交变变电电场场的的频频率率作作伸伸缩缩振振动动。施施加加的的电电场场强强度度越越强强, 振振动动的的幅度越大。幅度越大。在在空空心心的的压压电电陶陶瓷瓷圆圆柱柱筒筒(PZT)(PZT) 上上缠缠绕绕一一圈圈或或多多圈圈光光纤纤，并并在在其其径径向向或或轴轴向向施施加加驱驱动动信信号号，由由于于PZTPZT筒筒的的直直径径随随驱驱动动信信号号变变化化，故故缠缠绕绕在在其其上上的的光光纤纤也也随随之之伸伸缩缩。光光纤纤
8、承承受受到应力，光波相位随之变化。到应力，光波相位随之变化。压电陶瓷圆柱筒压电陶瓷圆柱筒(PZT)(PZT)的应用的应用 光纤法拉第磁强计光纤法拉第磁强计 磁致伸缩效应光纤磁场传感器磁致伸缩效应光纤磁场传感器 电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器 压电弹光光纤电场传感器压电弹光光纤电场传感器 BSO晶体光纤电场传感器晶体光纤电场传感器 光纤电流传感器光纤电流传感器 金属被覆光纤电流传感器金属被覆光纤电流传感器 磁致伸缩效应光纤电流传感器磁致伸缩效应光纤电流传感器 法拉第效应光纤电流传感器法拉第效应光纤电流传感器 压电弹光效应光纤电流传感器压电弹光效应光纤电流传感器磁场传感器磁场传感
9、器电场传感器电场传感器电流传感器电流传感器光纤电磁量传感器类型光纤电磁量传感器类型利用法拉第效应制成磁场传感器。利用法拉第效应制成磁场传感器。光纤光纤激光激光激光激光探测器探测器一、光纤法拉第磁强计一、光纤法拉第磁强计V费尔德常量P1P2传光型光纤法拉第磁强计原理传光型光纤法拉第磁强计原理P1P2l二、磁致伸缩效应光纤磁场传感器二、磁致伸缩效应光纤磁场传感器利用磁致伸缩材料所产生的变形作用于光纤，检测磁利用磁致伸缩材料所产生的变形作用于光纤，检测磁场是一种高灵敏度的技术。它是在马赫场是一种高灵敏度的技术。它是在马赫泽德尔干涉泽德尔干涉仪上用被覆有磁致伸缩材料的光纤作为测量臂。仪上用被覆有磁致伸
10、缩材料的光纤作为测量臂。干涉仪测量光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料光纤的轴向尺寸将随磁场的强光纤的轴向尺寸将随磁场的强弱而伸缩，使得通过光纤的光弱而伸缩，使得通过光纤的光程发生变化。信号光与参考光程发生变化。信号光与参考光干涉后，得到与磁场成比例的干涉后，得到与磁场成比例的输出信号。这种磁场传感器灵输出信号。这种磁场传感器灵敏度高，分辨率可达敏度高，分辨率可达10-12T, 可可用于测量磁场、探矿等。用于测量磁场、探矿等。 激光激光激光激光探测器探测器马赫马赫泽德尔磁场传感器原理泽德尔磁场传感器原理磁性薄膜磁性薄膜参参考考臂臂光纤的轴向尺寸随磁场光纤的轴向尺寸随磁场的强弱而伸缩的强弱而伸缩光纤
11、光纤对于镊对于镊K -8.910-5 (A/m)1/2磁致伸缩引起的相位变化磁致伸缩引起的相位变化其中轴向应变其中轴向应变光纤在磁致伸缩材料作用下，也发生应变，包括纵光纤在磁致伸缩材料作用下，也发生应变，包括纵向应变和径向应变，由于光弹效应折射率发生变化向应变和径向应变，由于光弹效应折射率发生变化(521)光弹效应产生的折射率变化为：光弹效应产生的折射率变化为： 1 是径向应变，是径向应变， 2 1 3 0，p11, p12是光弹系是光弹系数。数。与待测磁与待测磁场有关场有关为为了了提提高高传传感感器器灵灵敏敏度度，在在被被覆覆材材料料上上偏偏置置一一恒恒定定磁磁场场，外外加加总总磁磁场场强强
12、度度H包包括括两两个个部部分分，一一部部分分是是作作偏偏置置用用的的直直流流恒恒定定磁磁场场强强度度H0， H0的的选选定定应应使使应应变变随随磁磁场场的的变变化化率率为为最最大大值值，以以使使传传感感器器能能工工作作在在最最灵灵敏敏的的区区域域内内；另另一一部部分分是是待待测测的的随随时时间间在在H0附附近近上上下下变变化的磁场强度化的磁场强度H1 ，通常，通常H0 H1。激光激光激光激光探测器探测器马赫马赫泽德尔磁场传感器泽德尔磁场传感器磁性薄膜磁性薄膜磁性薄膜磁性薄膜参参考考臂臂赫姆霍兹线圈产赫姆霍兹线圈产赫姆霍兹线圈产赫姆霍兹线圈产生偏置磁场生偏置磁场生偏置磁场生偏置磁场HH0 0PZ
13、TPZT相位补偿器相位补偿器相位补偿器相位补偿器光光纤纤磁磁致致伸伸缩缩材材料料分分为为结结晶晶金金属属和和金金属属玻玻璃璃两两大大类类。金金属属类类的的磁磁致致伸伸缩缩材材料料有有铁铁、钴钴、镍镍，以以及及这这三三种种元元素素的的金金属属化化合合物物。其其中中以以纯纯镍镍的的磁磁致致伸伸缩缩系系数数(负负值值)最最大大。同同时时，由由于于制制造造简简单单和和耐耐腐腐蚀蚀等等原因，常用纯镍作光纤的被覆层。原因，常用纯镍作光纤的被覆层。纯纯镍镍金金属属被被覆覆光光纤纤,最最佳佳的的偏偏置置磁磁场场H0=240A/m,据据报报道道,这这时时镍镍被被覆覆光光纤纤磁磁致致伸伸缩缩灵灵敏敏度度已已达达到
14、到1.2710-7 A/m2。镍镍被被覆覆光光纤纤可可以以有有两两种种制制作作方方法法:一一种种是是把把经经过过退退火火的的体体状状镍镍薄薄壁壁管管粘粘接接到到芯芯径径为为80 m的的单单模模光光纤纤上上。这这种种镍镍被被覆覆光光纤纤长长度度为为10cm左右。左右。光纤光纤镍薄壁管镍薄壁管10cm另另一一种种是是通通过过电电子子束束蒸蒸发发的的方方法法，使使薄薄膜膜直直接接沉沉积积在在裸裸光光纤纤上上，其其薄薄膜膜厚厚度度在在的的范范围围内内0.62 m。例例如如在在80 m 芯芯径径的的光光纤纤上上可可沉沉积积1.5 m厚厚的的镍镍被被覆覆层层。光光纤纤沉沉积积被被覆覆层层后后要要进进行行退
15、退火火，消消除除磁磁场伸缩护层材料中的残余应变。场伸缩护层材料中的残余应变。裸光纤裸光纤沉积镍薄膜沉积镍薄膜几种敏感元件的基本结构几种敏感元件的基本结构光纤光纤被覆材料被覆材料a) 被覆式被覆式b) 心轴式心轴式磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤c) 带式带式光源光源磁场磁场参考臂参考臂3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器信号处信号处理器理器测量参数测量参数光纤马赫光纤马赫泽德尔磁场传感器泽德尔磁场传感器I I0 0耦合器耦合器磁致伸缩材料被覆磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂光纤作为测量臂测量臂测量臂三、电致光吸收光纤电场传感器三、电致光吸收光纤电场传感器根根据据量
16、量子子力力学学理理论论可可以以导导出出在在电电场场E作作用用下下，半半导导体体材料禁带宽度材料禁带宽度Eg的变化为：的变化为：m*为电子有效质量，为电子有效质量，0.7V1.9V0V0.2 mEg导带导带价带价带电电子子的的分分立立能能级级在在电电场场作作用用下下可可发发生生分分裂裂，这这就就是是斯斯塔塔克克(Stark)效效应应。没没有有外外电电场场时时，如如果果离离子子的的外外层层电电子子从从它它所所占占据据的的能能级级向向相相邻邻的的高高能能级级跃跃迁迁所所需需能能量量 E大大于于光光子子能能量量hv,外外层层电电子子就就不不能能吸吸收收这这种种光光子子；有有外外电电场场时时,斯斯塔塔克
17、克效效应应引引起起的的能能级级分分裂裂值值 E减减小小，当当减减小小至至 E hv时时，外外层层电电子子就就可可吸吸收收光光能能跃跃向向相相邻邻的的高高能能级级，这这意意味味着着外外电电场场能能使使离离子子外外层层电电子子的的吸吸收收谱谱移移动动。 E 变变化化10Mev时时,吸吸收收谱谱移移动动距距离离约约120nm。所所以以，只只要要离离子子选选择择适适当当，处处于于特特定定光光纤纤中中的的离离子子外外层层电电子子吸吸收收谱谱边边缘缘就就可可与与所所用用光光源源频频谱谱对应起来。对应起来。Stark效应效应 E斯塔克斯塔克(Stark)效应效应综综上上所所述述，外外电电场场能能影影响响光光
18、纤纤中中杂杂质质离离子子及及杂杂质质离离子子外外层层电电子子的的吸吸收收光光谱谱，因因此此能能改改变变掺掺有有适适当当杂杂质质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。电电致致光光吸吸收收光光纤纤电电场场传传感感器器就就是是根根据据电电场场作作用用使使离离子子与与电电子子的的吸吸收收谱谱线线发发生生偏偏移移，光光纤纤中中掺掺入入能能产产生生伏伏兰兰茨茨克克尔尔德德什什效效应应的的结结晶晶体体，使使其其吸吸收收率率随随调调制制电电压压而而变变化化。就就可可用用这这种种光光纤纤测测量量电电场场或或电电压压的的大大小小。对对于于波波长长处处于于材材料料的的吸吸收
19、收边边外外而而又又靠靠近近吸吸收收边边的的入入射射光光，其其吸吸收收系系数数会会在在施施加加电电场场后后有有明明显显变变化。化。电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器LEDLED发光光谱发光光谱材料透射率材料透射率E1E2E3E3E1E2相相对对发发光光强强度度 吸吸收收率率波长波长电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器就是根据电场作用使离就是根据电场作用使离子与电子的吸收谱线发生偏移，来测量电场或电压子与电子的吸收谱线发生偏移，来测量电场或电压的大小。吸收率随调制电压而变化。的大小。吸收率随调制电压而变化。对于波长处于材料的
20、吸收边外而又靠近吸收边的入对于波长处于材料的吸收边外而又靠近吸收边的入射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。 E电致光吸收光纤电场传感器原理图电致光吸收光纤电场传感器原理图LED光源光源探测器探测器掺有杂质掺有杂质离子光纤离子光纤电吸收调制器原理电吸收调制器原理利利用用Franz-Keldysh效效应应和和Stark效效应应，工工作作在在调调制制器器材材料料吸吸收收区区边边界界波波长长处处。当当调调制制器器无无偏偏压压时时，该该波波长长处处吸吸收收最最小小，因因而而输输出出光光功功率率最最大大，处处于于通通状状态态，或或者者说说输输出出“1”。随随
21、着着调调制制器器上上电电压压的的增增加加，调调制制器器对对输输入入光光波波的的吸吸收收边边向向长长波波长长方方向向偏偏移移，原原来来的的波波长长处处吸吸收收系系数数变变大大，调调制制器器成成为为断断状状态态，输输出出功功率率最最小小，或或者者说说输输出出“0LEDLED发光光谱发光光谱材料吸收率材料吸收率E0相相对对发发光光强强度度吸吸收收率率波长波长EEmax1 0 1 0 1四、压电效应光纤电场传感器四、压电效应光纤电场传感器利利用用压压电电效效应应测测量量电电场场的的光光纤纤传传感感器器，即即采采用用压压电电材材料料的的压压电电效效应应与与单单模模光光纤纤的的弹弹光光效效应应相相结结合合
22、的的方方法。法。在在压压电电弹弹光光效效应应中中，可可以以用用高高分分子子聚聚合合物物(如如聚聚偏偏二二氟氟乙乙烯烯PVF2)作作压压电电材材料料，高高分分子子聚聚合合物物可可作作为为光光纤纤的的包包皮皮与与光光纤纤合合为为一一体体，只只要要这这种种形形式式的的光光纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。PVF2光纤光纤干涉仪测量光纤光纤压电材料压电材料聚聚偏偏二二氟氟乙乙烯烯(PVF2)被被覆覆光光纤纤作作为为光光纤纤干干涉涉仪仪的的测测量量臂臂就就可可以以敏敏感感电电压压或或电电场场的的变变化化。由由于于PVF2 材材料料在在电电场场的的作作用用
23、下下产产生生延延伸伸现现象象，引引起起光光纤纤的的应应变变造造成成传传输输光光相相位位的的变变化化，用用干干涉涉仪仪测测出出这这种种相相位位变变化化就可测量出外加电压的大小。就可测量出外加电压的大小。PVF2的灵敏度较大的灵敏度较大波长为波长为633nm时，时，PVF2 约有约有4rad(Vm)的的相相移移，而而普普通通的的压压电电陶陶瓷瓷波波长长为为633nm时时，约有约有0.39rad(Vm)的相移。的相移。E激光激光激光激光探测器探测器马赫马赫泽德尔电场传感器泽德尔电场传感器PVF2参参考考臂臂PZTPZT相位补偿器相位补偿器相位补偿器相位补偿器相相位位补补偿偿器器可可以以实实现现两两种
24、种运运行行方方式式：一一种种是是 /2相相位位锁锁定定，使使干干涉涉仪仪获获得得最最大大的的灵灵敏敏度度。另另一一种种是是 相相位位锁锁定定，干干涉涉仪仪可可得得到到最最大大的的混频效率。混频效率。P1P2 lU是一种利用是一种利用电光效应电光效应的光纤电场传感器。在高压系统的光纤电场传感器。在高压系统电场的测量中，可以用电光晶体作为传感器探头置于电场的测量中，可以用电光晶体作为传感器探头置于高压系统中。电光晶体可以用硅酸铋（高压系统中。电光晶体可以用硅酸铋（Bi12SiO20）、）、铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）。）。五、电光效应光纤电场传感器五、电光效应光纤电场传感器电光晶体电光晶体P1P
25、2 lU电光晶体电光晶体把把晶晶体体传传感感探探头头置置于于两两平平行行平平面面电电极极之之间间，就就可可以以对对外外加加电电场场进进行行测测量量。图图中中是是一一个个实实测测的的曲曲线线。可可以以看看出出，外外加加电电场场E与与输输出出电电压压信信号号V之之间间具具有有较较好好的线性度。的线性度。电光电光晶体晶体六、金属被覆光纤电流传感器六、金属被覆光纤电流传感器金金属属被被覆覆光光纤纤可可以以分分为为金金属属被被覆覆多多模模光光纤纤和和金金属属被被覆覆单单模模光光纤纤。由由于于其其类类型型不不同同，因因而而决决定定了了由由它它们们各各自自组组成成的的电电流流传传感感器器的的原原理理也不同。
26、也不同。1、金属被覆多模光纤电流传感器、金属被覆多模光纤电流传感器最最普普通通的的方方式式是是，将将多多模模光光纤纤被被覆覆上上一一层层厚厚的的铝铝金金属属护护套套。将将光光纤纤放放置置在在磁磁场场之之中中，并并使使光光纤纤被被覆覆层层通通以以电电流流。此此时时，电电流流与与磁磁场场的的相相互互作作用用引引起起光光纤纤微微弯弯曲曲，通通过过光光源源所所激激励励的的光光纤纤中中的的各各个个波波导导模模式式，因因光光纤纤的的微微弯弯曲曲而而产产生生新新的的相相位位差差，并并使使传传导导模模向向辐辐射射模模转转换换，引引起起传传导导模模能能量量的的损损耗耗。通通过过检检测测光光纤纤末末端端射射出出的
27、的光光束束所所形形成成的的干干涉涉图图样样的的变变化化或或能能量量的的变变化化来来反反映映被被测测电电流流的的大大小小，这就是所谓的这就是所谓的“光纤自差光纤自差”测量方法。测量方法。光纤光纤金属护套金属护套光光电流电流光纤光纤激光激光激光激光探测器探测器B70 m175 m(7.2 /m)永久磁场作用在圆柱永久磁场作用在圆柱体的轴线方向，其场体的轴线方向，其场强约在强约在0.1TdF2、金属被覆单模光纤电流传感器、金属被覆单模光纤电流传感器这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤产生电阻热效应对光纤进行加热
28、而改变通过光纤中光的相位，从而实现电流检测的。中光的相位，从而实现电流检测的。若把被覆光纤作为马赫若把被覆光纤作为马赫泽德尔光纤干涉仪的测泽德尔光纤干涉仪的测量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。相位差。激光激光激光激光探测器探测器马赫马赫泽德尔干涉仪电流传感器原理泽德尔干涉仪电流传感器原理金属护套金属护套金属护套金属护套参参考考臂臂光纤的轴向尺寸和折射率光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化随电流的强弱而变化光纤光纤光纤光纤电流源电流源七、磁致伸缩效应光
29、纤电流传感器七、磁致伸缩效应光纤电流传感器利利用用磁磁致致伸伸缩缩材材料料被被覆覆的的单单模模保保偏偏光光纤纤作作为为马马赫赫泽泽德德尔尔干干涉涉仪仪的的测测量量臂臂。当当被被测测电电流流流流过过线线圈圈时时，将将产产生生磁磁场场并并作作用用在在磁磁致致伸伸缩缩材材料料上上，产产生生磁磁致致伸伸缩缩效效应应，引引起起光光纤纤发发生生形形变变，从从而而使使干干涉涉仪仪的的两两个个臂臂的的光光相相位位差差发发生生变化，通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。变化，通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。 光纤光纤光纤光纤磁致伸缩材料磁致伸缩材料电流源电流源测量臂测量臂八、法拉第效应光纤电流传感
30、器八、法拉第效应光纤电流传感器这这种种传传感感器器的的工工作作原原理理示示意意图图如如图图816所所示示。其其基基本本原原理理是是利利用用光光纤纤材材料料的的法法拉拉第第效效应应，即即处处于于磁磁场场中中的的光光纤纤会会使使在在光光纤纤中中传传输输的的偏偏振振光光发发生生偏偏振振面面的的旋旋转转，其旋转角度其旋转角度 与磁场强度与磁场强度H、磁场中光纤的长度、磁场中光纤的长度l成正比成正比该该种种电电流流传传感感器器的的优优点点：测测量量范范围围大大，灵灵敏敏度度高高，与与高高压压无无接接触触，电电绝绝缘缘性性好好，特特别别适适用用于于高高压压大大电电流的测量，测量范围为流的测量，测量范围为0
31、1000A。I1-I2I1+I2渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜光纤电流传感器原理示意图光纤电流传感器的优势：光纤电流传感器的优势：既可以测直流电，又可以测交流电既可以测直流电，又可以测交流电不受电磁干扰不受电磁干扰本身不带电，安全防爆本身不带电，安全防爆体积小巧，易于安装体积小巧，易于安装组网方便，便于维护升级组网方便，便于维护升级光纤传导信号，实现长距离监测。光纤传导信号，实现长距离监测。光纤电流传感器光纤电流传感器习题和思考题习题和思考题1、简简述述光光纤纤法法拉拉第第磁磁强强计计工工作作原原理理，并并总总结结传传感感器器部部件的选择上应注意哪些问题。件的选择上应注意哪些问题。2、简简述述磁磁致
32、致伸伸缩缩效效应应在在光光纤纤磁磁场场和和电电流流传传感感器器中中的的应应用。用。3、设设计计一一个个基基于于马马赫赫泽泽德德干干涉涉仪仪的的电电流流传传感感器器，给给出出系系统统原原理理框框图图，详详细细说说明明工工作作原原理理。该该传传感感器器对对光光纤有什么要求，为什么？纤有什么要求，为什么？电电电电光光光光效效效效应应应应（电电电电致致致致双双双双折折折折射射射射）：某某些些晶晶体体材材料料在在外外加加电电场场作用下产生各向异性的折射率变化。作用下产生各向异性的折射率变化。 n E+kE2 普克尔效应普克尔效应普克尔效应普克尔效应（一次电光效应一次电光效应,Pockels，1893）：
33、）：当当电电场场加加在在晶晶体体上上时时，折折射射率率的的变变化化是是线线性性的的（在在不不对对称称中中心心的的晶晶体体中中）如如：ADP（磷磷酸酸二二氢氢铵铵）、KDP（磷磷酸二氢钾）、酸二氢钾）、KD*P（磷酸二氘钾）（磷酸二氘钾） n E电光效应电光效应返回返回应力效应磁（场）强（度）计应力效应磁（场）强（度）计受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化导电材料光纤适用于弱磁场：1015 T（理论）电流 I返回返回温度应变效应电流计温度应变效应电流计被测电流流过该光纤时产生电阻被测电流流过该光纤时产生电阻热效应，使光纤长度和折射率变热效应，使光纤长度和折射率变化，从而测得电流大小化，从而测得电流大小。光纤干涉仪测量电流 I返回返回 I
