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1982 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11.3%。

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。