光学电流传感器

3.2块状玻璃型OCT
▪ 原理：利用全反射使线偏振光在光学材料 内围绕穿过材料中心的载流导体形成闭合 光路，测量被电流诱导磁场调制的线偏振 光的偏转角，根据电流与偏转角的线性关 系，间接得到被测电流的大小。块状玻璃 型光学电流传感器与全光纤电流传感器相 比，具有光学玻璃材料选择范围宽、稳定 性好、精度高和受线性双折射影响小等优 点，但存在“反射相移”问题。
光学电流传感器
1.OCT的发展
OCT兴起于20世纪60年代，归功于激光器的 研制成功。70年代，光纤的问世与实用化 进一步促进了OCT的研究。由于其能有效 克服传统电磁式的缺点，几十年来一直受 到美、日、法、中等多国的研究。从1982 年开始，OCT进入发展关键和极具成果时 期。
▪ 传统电磁式电流传感器的缺点：有爆炸引起 的灾难性事故的潜在威胁、大故障电流导致 铁芯饱和从而无法记录电流的大小及变化过 程、铁芯共振效应、铁芯大电感导致相位滞 后并使频响受限无法记录故障电流高频分量， 不利于故障分析、输出端开路导致高压、体 积大重量大价格昂贵、易于受电磁干扰、不 利于与数字设备连接。
▪ 三是新光纤处理技术，用旋制、扭转、退火 光纤。
▪ 四是新型传感头的设计。
▪ 虽然前面提出了很多中方法，但似乎很难适 用。
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▪ 一般常用的测量偏振角的方法是采用 Wollaston棱镜：从传感头返回的线偏振光经 沃拉斯棱镜以后分解成光矢量相互垂直的两 束线偏振光，通过测量两束线偏振光的相对 强度（两束光强度的差值比上强度的和值）， 获得法拉第旋转角。
▪ 第二种便是基于Sagnac干涉仪型OCT的探测 方法：利用交变电流产生的磁场，对光纤中 两束传播方向相反的圆偏振光作用，使其电 场方向发生旋转，通过相移的检测检出电流。 具体操作是通过测量某一时刻
▪ 的光强，来求出相位差，在根据相位差与电 流的关系求出电流值。
▪ 将FBG光纤布拉格光栅与超磁致伸缩材料 （GMM）组合作为传感器进行电流测量是目 前电流传感研究领域的热点。
▪ 四是保偏模反射。
▪ 3.3光电混合型：利用光纤高度绝缘的优点， 但系统中仍然采用常规的CT，无法克服饱和 的现象，只能作为电磁式向全光学的一个过 渡。
▪ 3.4其它类型：例如采用罗氏线圈。由于没有 铁芯，所以不存在饱和现象。
4.偏转角检测方法
▪ 由光学电流传感器的工作原理可知待测电 流与偏转角成正比，因此只要知道偏转角， 就可求出待测电流，但目前尚无高精度直 接测量偏振面旋转角的检测仪器，只能间 接地依据其它方法检测角度，如光强检测 和位相检测，其中光强检测较为常用。传 统光强检测方法可分为AC/DC基本偏振检 测方法和双正交偏振检测方法，
3.光学电流传感器的分类
▪ 可分为：全光纤型、块状玻璃型、光电混 合型、其它类型。
▪ 全光纤型结构简单、灵活、重量轻、形状 随意、测量灵敏度可以按光纤环数调节 ； 缺点是无法解决线性双折射带来的问题。 是光学电流传感器的最终发展趋势。
▪ 块状玻璃型结构实用化和可行性较好，是 目前研究的热点。
3.1 全光纤型光学电流传感器
▪ 消除反射相移的一般方法。
▪ 一是双正交反射：线偏振光从一个角垂直入 射，在另外三个角经历两次45度正交全反射， 利用两次正交全反射消除相移。
▪ 二是采用临界角反射，采用三角形的传感头 设计，从一个角入射，从另外两个角发生全 反射。
▪ 三是准双正交反射：既是一个多环传感头， 线偏振光可在传感头内经历多次闭合光路， 但每一次全反射角都稍微偏离45度角，故称 准双正交反射。
▪ 只要知道交流与直流的比值J，就可求出偏转
角。（
）
▪ 双光路检测方法：即为上面所谈到的采用 Wollaston棱镜法。
▪ 但上述两种方法存在局限性，不能测量较大 的偏转角。因为它们都采用了正弦函数小角 近似、或者单调性来唯一确定偏转角。
▪ 传统光强检测方法的电流测量范围小，无法 满足测量脉冲大电流的要求。下面将提出一 种四光路光学电流传感技术，其具有测量范 围不受限制的优点。
▪ 测量公式：
▪ 公式解释说明：p(J34、J12)从坐标轴的第一象限向第二象限跨越Y轴的正半轴 时，m将增加1；相反地，从第二象限向第一象限越Y轴时，m将减1。当P(J34、 J12)从坐标轴的第三象限向第四象限跨越Y轴的负半轴时，m将增加1；相反地， 从第四象限向第三象限跨越Y轴时，m将减1。由于角度不再受正弦函数单调性的 限制，因此所测脉冲电流不再受限，并且θ与J34/J12是反正切的函数关系，不存 在不灵敏点，因而解决了不灵敏点存在较大测量误差的问题。
▪ 四光路检测方法：激光光源发出的光经起偏 器变成线偏振光，经过磁光探头时，其偏振 面受待测电流产生的磁场的作用而发生偏转， 然后传输到非偏振分束器被分成两束偏振光， 两束偏振光再分别进入两个偏振分束器被分 为两束偏振光，总共被分成四束偏振光。
▪ 最后，四束线偏振光被光电转换器转变成电 信号，进行相关信号处理，检测出偏转角， 从而求出脉冲电流。
▪ 原理：通过测量法拉第旋转角引起的光强 变化或者是磁致伸缩效应引起的相位变化 所导致的干涉光强的变化
▪ 缺点：内部存在线性双折射、受到振动与 温度的影响非常大，影响精度与长期稳定 性。
▪ 解决方法：一是新型光纤材料的研制可用 来减小线性双折射的影响；
▪ 二是新光纤结构的研制如双包层结构，选用 选用丙烯酸盐材料加以防护可以降低温度、 振动等外界变化对光纤的干扰。
5.基于MEMS技术的OCT
▪ 5.1 MEMS技术与MEMS扭转微镜 ▪ MEMS—微电子机械系统 ▪ 优点：基于硅微加工技术制造，可大批量、
▪ 前一种方法又称为单光路检测方法，后一种 方法又称为双光路检测方法 。
▪ 单光路检测方法：光源发出的光经输入光纤 传输到起偏器变为线偏振光。线偏振光通过 磁光材料时，其偏振面受待测电流产生的磁 场的作用而发生偏转，然后传输到检偏器， 被检测出相应的光强变化，最后经输出光纤 传输到探测器，转换为相应的电信号。再利 用模拟电子线路把直流与交流分开，并实现 交流除以直流。