《光学电流传感器》PPT课件
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同样,也可以利用导线本身的交变磁场作为驱动磁场。 上面均利用了罗氏线圈,单独的MEMS线圈也可以在交变磁 场中感应出电压。
6.OCT的实际应用
A.110KV蒙自站—上海第一所真正意义上 的数字化变电站 采用全光纤式OCT检测电流 特色:1.采用了特制法兰(可将敏感环安 装于上)2.采用共光路、差动解调方式: 在敏感器内通入两束正交光源,在经过同 一光路以后,其受外界的影响相同,回到 调制器以后,经差动解调方式可将干扰信 号互相抵消,减小外界影响。
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
光学电流传感器
李坤
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。
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。 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。 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。
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
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。
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。
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。
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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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、 高一致性、低成本生产;特征尺寸在微米 级别,材料基于硅但不限于硅;可集成智 能化微系统。 MEMS扭转镜:通过MEMS技术制造的在 某种驱动下可以发生转动的微机械器件。
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,
原理:根据电磁感应原理,罗氏线圈将交变大电流信号变为 低电压信号,再以交变小电流的形式引入到与之串联的 MEMS驱动线圈中,驱动线圈在永磁铁磁场力矩的作用下使 微镜绕扭转梁振动,双光纤准直器与扭转镜背面的镜面形成 反射回路,镜面扭转使得反射光束的方向发生改变,从而对 耦合到光纤中的能量进行调制。因此对输出光损耗峰值的检 测,可以确定镜面的转角幅度,进而获取电流的幅值信息。
注:还可采用闭环负反馈控制技术来解决外 界干扰。 B.黑龙江黑河西岗子变电站关于运用光学电 流互感器的成果--POSS-OCT。介绍了其相 关的稳定性测试系统。
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。 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。