光纤电磁量传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第八章 光纤电磁量传感器
主要内容： 光纤磁场传感器 光纤电场传感器 光纤电流传感器
光纤的绝缘性，抗干扰性、灵敏度高等特性决定了它可在强
磁场下测高电压、大电流等电磁参量。
常用的调制方式：偏振调制、相位调制。 物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效应、电致光吸收效应、 压电弹光效应
物理效应 法拉第效应：在磁场作用下，原来不具备旋光性的物质产生了旋 光性（使光矢量旋转），也称作磁致旋光效应。区分他和旋光性的
要建立线性，需要展开，且舍去高阶项。令
K1' C K1 A0
1 2 2 3 Us C Us C 3
此式可通过除法器和加法器实现。输出U0。且输出信号与θ之间具有 线性关系。
2. 压电弹光技术：测量电压，特别是测量高压时，采用压电
材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方式测量。
光纤测量电流的技术
1. 利用磁场对偏振态发生作用，通过检测偏振态的变化可得到产生磁场 的电流大小。 2. 采用金属被覆多模光纤，多模光纤在磁场中，并在被覆层通一电流， 电流与磁场相互作用会引起光纤微弯，利用此特性检测电流大小。 3. 采用磁致伸缩材料被覆单模光纤，使其固定在一个通过被测电流螺线 管中心，通过测磁场强度计算电流。 4. 采用金属被覆单模光纤，使被测电流流过光纤时产生电阻热效应，从 而得到电流大小。
5.
将被测电流转变成电压，然后再利用电压测量的压电技术得到电流大
小。
8.2 光纤磁场传感器
——法拉第效应的传感器和磁致伸缩的传感器 一. 光纤法拉第磁强计（偏振调制)——有传感型和传光型。
传感型：将外磁场直接加在光纤的轴向，使光纤中光波的线偏振方向偏
转，检测。实验表明：法拉第效应应用在普通的二氧化硅单模光纤
测量磁场、电场和电流的方法
测量磁场可用两种技术：法拉第旋光技术、磁致伸缩技术。 1. 法拉第旋光技术：将外磁场加在光纤轴向上，使光纤中传播的光 线偏振方向产生旋转，检测偏转角，就可测外加磁场的大小。
2. 磁致伸缩技术：利用马赫—泽德尔光纤干涉仪，测量臂采用被覆
或粘有磁致伸缩材料的光纤。在被测磁场作用下，材料发生磁致 伸缩，作为测量臂的光纤发生各种应变。纵向应变会引起光纤束
换灵敏度和最佳线性度。
光强对θ的变化率，即转换灵敏度
dI d 2 I 0 sin cos I 0 sin 2
B点是线性 度最好的点。
dI
d 2 I 0 cos 2 0
'
2k 1 4
灵敏度最大点
1 I 0 1 sin 2 2
A0运算放大器的放大倍数；K 可调比例变换环节的比例数
消去与角度无关的项
1 U K1 AA0 I 0 sin 2 2
与输入光强 I0 无关。 且θ与Us建立准线性关系。
K1 A0 sin 2 除法器的输出 U s U U 2 ' 2 K1
' 2 K 1 1 2 sin Us K A 1 0
2 o
经电流—电压放大器（A）后，输出电压信号
1 U1 K1 AI 0 1 sin 2 A为光电管光强—电流—电压转换系数 2
电路部分原理框图
光电管D2接收的光强
I KI
'
' 1 0
输出的电压信号
U 2 K1' AI 0
差动wk.baidu.com大器的输出信号为
1 1 ' U A0 U1 KU 2 K1 AA0 I 0 KK1 AA0 I 0 K1 AA0 I 0 sin 2 2 2
旋转的区别。
磁致伸缩效应：磁场作用于磁致伸缩材料使其长度发身变化，进 而引起光学相位的变化，且其相位变化与磁场为线性关系。 电致光吸收效应：在电场作用下，压电效应晶体的吸光特性发生 了变化，其吸光特性变化规律与外加电压成正比。
压电弹光效应：把单模光纤结合在压电材料的芯架或带条上，当
外加电场作用于压电材料相应方向时，由于压电材料的长度发生变 化，使单模光纤因弹光效应发生折射率变化。
光强与角度的关系曲线
I I 0 cos2 45o
电路检测部分 ——讨论如何取出θ信号进而建立输出电信号与磁场之间的线性关系。
电路部分原理框图
K1测量光路的耦合衰减常数, K1’参考光路的耦合衰减常数。
且两个值都小于1，即假设光路对光强的输入—输出是线性不变系统。
1 光电管D1接收光强 I K1 I 0 cos 45 K1 I 0 1 sin 2 2
中的相位变化，使干涉仪中的两束光的干涉条纹移动。检测条纹
移动数量，就可得被测磁场的大小。
测量电场（或电压）可用两种技术：电致吸光技术和压电弹
光技术。 1. 电致吸收技术：可利用掺杂的压电晶体，在外加电场下改 变其光谱吸收特性（传光型），也可用掺杂适当的杂质的 光纤，使光纤的折射率可随外界电场变化（传感型），即 n(E)型光纤。它具有光吸收系数随外界电场的变化而变化 的特性。检测出吸光特性的变化，就可得到外加电场（或 电压）的大小。
利用法拉 第效应可以测量 磁场。其测量原 理如右图所示。
下面介绍一种可以测直流、交流和脉冲磁场强度的磁强计。
可有效排除光强变化的影响
光路部分的原理图
光学马吕斯定律，起偏器的射出光强I0与检偏器的射出光强I的关系：
I I 0 cos2
θ角不能直接精确测量，需要通过光强的变化检测来计算。 问题：起始将起偏器和检偏器的透光轴向相交多少度角，可得到最大的转
只能检测高磁场和大电流。 缺点：传感型法拉第传感器的应用受到限制，因为这种传感器中要求具
有特殊的光纤材料和精密的光纤控制技术，才可能获得高灵敏度的
磁场检测。 传光型：利用玻璃制成的法拉第盒作为敏感元件。传感器灵敏度高、稳
定性好，可以有效地应用于高压电力系统中。
法拉第效应（磁光旋转）：某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振 动面会发生旋转，光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强 度H成正比，即 式中 V — 物质的费尔德常数，它与介质的 性质和波长、温度有关。 可以看出，如果θ角能够被检测，就可以测量磁场强度。
主要内容： 光纤磁场传感器 光纤电场传感器 光纤电流传感器
光纤的绝缘性，抗干扰性、灵敏度高等特性决定了它可在强
磁场下测高电压、大电流等电磁参量。
常用的调制方式：偏振调制、相位调制。 物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效应、电致光吸收效应、 压电弹光效应
物理效应 法拉第效应：在磁场作用下，原来不具备旋光性的物质产生了旋 光性（使光矢量旋转），也称作磁致旋光效应。区分他和旋光性的
要建立线性，需要展开，且舍去高阶项。令
K1' C K1 A0
1 2 2 3 Us C Us C 3
此式可通过除法器和加法器实现。输出U0。且输出信号与θ之间具有 线性关系。
2. 压电弹光技术：测量电压，特别是测量高压时，采用压电
材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方式测量。
光纤测量电流的技术
1. 利用磁场对偏振态发生作用，通过检测偏振态的变化可得到产生磁场 的电流大小。 2. 采用金属被覆多模光纤，多模光纤在磁场中，并在被覆层通一电流， 电流与磁场相互作用会引起光纤微弯，利用此特性检测电流大小。 3. 采用磁致伸缩材料被覆单模光纤，使其固定在一个通过被测电流螺线 管中心，通过测磁场强度计算电流。 4. 采用金属被覆单模光纤，使被测电流流过光纤时产生电阻热效应，从 而得到电流大小。
5.
将被测电流转变成电压，然后再利用电压测量的压电技术得到电流大
小。
8.2 光纤磁场传感器
——法拉第效应的传感器和磁致伸缩的传感器 一. 光纤法拉第磁强计（偏振调制)——有传感型和传光型。
传感型：将外磁场直接加在光纤的轴向，使光纤中光波的线偏振方向偏
转，检测。实验表明：法拉第效应应用在普通的二氧化硅单模光纤
测量磁场、电场和电流的方法
测量磁场可用两种技术：法拉第旋光技术、磁致伸缩技术。 1. 法拉第旋光技术：将外磁场加在光纤轴向上，使光纤中传播的光 线偏振方向产生旋转，检测偏转角，就可测外加磁场的大小。
2. 磁致伸缩技术：利用马赫—泽德尔光纤干涉仪，测量臂采用被覆
或粘有磁致伸缩材料的光纤。在被测磁场作用下，材料发生磁致 伸缩，作为测量臂的光纤发生各种应变。纵向应变会引起光纤束
换灵敏度和最佳线性度。
光强对θ的变化率，即转换灵敏度
dI d 2 I 0 sin cos I 0 sin 2
B点是线性 度最好的点。
dI
d 2 I 0 cos 2 0
'
2k 1 4
灵敏度最大点
1 I 0 1 sin 2 2
A0运算放大器的放大倍数；K 可调比例变换环节的比例数
消去与角度无关的项
1 U K1 AA0 I 0 sin 2 2
与输入光强 I0 无关。 且θ与Us建立准线性关系。
K1 A0 sin 2 除法器的输出 U s U U 2 ' 2 K1
' 2 K 1 1 2 sin Us K A 1 0
2 o
经电流—电压放大器（A）后，输出电压信号
1 U1 K1 AI 0 1 sin 2 A为光电管光强—电流—电压转换系数 2
电路部分原理框图
光电管D2接收的光强
I KI
'
' 1 0
输出的电压信号
U 2 K1' AI 0
差动wk.baidu.com大器的输出信号为
1 1 ' U A0 U1 KU 2 K1 AA0 I 0 KK1 AA0 I 0 K1 AA0 I 0 sin 2 2 2
旋转的区别。
磁致伸缩效应：磁场作用于磁致伸缩材料使其长度发身变化，进 而引起光学相位的变化，且其相位变化与磁场为线性关系。 电致光吸收效应：在电场作用下，压电效应晶体的吸光特性发生 了变化，其吸光特性变化规律与外加电压成正比。
压电弹光效应：把单模光纤结合在压电材料的芯架或带条上，当
外加电场作用于压电材料相应方向时，由于压电材料的长度发生变 化，使单模光纤因弹光效应发生折射率变化。
光强与角度的关系曲线
I I 0 cos2 45o
电路检测部分 ——讨论如何取出θ信号进而建立输出电信号与磁场之间的线性关系。
电路部分原理框图
K1测量光路的耦合衰减常数, K1’参考光路的耦合衰减常数。
且两个值都小于1，即假设光路对光强的输入—输出是线性不变系统。
1 光电管D1接收光强 I K1 I 0 cos 45 K1 I 0 1 sin 2 2
中的相位变化，使干涉仪中的两束光的干涉条纹移动。检测条纹
移动数量，就可得被测磁场的大小。
测量电场（或电压）可用两种技术：电致吸光技术和压电弹
光技术。 1. 电致吸收技术：可利用掺杂的压电晶体，在外加电场下改 变其光谱吸收特性（传光型），也可用掺杂适当的杂质的 光纤，使光纤的折射率可随外界电场变化（传感型），即 n(E)型光纤。它具有光吸收系数随外界电场的变化而变化 的特性。检测出吸光特性的变化，就可得到外加电场（或 电压）的大小。
利用法拉 第效应可以测量 磁场。其测量原 理如右图所示。
下面介绍一种可以测直流、交流和脉冲磁场强度的磁强计。
可有效排除光强变化的影响
光路部分的原理图
光学马吕斯定律，起偏器的射出光强I0与检偏器的射出光强I的关系：
I I 0 cos2
θ角不能直接精确测量，需要通过光强的变化检测来计算。 问题：起始将起偏器和检偏器的透光轴向相交多少度角，可得到最大的转
只能检测高磁场和大电流。 缺点：传感型法拉第传感器的应用受到限制，因为这种传感器中要求具
有特殊的光纤材料和精密的光纤控制技术，才可能获得高灵敏度的
磁场检测。 传光型：利用玻璃制成的法拉第盒作为敏感元件。传感器灵敏度高、稳
定性好，可以有效地应用于高压电力系统中。
法拉第效应（磁光旋转）：某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振 动面会发生旋转，光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强 度H成正比，即 式中 V — 物质的费尔德常数，它与介质的 性质和波长、温度有关。 可以看出，如果θ角能够被检测，就可以测量磁场强度。