基于法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器介紹

引言

　　近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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 光纖電流傳感器

　　1.1 光纖電流傳感器概述

　　光纖電流傳感器是一種新型的電流傳感器，與電磁式電流互感器相比，基于光學(xué)、微電子、微機(jī)技術(shù)的光纖式電流傳感器（OFCT），具有無鐵心、絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠，體積小、重量輕、線性度好、動態(tài)范圍大、無飽和現(xiàn)象，輸出信號可直接與微機(jī)化計量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿足、推動了電力系統(tǒng)的發(fā)展，而且應(yīng)用前景十分廣闊。

　　當(dāng)線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。

　　由于光在光纖中，一邊反射，一邊行進(jìn)，偏振波相應(yīng)于曲線的形狀會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對此現(xiàn)象，在光纖的一端設(shè)置一塊鏡面導(dǎo)致光纖中光線的往返，借助光的來回往返，成功補(bǔ)償和解決了偏振波的旋轉(zhuǎn)問題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件，并結(jié)合利用鏡面的方法，只需把光纖卷繞在載流導(dǎo)體上，用于電流計測的反射型傳感器就基本完成。其次，開發(fā)了調(diào)制程度的平均處理與信號處理方式，這有利于特性的穩(wěn)定及噪音的抑制。此外，對光源、受光元件、信號傳輸光纖等種類與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，而且，慎重選擇了旨在降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化的傳感器制作技術(shù)。目前，光纖傳感器技術(shù)正朝實(shí)用化的方向進(jìn)展，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛需求。

　　1.2 光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)

　　光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖1所示。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。從傳感頭有無電源的角度，可分為無源式和有源式兩類。

圖一光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖