光纤电流传感器的研究新进展
一、流传感器的基本原理
根据 Far aday磁光效应，在被测电流产生的磁场作用下，光学介质中沿磁场方向传播的线偏振光的偏振方向将发生变化，偏振角的变化，全HdL，式中‘为Verde‘常数，H为磁场强度?‘为光线走过的路径。当介质中的光路形成围绕载流导线的闭合环路时，根据安培环路定理，0=VKI,k为比例系数，I为电流强度，这是Faraday磁光效应光学电流传感器的理论基础.常用 的 测 量Faraday型光学电流传感器输出线偏光偏转角的方法是正交偏振测量法，即用
Wollaston棱镜做检偏器，线偏光经过电流传感元件输出后，被Wollaston梭镜分成两束偏振态互相垂直的线偏光，两束光的强度被分别检测出来并进行如下运算:S}- (11-I2)/(11+I2). Wollaston棱镜起偏器偏振方向的夹角为45’时，1,= Al /4[1-sin24,1.12=Au /4[1+sin24;]，所以，5=(I1-12)/(11+12)
=sin2 l。当法拉第偏转角It比较小时，输出信号正比于输出线偏振光的法拉第偏转角。即X24,。以上 是 理 想情况下的结论。如果在传感元件中存在线性双折射d，上述检测系统的输出信号则成为5= (11-12)，(11+12)=2,b sin石兀百石了，石万面，.上 式 可 知.线性双折射可明显的降低系统的灵敏度和输入与输出之间的线性关系。不仅如此，由于线性双折射与温度，压力等诸多因素有关，致使传感头的测量灵敏度易受工作环境的影响，因此显著的降低了系统的稳定性。所以，对于用光纤做敏感元件的电流传感器而言，如何消除线性双折射的影响，己成为研制开发光学电流传感器中的核心问题。
二、纤电流传感器研究新进展
光纤 电 流 传感器是一个集材料科学、维光学、微电子学、电气工程、精密机械和计算机等学科于一体的高新技术产品，这就注定了它的研制是一项技术难度大、协作配套广的知识密集型项目。故对其理论的深层次研究以及开发并解决产品实用化的问题一直是大家努力的方向。
2.1新型传感材料的研究
为了适应光纤电流传感技术发展的要求，制造能克服双折射效应与提高光纤的Verde.常数相结合的特种传感材料是必然趋势。在最近的研究中，从前被忽视的顺磁和铁磁性材料由于其性能的提高又重新引起了人们的关注。在顺磁材料中，弱磁半导体材料如福锰蹄(Cd,.Mr4Tc )、汞锰磅(Hg,..Mn.Te)等获得广泛研究，其中某些材料在一定的合成方式下，对于某个特定的波长，其Verdet常数比SiO2大1000倍.中科院西安光机所研制的MR-3, MR-4高Verdet常数磁光材料，其性能要常规的顺磁材料优越的多。在铁磁材料中，用掺稼的忆铁石榴石(Ga:YIG)制成的传感头可分辨效噪声电流为200nA/Hz的微小电流，为高灵敏度传感头的制
作提供了物质基础。另外，利用YIG的灵敏度温度系数符号正好与i4铁石榴石cm )相反的特性合成一种新材料Tb.YWFe5O12，如果x选为0.2左右，则该材料的Verdet常数与温度无关。
2.2新型传感器结构的研究
目前 在 传 感器结构方面的研究主要集中在如何设计合理的结构，最大限度地减小或消除线性双折射的不利影响。光纤的线性双折射可分为内在线性双折射和外在线性双折射。其中内在双折射是由于制备光纤过程中引入的光纤的不完备性引起的，诸如纤芯的非圆度和光纤内部非对称性应力引起。外在线性双折射则是环境温度，压力，振动等因素变化引起的应力双折射。光纤中任何一种线性双折射都会对光纤电流传感器的测试性能造成极大影响。因此 ，如 何减小或消除光纤线性双折射及其影响，己成为光纤电流传感器研究中的关键问题。人们提出了很多减小或消除光纤线性双折射及其影响的方法，几种有代表性的解决方法如下:
(1)
在光纤中引入大量的圆双折射来抑制线性双折射
法拉第效应实质上是磁致圆双折射现象，它可叠加在已引入的固有圆双折射上，这样就可以保持测量灵敏度。引入方法有两种:一是沿光纤轴向扭转己制好的光纤，缺点是受光纤自身强度限制，所引入的圆折射很有限;二是采用旋制单模光纤或旋制椭圆双折射光纤，缺点是圆折射的大小极易受温度的影响，致使这类光纤传感器的性能随环境温度变化而变化，因而需要通过对温度进行检测以便补偿对应的电流测量值。
(2)
采用将光纤匝退火的方法来消除线性双折射
其方法是将已绕制好的光纤匝加热到800^9000C 并保持24h.然后在几天时间中将该高温度逐渐降至室温。该方法的缺点是在高温退火处理过程中的光纤的保护套层全被破坏掉，致使光纤易于损坏。
(3 )用几何方法分离弯致线性双折射在此方案中利用弯致双折射来制成位相延迟器。经过精心设计的光纤探头的结构与形状如图3所示，在这个传感元件中，将弯致线性双折射被集中在 一个四方形传感元件的四个角。而四个臂则保-持平 直的几何形状，以求尽量减小弯致双折射的影响。图1利用分时起偏复用法测量电流的方案每个转角都被精心地绕成半径为10mm的环状，每个环状部分由三匝光纤组成。在这样的光纤环中，弯致双折射起的输入线偏振光的两正交分量之间的位相差为2:。由于四个角中线性双折射产生的位相延迟恰为ZJT的整数倍，而光纤探头的个臂围绕待测电流形成闭合环路，它们不受线性双折射的影
响，故在输出信号中只有法拉第旋转。
(4 )用保偏光纤模式祸合法抑制线性双折射的影响
如上所述由于存在外界环境因素变化的影响，线性双折射对偏振光的偏振态的作用也会改变，因而使这些采用低线性双折射光纤制作的电流传感器的性能很难得到进一步的改善和提高。反之，由外界引起的这些影响，包括Faxaday效应，在高双折射光纤中则会受到抑制.当一根高双折射光纤受到外磁场空间周期性的干扰时，原来注人该光纤并在其中以互相正交的两本征模式之一传播的线偏振光.由于F扣口day效应会向另一个空置的本征模式祸合能量。当该空间周期与这条光纤的拍长相吻合时，向空模祸合的能量最大。在这个系统中，一束线偏振光被注入一条椭圆芯高双折射光纤之中，并在其两个互相正交的本征偏振模式之一中传播.两个模式之间的消光比30dB.由Faraday偏转导致的祸合到另一个模式的偏振光，可以用Glan一Tholnson 棱镜检测出。实验表明，该系统的输出信号与所施加的电流成正比。由于这种传感器的光纤内的模式祸合系数对外加场的空间周期具有很强的依赖性，而该外加场又是在传感器设计时预先设计好的，因此这种传感器对外界杂散电流场具有良好的抗干扰性能。
(5)全面分析输出偏振态法
如果环境温度仅在一个很小的范围，比如5~01℃内变化，则有可能用全面分析偏振态的方法，把输出线偏振光中由电流引起的偏振态改变，与由温度变化产生的偏振态改变分离开，所谓全面分析偏振态，是指同时测量出输出光的偏振角与椭圆度，然后通过查表的方法来估价瞬时电流和温度值.在这种检测方案中.为了产生计算偏振角与椭圆度所需要的6个信号.使用了3个W匕11aston 棱镜和一个含有6个探测器、并带有一个偏振滤波器阵列的检测阵列来得到被测信号，而探头则用扭转过的光纤或旋制光纤构成。由于在扭转或旋制的过程中在光纤内引入了人量的圆双折射，而圆双折射又对温度十分敏感.致使在光纤内传播的线性偏振光的偏振态随外界环境温度的变化而变化。因为由磁场导致的偏振角变化是叠加在由温度引起的偏振态变化之上的，故不可能用偏振计把这两种不同原因引起的变化分离开。为了消除温度波动对圆双折射的影响，系统中采用了一个后反射结构，采用此系统已获得了0.1的测量分辨率。
2.3
实现与光纤通信技术的结合，使传感系统阵列化和网络化
光纤 传 感 技术与光纤通信技术相结合并实现传感系统的网络化和阵列化是光纤传感技术的重要发展方向，光学电流传感技术也不例外.就光纤电流传感器在电力系统的应用而言，有专家预言，未来的电站将是“光纤化”的电站，光纤技术将可以用于电站中的测量、监控、保护、通信等各个方面。到 目前 为 止，
电力系统中大多数继电保护装置都只能保护安装处的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围.这主要是由于缺乏强有力的通信手段。为了实现系统综合保护，就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息数据，这要求系统不但能“感”，而且能‘传”。显然，基于光纤传感技术的光纤电流传感器，由于数据传输方面的方便性，在系统综合保护方面拥有广阔的应用前景。
三、结论
光纤 电 流 传感器有许多传统的传感器无法相比的特点，所以光纤电流传感器的应用前景十分广阔，市场潜力巨大.尽管在研究开发方面取得了许多成果，但真正实现实用化，还需要艰苦的努力.特别是在减小和消除线性双折射对偏振光的影响上，还有大量的工作要做。光纤电流传感器未来的研究应从以下方面深入探索:新型传感头用光学材料，新型传感头结构以更好地消除线性双折射的?影响，加快产品的实用化进程:采用现代信息处理技术，实现光纤传感与光纤通信技术的结合以实现全系统综合传感测量与保护等，
光纤电流传感器
