基于偏磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流傳感器設(shè)計*

雷文鋒, 馬 躍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海 200093)

設(shè)計與制造

基于偏磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流傳感器設(shè)計*

雷文鋒, 馬 躍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海 200093)

針對高壓輸電中直流的檢測,提出一種基于偏磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流傳感器。偏磁薄膜固定磁場在石榴石材料中的方向提高了傳感器測量精度,采用偏振計直接檢測偏振角的方法消除了偏振面預(yù)偏角度誤差對測量系統(tǒng)的影響。對傳感器實現(xiàn)直流檢測進(jìn)行理論分析,設(shè)計了傳感器的光路結(jié)構(gòu),并使用傳感器進(jìn)行直流檢測實驗。結(jié)果表明：該傳感器能兼顧靈敏度和測量范圍的需要且測量輸出線性度高,線性擬合度為0.999 53,多次測量重復(fù)性好,誤差小于0.4 %。

偏磁薄膜矯正； 直流光學(xué)電流傳感器； 高壓高直流

0 引 言

在輸電工程中,電流傳感器是實現(xiàn)輸電系統(tǒng)的監(jiān)視和保護(hù)的一種重要測量設(shè)備[1～3]。基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)電流互感器暴露出鐵心易飽和,絕緣越來越困難,絕緣費用昂貴,充油易爆等內(nèi)在的缺點已漸漸不能滿足特高壓中電流的檢測。與傳統(tǒng)的電流互感器相比,光學(xué)電流傳感器具有絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、造價低、動態(tài)測量范圍大、暫態(tài)響應(yīng)范圍大、測量精度高、頻率響應(yīng)范圍寬、不存在磁飽和、無鐵磁諧振、體積小、重量輕等優(yōu)良性能,是未來電網(wǎng)中理想的電流檢測設(shè)備[4～7]。

本文提出的基于偏磁矯正的光學(xué)電流傳感器,采用鍍偏磁薄膜的石榴石材料作為傳感器的敏感元件,以保偏光纖作為傳輸介質(zhì),通過TXP偏振計檢測入射偏振光與水平方向的線偏振光的振動面夾角變化來間接實現(xiàn)電流的檢測。與采用測光強變化的方法來得到旋轉(zhuǎn)角度相比,兩偏振片的偏振面不需要嚴(yán)格的成45°,消除了偏振面預(yù)偏角度誤差對測量系統(tǒng)的影響。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)響應(yīng)大,測量精度高,實驗表明：該傳感器能兼顧靈敏度和測量范圍的需要且測量輸出線性度高,多次測量誤差小于0.4 %。

1 傳感器測量原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工作原理

直流光學(xué)電流傳感器的基本工作原理是Faraday效應(yīng),如圖1所示偏振光在通過平行外加磁場方向的磁光介質(zhì)后外部磁場會使偏振光的偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度β由公式(1)決定

(1)

其中,V為磁光材料的費爾德常數(shù)；B為通光路徑方向的磁場強度；l為偏振光在磁光介質(zhì)中的光程,即磁光材料的厚度。

圖1 Faraday效應(yīng)原理示意圖Fig 1 Principle diagram of Faraday effect

傳感頭由設(shè)計的夾具固定在被測電流導(dǎo)線的一側(cè),使電流產(chǎn)生的磁場方向平行于光傳播方向,電流導(dǎo)線中心到光軸的垂直距離為r。根據(jù)安培環(huán)路定律,通電長直導(dǎo)線在光軸上距電流導(dǎo)線水平距離x處磁場強度為

(2)

式中u0為真空磁導(dǎo)率,I為導(dǎo)線上電流大小。沿光軸方向的磁場強度為

(3)

將式(3)代入式(1)可得

(4)

由上式可知偏振光的振動面旋轉(zhuǎn)角β和被測電流大小I呈線性關(guān)系。

TXP偏振計通過測量偏振光的振動面和水平方向的線偏振光的振動面夾角來實現(xiàn)對偏振光旋轉(zhuǎn)角度的測量,并通過軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。假設(shè)入射到偏振計的偏振光的預(yù)偏角度為α,則

(5)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與敏感元件設(shè)計

基于偏磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流傳感系統(tǒng)如圖2所示主要由激光器、起偏器、保偏光纖、鍍膜石榴石傳感頭、TXP偏振計等部分組成。使用固定夾具將傳感頭固定在通電導(dǎo)線附近,使得電流通過導(dǎo)線的時產(chǎn)生一個平行于光傳播方向的磁場強度B,激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光入射到傳感頭并在磁場作用下產(chǎn)生偏振面的旋轉(zhuǎn),角度為β。出射偏振光經(jīng)由TXP偏振計后通過電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,獲得偏振光預(yù)偏角α和經(jīng)過電流調(diào)制后偏振光振動面與水平方向的線偏振光的振動面夾角θ,由此便可建立測量角度θ和被測電流的關(guān)系,由此通過偏振計獲取測量角度θ便可反推被測電流大小。傳感器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 直流光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)原理圖Fig 2 System principle diagram of DC optical current sensor

敏感元件采用2 mm×2 mm×0.2 mm的石榴石材料作為基片,通過磁控濺射的方法在其表面生長一層間隔4 μm的條狀偏磁薄膜,并對偏磁薄膜進(jìn)行充磁,偏磁薄膜能固定電流產(chǎn)生的磁場在石榴石中的方向,使得傳感器測量的精度和穩(wěn)定性提高,其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Structure diagram of senstive element

2 實驗與結(jié)果分析

將設(shè)計好的傳感器在實驗室條件下進(jìn)行模擬大電流的實驗,測試系統(tǒng)原理圖如圖2所示,從高穩(wěn)定度的激光器產(chǎn)生1 550 nm的激光經(jīng)光纖耦合器耦合再經(jīng)分束鏡和起偏鏡后變成線偏振光,通過鍍膜石榴石材料的傳感頭出射的偏振光經(jīng)電流產(chǎn)生磁場調(diào)制后入射到TXP偏振計中,偏振計連接電腦將采集到的偏振光進(jìn)行檢測。電流大小由SLQ—82大電流發(fā)生器控制,在回路中實現(xiàn)0～3 000 A區(qū)間精度為1A 的電流控制。

在室溫條件下進(jìn)行傳感器的測試實驗,固定好傳感頭使其靠近電流導(dǎo)線。通過大電流發(fā)生器改變通過導(dǎo)線的電流大小,記錄電流的大小同時通過軟件采集偏振光在TXP偏振計中測量角度的值,根據(jù)采集的的電流值和角度值,得到傳感器中電流和角度的關(guān)系曲線,如圖4所示。

圖4 直流光學(xué)電流傳感器的偏振光測量角度和電流響應(yīng)曲線Fig 4 Polarization measuring angle vs current responsing curve of DC optical current sensor

對偏振光測量角度和電流的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合得

θ=-3.426 91I+47.709 01.

(6)

由式(6)可知偏振光的預(yù)偏角度α=47.709 01°,測量結(jié)果計算得出傳感器偏振光旋轉(zhuǎn)角度的電流的靈敏度為-3.426 91°/kA,由理論分析可知,傳感頭在該固定位置的測量范圍為0～52 kA。在0～3 kA范圍內(nèi)傳感器的旋轉(zhuǎn)角度與導(dǎo)線上電流大小呈良好線性關(guān)系,經(jīng)過多次實驗表明:該傳感器的偏振旋轉(zhuǎn)角度與電流保持良好的線性度高,線性擬合度為0.999 53,多次測量重復(fù)性好、誤差小于0.4 %。

3 結(jié) 論

針對特高壓輸電中直流電流檢測,提出了一種基于偏磁矯正的直流光學(xué)電流傳感器結(jié)構(gòu)。理論上驗證了傳感器的測量范圍與靈敏度相互制約,通過對其進(jìn)行理論分析和大電流檢測實驗,研究結(jié)果表明：該傳感器能兼顧靈敏度和測量范圍的需要且測量輸出線性度高,線性擬合度為0.999 53,多次測量重復(fù)性好,誤差小于0.4 %。采用偏振計對偏振光的偏振角進(jìn)行直接測量消除了兩偏振片的偏振面的預(yù)偏角度誤差對測量系統(tǒng)的影響。

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Design of DC optical current sensor based on correction of biasing magnetic film*

LEI Wen-feng, MA Yue

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Aimed at DC current deection in high-voltage transmission,a DC optical current sensor based on correction of biasing magnetic film is proposed.Biasing magnetic thin film fixed direction of the magnetic field in garnet material improves measurement precision of sensor,the method that using polarimeter directly detect polarization angle and eliminate effect of preset angle error of the polarization plane on measuring system.Theoretical analysis is carried out on sensor for DC detction,optical path structure of sensor is designed,and sensor is used for DC detction experiment.The experimental results show that sensitivity of sensor can match the required measurement range and output linearity of measurement is high,linear fitting degree is 0.999 53,also repeatability of multiple measurement is good and the error is less than 0.4 %.

correction of biasing magnetic film； DC optical current sensor； high voltage high DC current

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0048—03

2014—03—12

上海市研究生創(chuàng)新基金資助項目(JWCXSL1302)

TM 452.92

A

1000—9787(2014)12—0048—03

雷文鋒(1991-),男,畬族,福建福州人,碩士,研究方向為光纖傳感及其信號檢測技術(shù)。