菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖測試中的應(yīng)用

茅 昕

（長飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

菲涅爾反射替代反射鏡在高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖測試中的應(yīng)用

茅 昕

（長飛光纖光纜股份有限公司，湖北武漢，430073）

高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖是全光纖電流互感器中的一種關(guān)鍵材料。本文提出在評估高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的高低溫性能時，使用光纖端面菲涅爾反射的方法替代在光纖端面鍍膜加工反射鏡，并通過實驗對這一方法進行了驗證。

高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖；光纖電流互感器；高低溫循環(huán)

0 引言

光纖電流互感器（Fiber Optic Current Transformer，F(xiàn)OCT）是一種基于法拉第磁光效應(yīng)、以光纖為測量和傳輸介質(zhì)的電流測量設(shè)備,具有抗電磁干擾、測量動態(tài)范圍大、頻帶寬、可測量直流、便于與高壓設(shè)備集成等優(yōu)點[1]。限制FOCT廣泛應(yīng)用的主要因素是其測量精度易受到環(huán)境溫度變化的影響。在實踐中可通過改進高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的溫度系數(shù)等工藝手段提升FOCT的溫度性能。與工藝改進相配合的是對改進后的材料進行在線高低溫測試。如能縮短測試準備時間和降低測試成本，對于推進FOCT的技術(shù)發(fā)展具有積極作用。

本文研究了光功率變化對系統(tǒng)信噪比的影響，提出用端面菲涅爾反射替代端面鍍高反射膜，并通過仿真和實際測試對所提方法的有效性進行了驗證。

1 系統(tǒng)信噪比分析

光纖電流互感器由光源、無源光器件、光探測器、電信號運放采集、電信號處理這幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)的主要噪聲源為散粒噪聲、熱噪聲和探測器接收的相對強度噪聲[2]，信噪比的計算表達式為：

式1中，dS為系統(tǒng)輸出，散粒噪聲svσ 、相對強度噪聲svσ 都與系統(tǒng)光功率有關(guān)，熱噪聲hvσ 則是由探測器跨阻抗放大器轉(zhuǎn)換電阻上電荷載流子的熱運動引起的。系統(tǒng)經(jīng)閉環(huán)反饋控制后，探測器的電信號輸出表達式為：

式2中dS為探測器電信號輸出，PK 為光電探測器轉(zhuǎn)換系數(shù)，oI為光源輸出光強 ，L為光路損耗，fφ為法拉第效應(yīng)相移, mφ為系統(tǒng)調(diào)制引入的相移。式3中N為高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖繞制的線圈匝數(shù)，V為光纖的維爾德常數(shù)，I為系統(tǒng)檢測電流強度。

系統(tǒng)的輸出電信號靈敏度與系統(tǒng)光源輸出光強度、傳感光纖圈數(shù)、待測電流大小等參數(shù)相關(guān)。為保證實驗條件的一致性，一般不調(diào)整傳感光纖圈數(shù)和待測電流大小，當(dāng)僅改變系統(tǒng)光功率大小時，光功率與系統(tǒng)信噪比的關(guān)系如圖1所示。

圖1 信噪比-系統(tǒng)光功率曲線

2 光纖電流互感器性能的評價機制

光纖電流互感器的一個重要性能指標是溫度穩(wěn)定性，特別是電流傳感部分的溫度穩(wěn)定性[3]。經(jīng)過多年實踐，電力行業(yè)內(nèi)總結(jié)出限制FOCT廣泛應(yīng)用的主要因素是其測量精度易受到環(huán)境溫度變化的影響。可通過將FOCT的傳感部件置于高低溫箱內(nèi)的方式測試在外部溫度條件發(fā)生變化時系統(tǒng)的性能變化程度。電力行業(yè)內(nèi)定義：比例誤差=(被檢互感器二次電流-標準互感器二次電流)/標準互感器二次電流。其中被檢互感器和標準互感器的二次電流通過互感器校驗儀實時同步采集，互感器校驗儀的輸出結(jié)果即為各時刻的比例誤差。

電力行業(yè)要求FOCT設(shè)備在其額定電流工作條件下，在全溫度變化范圍內(nèi)其比例誤差應(yīng)在±0.2%以內(nèi)。考慮到系統(tǒng)工作時可在調(diào)制方式、λ/4波片制備工藝等方面進行溫度補償，因此對于電流傳感部分優(yōu)先考察其受溫度影響導(dǎo)致比例誤差變化的重復(fù)性，其次是希望當(dāng)僅有傳感光纖部分處于變溫條件時，其全變溫范圍內(nèi)的比例誤差應(yīng)在±2%以內(nèi)。當(dāng)處于穩(wěn)定溫度條件下，其比例誤差應(yīng)在±0.2%以內(nèi)。

3 基于菲涅爾反射的系統(tǒng)實驗

當(dāng)光入射到折射率不同的兩個媒質(zhì)分界面時，一部分光會被反射，這種現(xiàn)象稱為菲涅爾反射。如果光在光纖中的傳輸路徑為光纖端面到空氣時，由于光纖和空氣的折射率不一樣，在光纖的端面處將產(chǎn)生菲涅爾反射。系統(tǒng)的其余設(shè)置和制備工藝保持不變，僅將反射鏡替換為菲涅爾反射面。實驗中光纖端面通過光纖切割刀切斷光纖獲得，并進行拋光研磨。經(jīng)拋光研磨后，光纖端面的反射率約為7%。

將FOCT的傳感光纖置于高低溫箱內(nèi)，使其處于-40°C~ 70°C的溫度循環(huán)狀態(tài)，并對系統(tǒng)施加一個300安培的交流測試電流。在互感器校驗儀上連續(xù)記錄系統(tǒng)輸出值與實際電流值之間的偏差，記為比例誤差。

圖2 端面菲涅爾反射時記錄的實時電流波形和高低溫比例誤差曲線

如圖2所示，由于反射光功率下降引起的系統(tǒng)信噪比劣化，系統(tǒng)輸出的正弦波形發(fā)生了較大的畸變，每一個溫度點對應(yīng)的恒溫比例誤差也超過了±0.6%以上。此時僅能從趨勢上判斷比例誤差隨溫度上升而增加，對于該被測高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的恒溫性能難以做出定量判斷。

根據(jù)對FOCT系統(tǒng)信噪比的分析，可以認為當(dāng)系統(tǒng)中光功率降低時，散粒噪聲、相對強度噪聲也均會隨光功率下降而降低，系統(tǒng)中的熱噪聲成為主要的噪聲來源。熱噪聲屬于白噪聲，當(dāng)系統(tǒng)中的噪聲主要為白噪聲時，可通過累加平均的方式提高系統(tǒng)的信噪比。

因在反饋控制狀態(tài)下，系統(tǒng)對電流值的檢測輸出與電流的大小關(guān)系是一階線性的；同時按照比例誤差的計算表達式，系統(tǒng)的比例誤差與檢測電流輸出值的關(guān)系也是一階線性的，因此可將實驗記錄的比例誤差值進行累加平均，以對應(yīng)系統(tǒng)信噪比提高后的測試結(jié)果。

作為實驗對照，將同類型的高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖進行端面處理鍍膜形成反射率約為99.7%的反射鏡，并按同等測試條件對此種類型的傳感光纖進行了高低溫性能測試。測試結(jié)果如圖3所示

圖3 端面鍍反射膜測試數(shù)據(jù)與累加平均后的端面菲涅爾反射測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

當(dāng)系統(tǒng)光功率下降時，光纖電流互感器的信噪比也會隨之下降，從而導(dǎo)致比例誤差增大。由于在低光功率的條件下，系統(tǒng)的主要噪聲來源是熱噪聲。本文設(shè)計了采用光纖切割刀切割光纖端面產(chǎn)生菲涅爾反射的方式替代在光纖鍍膜加工反射鏡，并采用累加平均的方法提高系統(tǒng)的信噪比。累加平均后的數(shù)據(jù)曲線與鍍反射鏡后的結(jié)果基本一致，可用來近似分析系統(tǒng)在高低溫時的性能，進而分析高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的溫度性能。通過本文的實驗和數(shù)據(jù)處理方式，可省去一般實驗中必須的光纖鍍膜工藝過程，有利于縮短高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的測試周期和測試成本，對于推進光纖電流互感器的技術(shù)發(fā)展具有積極作用。

[1]肖智宏.電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器的研究與評述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(12)：148-154.

[2]王立輝，伍雪峰，孫健等.光纖電流互感器噪聲特征及建模方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(1)：62-66.

[3]胡蓓，葉國雄，肖浩等.全光纖電流互感器關(guān)鍵狀態(tài)量及其監(jiān)控方法[J].高電壓技術(shù)，2016，42(12)：4026-4032.

Application of Finel reflection mirror in high birefringence rotating optical fiber test

Mao Xin
（Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company，Wuhan Hubei, 430073）

High birefringent spun fiber is a key material in FOCT(Fiber Optic Current Transformer) system.

A new method of using Fresnel reflection instead of reflecting coating method is introduced to reduce the cost when evaluating the temperature property of high birefringent spun fiber. Results indicate the equivalence of both methods.

High Birefringent Spun Fiber;Fiber Optic Current;TransformerTemperature cycling