基于偏磁薄膜矫正的直流光学电流传感器设计*

雷文锋, 马 跃

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093)

设计与制造

基于偏磁薄膜矫正的直流光学电流传感器设计*

雷文锋, 马 跃

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093)

针对高压输电中直流的检测,提出一种基于偏磁薄膜矫正的直流光学电流传感器。偏磁薄膜固定磁场在石榴石材料中的方向提高了传感器测量精度,采用偏振计直接检测偏振角的方法消除了偏振面预偏角度误差对测量系统的影响。对传感器实现直流检测进行理论分析,设计了传感器的光路结构,并使用传感器进行直流检测实验。结果表明：该传感器能兼顾灵敏度和测量范围的需要且测量输出线性度高,线性拟合度为0.999 53,多次测量重复性好,误差小于0.4 %。

偏磁薄膜矫正； 直流光学电流传感器； 高压高直流

0 引 言

在输电工程中,电流传感器是实现输电系统的监视和保护的一种重要测量设备[1～3]。基于电磁感应原理的传统电流互感器暴露出铁心易饱和,绝缘越来越困难,绝缘费用昂贵,充油易爆等内在的缺点已渐渐不能满足特高压中电流的检测。与传统的电流互感器相比,光学电流传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、造价低、动态测量范围大、暂态响应范围大、测量精度高、频率响应范围宽、不存在磁饱和、无铁磁谐振、体积小、重量轻等优良性能,是未来电网中理想的电流检测设备[4～7]。

本文提出的基于偏磁矫正的光学电流传感器,采用镀偏磁薄膜的石榴石材料作为传感器的敏感元件,以保偏光纤作为传输介质,通过TXP偏振计检测入射偏振光与水平方向的线偏振光的振动面夹角变化来间接实现电流的检测。与采用测光强变化的方法来得到旋转角度相比,两偏振片的偏振面不需要严格的成45°,消除了偏振面预偏角度误差对测量系统的影响。这种传感器结构简单,动态响应大,测量精度高,实验表明：该传感器能兼顾灵敏度和测量范围的需要且测量输出线性度高,多次测量误差小于0.4 %。

1 传感器测量原理与结构设计

1.1 工作原理

直流光学电流传感器的基本工作原理是Faraday效应,如图1所示偏振光在通过平行外加磁场方向的磁光介质后外部磁场会使偏振光的偏振面产生旋转，旋转角度β由公式(1)决定

(1)

其中,V为磁光材料的费尔德常数；B为通光路径方向的磁场强度；l为偏振光在磁光介质中的光程,即磁光材料的厚度。

图1 Faraday效应原理示意图Fig 1 Principle diagram of Faraday effect

传感头由设计的夹具固定在被测电流导线的一侧,使电流产生的磁场方向平行于光传播方向,电流导线中心到光轴的垂直距离为r。根据安培环路定律,通电长直导线在光轴上距电流导线水平距离x处磁场强度为

(2)

式中u0为真空磁导率,I为导线上电流大小。沿光轴方向的磁场强度为

(3)

将式(3)代入式(1)可得

(4)

由上式可知偏振光的振动面旋转角β和被测电流大小I呈线性关系。

TXP偏振计通过测量偏振光的振动面和水平方向的线偏振光的振动面夹角来实现对偏振光旋转角度的测量,并通过软件对测量数据进行采集。假设入射到偏振计的偏振光的预偏角度为α,则

(5)

1.2 系统结构与敏感元件设计

基于偏磁薄膜矫正的直流光学电流传感系统如图2所示主要由激光器、起偏器、保偏光纤、镀膜石榴石传感头、TXP偏振计等部分组成。使用固定夹具将传感头固定在通电导线附近,使得电流通过导线的时产生一个平行于光传播方向的磁场强度B,激光器产生的激光经过起偏器后变为线偏振光入射到传感头并在磁场作用下产生偏振面的旋转,角度为β。出射偏振光经由TXP偏振计后通过电脑进行数据采集处理,获得偏振光预偏角α和经过电流调制后偏振光振动面与水平方向的线偏振光的振动面夹角θ,由此便可建立测量角度θ和被测电流的关系,由此通过偏振计获取测量角度θ便可反推被测电流大小。传感器的系统原理图如图2所示。

图2 直流光学电流传感器系统原理图Fig 2 System principle diagram of DC optical current sensor

敏感元件采用2 mm×2 mm×0.2 mm的石榴石材料作为基片,通过磁控溅射的方法在其表面生长一层间隔4 μm的条状偏磁薄膜,并对偏磁薄膜进行充磁,偏磁薄膜能固定电流产生的磁场在石榴石中的方向,使得传感器测量的精度和稳定性提高,其结构图如图3所示。

图3 敏感元件结构示意图Fig 3 Structure diagram of senstive element

2 实验与结果分析

将设计好的传感器在实验室条件下进行模拟大电流的实验,测试系统原理图如图2所示,从高稳定度的激光器产生1 550 nm的激光经光纤耦合器耦合再经分束镜和起偏镜后变成线偏振光,通过镀膜石榴石材料的传感头出射的偏振光经电流产生磁场调制后入射到TXP偏振计中,偏振计连接电脑将采集到的偏振光进行检测。电流大小由SLQ—82大电流发生器控制,在回路中实现0～3 000 A区间精度为1A 的电流控制。

在室温条件下进行传感器的测试实验,固定好传感头使其靠近电流导线。通过大电流发生器改变通过导线的电流大小,记录电流的大小同时通过软件采集偏振光在TXP偏振计中测量角度的值,根据采集的的电流值和角度值,得到传感器中电流和角度的关系曲线,如图4所示。

图4 直流光学电流传感器的偏振光测量角度和电流响应曲线Fig 4 Polarization measuring angle vs current responsing curve of DC optical current sensor

对偏振光测量角度和电流的关系曲线进行线性拟合得

θ=-3.426 91I+47.709 01.

(6)

由式(6)可知偏振光的预偏角度α=47.709 01°,测量结果计算得出传感器偏振光旋转角度的电流的灵敏度为-3.426 91°/kA,由理论分析可知,传感头在该固定位置的测量范围为0～52 kA。在0～3 kA范围内传感器的旋转角度与导线上电流大小呈良好线性关系,经过多次实验表明:该传感器的偏振旋转角度与电流保持良好的线性度高,线性拟合度为0.999 53,多次测量重复性好、误差小于0.4 %。

3 结 论

针对特高压输电中直流电流检测,提出了一种基于偏磁矫正的直流光学电流传感器结构。理论上验证了传感器的测量范围与灵敏度相互制约,通过对其进行理论分析和大电流检测实验,研究结果表明：该传感器能兼顾灵敏度和测量范围的需要且测量输出线性度高,线性拟合度为0.999 53,多次测量重复性好,误差小于0.4 %。采用偏振计对偏振光的偏振角进行直接测量消除了两偏振片的偏振面的预偏角度误差对测量系统的影响。

[1] Ning Y N,Wang Z P,Palmer A W,et al.Recent process in optical current sensing techniques[J].Review of Scientific Instruments,1995,66(5):3097-3111.

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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

上海市研究生创新基金资助项目(JWCXSL1302)

TM 452.92

A

1000—9787(2014)12—0048—03

雷文锋(1991-),男,畲族,福建福州人,硕士,研究方向为光纤传感及其信号检测技术。