基于法拉第磁光效应的大电流测量技术

朱卫安 ，刘国瑛 ，侯鑫瑞 ，吴智量 ，李舒华 ，简浚宇

（1.广州大学 物理与电子工程学院，广东 广州 510006；2.广州松兴电器有限公司，广东 广州 510655）

0 前言

电冶炼、电阻焊等生产过程的工作电流都非常大（几千安、几万安甚至几十万安）。为保证生产质量，需对生产过程的工作电流进行控制，因而需要精确测量工作电流。传统的电流测量装置存在响应慢、精度低、测量范围与应用场合受限等不足，已逐渐不能满足生产技术发展的需要。基于法拉第磁光效应的电流测量技术具有响应快、精度高、测量范围大、绝缘性能好、抗干扰能力强等优点，是一种极有发展前途的大电流测量技术，深受国内外研究者的重视[1]。刘晔等人对以光纤为敏感元件的光纤电流传感器传感头的结构进行了研究[2]，分析全光纤型传感头、混合型传感头的不同结构在克服光纤电流传感器的一个重大缺陷——双折射方面的作用效果。林森等对基于法拉第慈光效应的光学电流传感器的电气特性进行了仿真研究[3]，就基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的交流响应波形、幅值特性、频率特性进行仿真，分析了影响交流响应波形、幅值特性、频率特性的因素。2009年6月7日，南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司在公司网站宣布，所研制的“NAF-GL系列全光纤电子式电流互感器”通过由江苏省信息产业厅主持的技术成果鉴定。

目前，基于法拉第磁光效应的大电流测量技术既有以有法拉第磁光效应的光纤为敏感元件的，也有以磁旋光玻璃为敏感元件的。具有法拉第磁光效应的光纤价格高，且存在双折射的问题[1]。本研究以磁旋光玻璃为敏感元件，结合其他光学元件及所需的信号处理电路，组成基于法拉第磁光效应的大电流测量实验装置，并利用可调模拟被测对象对装置进行性能测试，以为实际应用奠定一些基础。

1 理论基础

1.1 通电长直导线周围的磁场

空气中，通电长直导线周围某一点的磁场为[4]

式中 i为导线中的电流；r为该点到导线中心的距离；B为该点的磁感应强度；μ0为空气的磁导率。

同一点的磁场强度为

式中 H为磁场强度。

1.2 法拉第磁光效应

对于具有法拉第磁旋光作用的光学器件，如沿其光轴方向存在磁场强度为H的磁场，则使沿其光轴方向传播的线偏振光的振动面发生旋转，且旋转角为[1]

式中 V为费尔德常数；l为线偏振光在磁旋光器件中的光程；θ为线偏振光振动面的旋转角。

振动面的旋转方向取决于H的方向与光线方向相同亦或相反。沿光线方向看去，设H的方向与光线方向相同时的θ为正，则H的方向与光线方向相反时的θ为负[5]。i的方向发生变化，H的方向相应发生变化，从而在光线方向不变的情况下，使θ的正负发生相应变化。

由上述可知，在r、V、l确定及光线方向不变的情况下，如测出θ，便可得知i。

2 基于法拉第磁光效应的电流测量实验装置的组成和工作原理

电流测量实验装置的组成如图1所示。

图1 电流测量实验装置组成框图Fig.1 Schematic diagram of current measuring instrument

整个实验装置由光路系统、光电检测与转换电路、信号运算处理电路及显示部分组成。光路系统及光电检测与转换电路是电流测量装置的核心，用于形成并输出与被测电流有确定、单调关系的信号。

2.1 光路系统的组成、作用和工作原理

光路系统由半导体激光器、起偏器、磁旋光器件（法拉第磁旋光玻璃）、半反半透镜（分束器）、反射镜及渥拉斯顿棱镜组成，如图2所示。

激光器发出的激光通过起偏器后，得到线偏振光。线偏振光通过半反半透镜，沿轴向进入置于由被测电流形成的磁场中的法拉第磁旋光玻璃。磁旋光玻璃尺寸较小，经调整，可认为在磁旋光玻璃内，H近似均匀且与轴向平行。通过磁旋光玻璃的线偏振光经全反射镜反射后，再次沿轴向进入磁旋光玻璃，然后经半反半透镜反射后，进入渥拉斯顿棱镜。线偏振光两次通过磁旋光玻璃，在其他条件确定的情况下，相比于一次通过，线偏振光振动面的旋转角θ可增大一倍。这有利于测量较小电流。

线偏振光通过渥拉斯顿棱镜后，输出两束成一定夹角而振动面相互垂直的线偏振光。通过调整，使被测电流为零时，渥拉斯顿棱镜输出的两束光的振幅相同，即强度相同。设此时进入渥拉斯顿棱镜线偏振光的振动面为参考平面。如被测电流不为零，则渥拉斯顿棱镜入射线偏振光的振动面与参考平面之间形成一个与被测电流i成正比的夹角θ，此时，渥拉斯顿棱镜输出的两束光的振幅（强度）都相应发生变化。对渥拉斯顿棱镜输出的两束线偏振光分别进行检测并经一定处理、运算，可得到θ，进而得到i。

2.2 θ的检测

如图3所示，被测电流i为零时，θ为零，渥拉斯顿棱镜输出的两束线偏振光的振幅A1、A2相等；相应地，两束光的强度I1、I2相等，两路光电检测电路的输出相同。

图3 渥拉斯顿棱镜输出光矢量示意Fig.3 Diagram of light vector from Wollaston prism

设两路光电检测电路对应的输出分别为V1、V2。理想情况下，V1、V2之间的关系为[5]

通过光路系统、光电检测电路的精心设计、精密调整，可使实际状态达到所需要求。由式（4）可得：

将两路光电检测电路的输出V1、V2输入图4所示的电路，进行运算。电路中，运算放大器U1及周围电阻构成的电路实现V1+V2运算，集成仪表放大器U2实现V1-V2运算，乘法器AD633、运算放大器U4及周围电阻构成的电路实现除法运算。电路的输出为

图4 信号运算电路Fig.4 Diagram of signal operational circuit

对V0进行反正弦运算，可得到θ。反正弦运算可利用单片微型计算机运行程序实现，亦可利用模拟运算电路实现。有关利用模拟运算电路实现反正弦运算，在此不做详述。

3 实验和结果

3.1 主要器件的确定

（1）激光器。为保证信噪比并考虑与磁旋光玻璃和光电二极管参数的匹配，选用功率较大的650 nm半导体激光器。

（2）法拉第磁旋光器件。限于实际条件，选用TGG型圆柱形磁旋光玻璃作为磁旋光器件。

（3）渥拉斯顿棱镜。限于实际条件，选用GCL-071110型渥拉斯顿棱镜。

（4）光电二极管及光电检测电路其他器件。通过筛选，使两路光电检测电路所用光电二极管及其他电子元器件的参数尽可能一致。

（5）信号处理电路所用集成芯片。采用精密、低噪、高速的运算放大器、集成仪表放大器、乘法器。

将所选光学元件按要求组装、调整，形成所需光路系统；按要求制作、调整所需信号处理电路，最后组成电流测量实验装置。实验装置实物照片如图5所示。

3.2 被测对象的模拟与控制

由于暂时无法获得可供测量的稳定的大电流，故通过在U形软磁体缠绕多匝线圈并利用电压/电流转换电路进行控制而形成一个可调模拟被测对象，用于对所研制的电流测量实验装置进行测试。被测大电流模拟与控制电路如图6所示。

图5 电流测量实验装置Fig.5 Photo of current measuring instrument

图6 被测大电流模拟与控制电路Fig.6 Diagram of simulating and controlling circuit of measured current

图6中，运算放大器与周围电阻及三极管组成一个电压/电流转换电路，线圈中的电流只受电位器动点电位的控制（在一定范围内，两者成正比关系），不受自身参数的影响。这样，在一定范围内，在U形软磁体开口处形成只受电位器动点电位控制的磁场，为测试工作带来了便利。

模拟被测对象的带磁芯线圈如图7所示。所用U形软磁体开口处间隙平均值δ≈25 mm，磁体平均长度δ≈75 mm。

图7 带磁芯线圈示意Fig.7 Diagram of coil wound around a soft horseshoe magnet

设线圈匝数为N，线圈内电流为I。由于软磁体的磁导率远远大于空气的磁导率，线圈电流产生的磁动势近似全部加在气隙上，故开口气隙内磁场强度近似为Ha≈。对照式（2），线圈1 A电流在开口气隙产生的磁场强度近似相当于空气中长直导线A电流在距导线中心r处产生的磁场强度。实验时，设定 N=600。如I=1 A，则Ha≈2 400 A/m，开口气隙内磁感应强度Ba≈0.03T。实际测量大电流时，磁旋光玻璃与导线中心距离r会比较大，且被测电流越大，r越大。设r=5δ，如在距导线中心 r处产生大小为24 000 A/m的磁场强度，则导线中电流约为18 850 A。由此可得，在前面设定的参数条件下，利用模拟被测对象进行测试，1 A线圈电流在磁旋光玻璃中产生的磁场强度近似等于空气中被测长直导线18 850 A电流在磁旋光玻璃中产生的磁场强度。

3.3 测试结果

（1）U形软磁体开口处磁场与线圈电流的关系。

调节电位器，改变线圈中的电流，同时测量U形软磁体开口处某一固定点的磁感应强度，得到如图8所示的测试结果。

图8 U形软磁体开口处磁场与线圈电流关系测试结果Fig.8 Test result of U magnet gap magnetic induction vs coil current

由图8可知，在线圈电流不超过1.05 A的范围内，U形软磁体开口处磁感应强度与线圈电流之间呈现较好的正比关系。所用软磁体的饱和磁感应强度Bs较低，易饱和。

（2）与磁旋光玻璃处磁场的关系。

调节并测量磁旋光玻璃处的磁场，同时将图4所示电路的输出经A/D转换输入单片微型计算机，通过运算，得到θ，测试结果如图9所示。

由图9可知，θ与B之间呈现较好的正比关系。由于空气中的H与B成正比关系，故可认为θ与H之间成正比关系。

4 结论

图9 线偏振光振动面旋转角与磁旋光玻璃中磁感应强度关系测试结果Fig.9 Test result of rotational angle of linearly polarized light vs magnetic induction within magneto-optic glass

利用电子控制技术，控制、调节模拟被测对象，对以磁旋光玻璃、渥拉斯顿棱镜为核心光学器件的基于法拉第磁光效应的大电流测量装置进行了测试。测试结果表明，所研制的电流测量装置具有较好的线性度。这一实验研究工作对利用法拉第磁光效应进行大电流测量大有裨益。当然，由于国内磁旋光器件的性能与实际要求还存在很大差距，使基于法拉第磁光效应的大电流测量技术的实用化还有很长的路要走。

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[2]刘 晔，王 锋，韦兆碧，等.光纤电流传感器传感头的结构与原理[J].仪表技术与传感器，2002(11)：3-5,9

[3]林 森，杜 林，王士彬，等.基于法拉第磁光效应的光学电流传感器电气特性研究[J].传感技术学报，2010，23（4）：490-495.

[4]张三慧.大学物理学—电磁学（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999.

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