单片机控制的光学电流互感器偏振调制效应

高 军，周 磊，陈 林，焦新兵

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

电流互感器是电力系统实现自动检测和控制的重要环节。但是随着智能电网的发展和普及，电网的电压等级和容量不断提高［1］，现有的传统电磁式电流互感器逐渐暴露出不足。因此新式电流互感器的研究与开发迫在眉睫［2－3］。光电式电流互感器是以法拉第效应为基础，间接对大电流进行测试的器件［4－5］。与传统电磁式电流互感器相比具有结构简单、造价低、体积小、重量轻、运输和安装方便等优点。光电式电流互感器原理略有不同，但总的来看，制约其发展的主要问题还是磁光介质的特性［6－10］。光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测，主要应用于强电流检测［11－13］。

本文在一种石榴石型光电式电流互感器的设计基础上，分析和讨论了石榴石介质和永磁薄膜(Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(500 nm)/Ta(50nm)，Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(1000 nm)/Ta(50 nm)grooved films)的光学偏振特性，具体研究了带有不同厚度条状永磁薄膜的石榴石的偏振特性，并对得到的数据进行整理分析得出结论。实验表明，通过旋转石榴石样品样品，不仅可调制DOP(偏振度)，且其值域范围相比传统方法更大。

1 偏振调制原理和单片机控制原理

1.1 偏振调制原理

当光束穿过一种媒介时，反射光(R)，透射光(T)，吸收光(A)和散射光(Sc)的关系是

石榴石的斯托克斯矢量:DOP，DOLP，DOCP，可由以下公式得到

其中，S0表示光波的总光强;S1给出光波水平方向线偏振分量与垂直方向线偏振分量的光强差;S2表示光波+π/4方向线偏振分量与－π/4方向线偏振分量的光强差;S3表示光波右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。DOLP是线性偏振光强度和总光强度之比，DOCP是圆偏振光强度和总光强度之比。当出射光的DOP小于入射光时，具备偏振调制条件。激光与带有薄膜的石榴石作用，线偏振光比圆偏振光增加量的减小，则散射效应就可改变光的偏振特性。

文中可借助Mueller矩阵来表示光束的偏振特性，利用Mueller矩阵可将入射光的斯托克斯矢量与出射光的斯托克斯矢量联系起来。当激光束与带有薄膜的石榴石相互作用后，出射光的斯托克斯矢量可表示为

当激光与槽状薄膜作用后，背向散射相位Mueller矩阵可表示为

这里，β是背向散射系数;d是去极化散射介质，其值的范围是0～1。

1.2 单片机控制旋转原理

本文通过单片机控制夹具的旋转来实现带有薄膜的石榴石样品的旋转。如图1所示，旋转部分主要由单片机、步进电机和可旋转夹具构成。偏振调制系统采用89C52单片机控制，键盘和液晶显示器与单片机的IO口相连，键盘用于输入需要旋转的角度，液晶显示屏可显示输入和已旋转的角度。步进电机具有优秀的起停和反转响应，每一步精度都在3%～5%，且不会将上一步的误差积累到下一步，有较好的位置精度，因此可实现角度和速度的精确控制。步进电机与单片机的IO口相连接，单片机根据输入角度控制步进电机旋转的角度，进而带动夹具以设定的角度精确旋转。

图1 单片机控制旋转原理示意图

2 系统结构设计

单片机控制的光学电流互感器偏振调制系统结构如图2所示，系统主要由激光、透镜、可旋转的夹具(带薄膜的石榴石样品固定在夹具中)、偏振仪、计算机和单片机组成。光源，透镜，可旋转的夹具，偏振仪固定在同一条直线导轨上。偏振调制系统结构的光源是中心波长为1 550 nm的连续激光，功率为18 mW。互感器的敏感元件石榴石样品是以0.39 mm×3 mm×3 mm石榴石材料为衬底，通过磁控溅射的方法在其表面镀一层永磁薄膜，条状薄膜的宽度和间距均为200μm，最后对其进行充磁，样品示意图如图3所示。

图2 偏振调制系统结构

图3 带有槽状薄膜的石榴石样品图

实验前，调节样品旋转找到DOP的最小值并记录为0°值。样品在单片机的控制下以设定的角度旋转，入射光与样品作用后出射，经由TXP偏振计进入计算机。通过计算上的TXP Polarimeter软件来观察并记录S1，S2，S3及DOP值。

3 实验与结果分析

单片机控制的光学电流互感器偏振调制实验是在室温条件下进行。该测试采用3种实验样品，分别是无薄膜石榴石，薄膜厚度为500 nm和薄膜厚度为1 000 nm的石榴石。确定实验所需的0°值后，设定单片机控制的步进电机每次旋转角度是5°。样品在单片机控制下，每旋转5°记录一组数据包括S1，S2，S3，DOP。经过Origin处理记录的数据后，分别得到无薄膜石榴石，薄膜厚度为500 nm和薄膜厚度为1 000 nm的石榴石样品的S1，S2，S3和DOP与旋转角度的关系曲线，如图4所示。

图4 S1，S2，S3，DOP与旋转角度关系曲线

如图4所示，当样品是无膜石榴石时，随着样品的旋转，S1，S2，S3，DOP值基本保持不变，这意味着无膜石榴石不能调制入射光的DOP。当样品是膜厚500 nm和1 000 nm石榴石时，随着角度变化，两者的DOP均发生了明显变化，当旋转到70°时，二者的DOP均达到最大值。其中，500 nm样品的DOP从0.27变化到了0.94，1 000 nm样品的DOP从0.16变化到了0.88。由式(3)～式(5)计算得到500 nm样品的DOLP从0.883 75升到0.989 95，DOCP从0.467 95降到0.141 36。1 000 nm样品的DOLP从0.902 68升到0.999 92，DOCP从0.430 14降到0.012 25。结合式(6)～式(7)可分析得出散射矩阵调制圆偏振光比线偏振光要多，因此通过旋转镀膜石榴石样品，当入射光与样品作用后，出射光的DOP可发生改变。

4 结束语

针对光学电流互感器磁光介质偏振性的研究，提出了一种用单片机控制样品旋转来调制入射光束DOP的方法。实验结果表明，通过旋转镀膜石榴石样品，不仅可调制入射光的偏振特性，且调制的DOP值域范围相对于光通过无序介质等方法更大，多次实验证明了该方法的可行性和有效性。研究结果表明，电式电流互感器的测量精度及结构改进提供了理论基础。

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