单模光纤反射式结构光纤电流传感器温度敏感性分析

摘 要：本文针对采用单模光纤作为传感元件的反射式光纤电流传感器的温度敏感性进行分析。从理论上分析了采用法拉第旋光镜的反射式结构可以有效去除固有双折射的影响，该作用对单模光纤也适用。温度敏感性实验也证明了反射式光纤电流传感器确实具备稳定性。

关键词：光纤电流传感器；法拉第旋光镜；单模光纤；温度敏感性；双折射

Temperature sensitivity analysis of single mode optical fiber

reflective structure optical fiber current sensor

Zhang Hao

Department of Electronic Information Science Fujian Jiangxia University FuJianFuzhou 350007

Abstract：The temperature sensitivity of reflective optical fiber current sensor using singlemode optical fiber as sensing element is discussed in this paper. And it analyzes that the reflective structure using Faraday rotating mirror can effectively remove the influence of intrinsic birefringence of sensor system in theory， which is also applicable to singlemode fiber. The temperature sensitivity experiment also proves that the reflective fiber optic current sensor is indeed stable.

Keywords：Fiber current sensor；Faraday rotating mirror；singlemode fiber；temperature sensitivity；birefringence

光纖电流传感器（fiber current sensors， FCSs），是采用光纤作为敏感元件进行传感的一种新型电流传感器[1]。其工作原理是将光纤缠绕与被测量的导线上，根据法拉第磁旋光效应，导线中电流产生的磁场将使光纤中的光信号的偏振状态发生改变。由于光纤电流传感器结构简单、光学集成好，和灵活性高等优点，得到了业界相当的关注，具备了取代传统电磁式电流互感器的潜力[2]。

然而，一些问题阻碍了光纤电流传感器的应用。其中，温度敏感性正是光纤电流传感器的瓶颈[3]。温度灵敏度过高会干扰电流的测量，淹没电流灵敏度，使光纤电流传感器难以在实际环境中应用[3]。光路反射方案对于光纤电流传感器而言，是一种减少环境敏感性的有效方法，这点已在国内外许多报告中得到证实[3]。反射机制产生的法拉第旋转非互易效应，不仅可以补偿光纤中的线性双折射，也实现传感光纤长度的双倍提升。与其他方法相比，反射结构具有许多优点，包括简单、易于制造、成本低...等等。

然而，值得注意的是，目前关于反射式光纤电流传感器的讨论一般是在特定的双折射条件下。例如，采用非常低固有双折射的退火光纤或旋转光纤 [4， 5]。换句话说，需要使用特种光纤。但是，特种光纤将极大增加传感器系统的造价和制造难度。最近，使用普通单模光纤（SMF）制作光纤电流传感器的方案得到了讨论，因为普通单模光纤成本极其低廉[6]。因此，反射式光纤电流传感器在使用普通单模光纤的情况下，系统稳定性如何是一个值得探讨的问题。

本文基于琼斯矩阵推导光纤电流传感器的传输矩阵，分析反射式结构在使用不同传感光纤的情况下系统的稳定性。通过理论分析和实验测试可以证明法拉第旋光反射镜（Faraday rotating mirror，FRM）完全可以与普通光纤的组合使用，有效提高系统温度稳定性。

1 基于琼斯矩阵的光纤电流传感器理论

常见的基于法拉第效应的光纤电流传感器结构如图1（a）。光通过起偏器成为线偏振光后进入光纤环的一端。光纤环的另一端连接Wollaston棱镜。Wollaston棱镜将把光信号分为偏振正交的两路光分别进入2个光电探测器，最终通过两路光强的运算，得到偏振度P近似正比于法拉第旋光效应引起的偏振旋转角Ω[ 7]：

这里的φ=δ2+θ2是系统的相差，δ和θ分别是系统线双折射和系统圆双折射，其中系统圆双折射θ=ε+Ω包含2个部分：系统固有的互易圆双折射ε和法拉第旋光引起的非互易圆双折射Ω。由于法拉第旋光效应远小于系统固有的互易圆双折射，即ε>>Ω，不难看到这种设计结构简单，但是对于光纤环中存在的固有双折射项。当外界条件变化如温度或挤压等情况出现时，固有双折射的变化将直接淹没法拉第旋光效应

[HT5"K]图1 两种光纤电流传感器结构对比，（a） 双光路检测结构，（b） 反射式结构。[HT]

反射式光纤电流传感器如图1（b），在光纤环的一端连接一个反射器件，光信号通过光纤环后将被反射器件反射，从而反向再次通过光纤环，两次正反向的行程中，光纤环固有的双折射由于是互易双折射将相互抵消，从而只保留法拉第磁旋光。这种结构可以较好的抑制固有双折射带来的影响。这里采用的反射器件通常是90度的法拉第旋光反射镜，其结构如图2。

在反射镜前，设置一个45度法拉第旋光磁场。这样，入射光将产生45度旋转，反射后将再旋转45度，整体达到90度旋转。可以用琼斯矩阵来描述该反射镜：

则对于图1（b）中的反射式光纤电流传感器而言，整个系统的传输矩阵可以描述为：

其中MIF是系统正向传输琼斯矩阵，MOF是系统反向传输琼斯矩阵，二者可以描述如下[ ]：

MOF=cosφ′2+iδφ′sinφ′2 [SX（]θ′[]φ′[SX）]sinφ′2-[SX（]θ′[]φ′[SX）]sinφ′2 cosφ′2-iδφ′sinφ′2（5）

这里的φ是正向传输的系统相差， φ′=δ2+θ′2是反向传输的系统相差，其中的圆双折射θ′=-ε+Ω，互易圆双折射ε由于反向而出现了负号，而非互易圆双折射Ω则没有变化。

考虑到法拉第旋光引起的非互易圆双折射Ω十分微弱，可以近似认为正向传输的系统相差φ等于反向传输相差φ。当输入光信号设置为通过Wollaston棱镜后为1：1，则可以通过前述式子得到输出光信号为：

这里Ei是输入光信号的琼斯矩阵[1 1]T。最终得到输出信号的偏振度

对比式（1）和式（7）可以看到该结构中可以有效去除固有双折射的影响，并且这一结论并不受光纤的种类制约，也就是普通单模光纤完全可以作为传感元件。

2 实验和讨论

为了测试采用普通单模光纤作为传感元件的反射式光纤传感器的温度敏感性以及电流敏感性，这里设计了温度和电流检测实验。实验结构如图1（b），将结构中的反射光纤电流传感器的光纤环放置于温控箱内。实验用光纤环直径10 cm，绕有25匝普通单模光纤。传感用的光源波长1550 nm，脉冲重复频率10 kHz，平均功率10 mW。温控箱温度从20度到80度，间隔5度记录一次。作为对比，也实验了如图1（a）的非反射式光纤电流传感器，用的是同样25匝10 cm单模光纤环。温度变化和输出光的偏振度之间的关系如图3。

这里的ΔP=P（i）-p（0），P（0）是温度为20度时系统输出的偏振度。可以看到随温度的上升，采用反射式的光纤电流传感器变化较小，而非反射式则随温度变化发生剧烈的变化。因此不难说明反射式的光纤电流传感器对温度敏感性的抑制作用。电流响应的实验中让0500 A电流通过导线，光纤环绕在导线周围，实验结果如图4。

可以看到反射式光纤电流传感器和非反射式光纤电流传感器都可以实现输出偏振度正比于电流，这说明采用普通单模光纤的反射式结构并不影响光纤电流传感器对电流的检测。并且从图4还可以发现采用反射式结构后，整体灵敏度高于非反射式光纤电流传感器。这是由于反射结构让光信号重复通过了光纤环，从而放大了检测灵敏度。

3 結论

本文讨论了基于普通单模光纤的反射式光纤电流传感器。从理论上推导证明了采用法拉第旋光镜的反射式结构的光纤电流传感器可以有效降低系统中的固有双折射带来的影响，从而降低温度等外界因素的干扰。实验也证明了这一结构确实能够有效降低温度敏感性，并且不影响电流灵敏度。

参考文献：

[1]王政平，康崇，张雪原，等.全光纤光学电流互感器研究进展[J].激光与光电子学进展，2005，42（3）：3640.

[2]Y. N. Ning， Z. P.Wang， A.W. Palmer， K. T. V. Grattan， and D. A. Jackson， Recent progress in optical current sensing techniques[J].Rev. Sci. Instrum.， vol. 66， no. 5， pp. 3097–3111， May 1995.

[3]K. Bohnert， P. Gabus， J. Nehring， and H. Brandle， Temperature and vibration insensitive fiberoptic current sensor[J].J. Lightw. Technol.， vol. 20， no. 2， pp. 267–276， Feb. 2002.

[4]N. C. Pistoni and M. Martinelli， Vibrationinsensitive fiberoptic current sensor[J]. Opt. Lett.， vol. 18， no. 4， pp. 314–316， Feb. 1993.

[5]R. I. Laming and D. N. Payne， Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers[J]. J. Lightw. Technol.， vol. 7， no. 12， pp. 2084–2094， Dec. 1989.

[6]H. Zhang， Y. S. Qiu， H. Li， A. X. Huang， H. X. Chen， and G. M. Li， Highcurrentsensitivity allfiber current sensor based on fiber loop architecture[J].Opt. Exp.， vol. 20， no. 17， pp. 18591–18599， Aug. 2012.

[7]廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003：4755.

基金项目：国家自然科学基金项目（No. 51607040），福建省自然科学基金项目（No. 2016J01751）

作者简介：张昊（1981），男，福建建瓯人，博士，副教授，研究方向为光电子技术。