光纖線性雙折射對電流傳感的影響

線性雙折射嚴(yán)重削弱了光纖電流互感器性能,線性雙折射測量是線性雙折射抑制的基礎(chǔ)。構(gòu)建了線性雙折射測量系統(tǒng),提出了雙偏振片調(diào)制法,據(jù)此消除傳感光纖與相鄰光器件之間方位角的影響；仿真研究了線性雙折射測量中存在的多解問題,提出基于全局尋優(yōu)算法的解決方案；在此基礎(chǔ)上,分別測試三種不同傳感光纖環(huán)的線性雙折射。仿真結(jié)果表明:所述方法與邦加球法的測量偏差≤5%,方法可行。

對線性雙折射及入射起偏角對光學(xué)玻璃電流傳感器輸出特性的影響進行了理論推導(dǎo)與分析,給出了光學(xué)玻璃電流傳感器在非理想狀態(tài)下線性雙折射對輸出電壓的調(diào)制函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式,并給出了入射起偏角對系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)表達式及其對系統(tǒng)有無影響的條件結(jié)果表明,線性雙折射會以sa(δ)函數(shù)(抽樣函數(shù))的形式調(diào)制理想光學(xué)玻璃電流傳感器輸出信號的尺度因子,同時以-sin2(δ/2)為影響因子決定入射起偏角對系統(tǒng)影響的大小;當(dāng)入射起偏角取某些特殊值時其對系統(tǒng)的影響為零該工作結(jié)果對于光學(xué)玻璃電流傳感器的研究、設(shè)計具有一定的理論參考意義

根據(jù)光纖線圈受熱應(yīng)力的實際影響,推導(dǎo)了線圈中因排線引起的光纖擠壓應(yīng)力雙折射,并提出利用有限元瞬態(tài)熱分析的方法研究固膠處理對線圈中熱應(yīng)力干擾雙折射的影響。通過對固膠處理前后線圈中典型光纖受熱應(yīng)力的影響的數(shù)值模擬計算得出,固膠處理后的光纖線圈存在著一個與膠粘劑參數(shù)有關(guān)的溫度區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)線圈受到的應(yīng)力干擾雙折射最小,且溫度敏感性降至最低。通過對1000m保偏光纖線圈的實際測試表明,這一溫度區(qū)域的消光比指標(biāo)高于低溫段1.5db,證明了模型的有效性。提出了固膠材料溫度特性與環(huán)境溫度的匹配性概念。

報告了一種測量光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的方法,以瓊斯矩陣為數(shù)學(xué)工具給出了對該方法的理論分析、測量不確定度計算公式,并用實驗方法給出了應(yīng)用實例此方法的主要優(yōu)點是光路所用元件容易獲得且測量結(jié)構(gòu)簡單實用

線性雙折射是光學(xué)(含光纖)電流傳感頭的重要光學(xué)參量之一,會明顯影響光學(xué)電流傳感器的性能,因此測量光學(xué)傳感頭內(nèi)線性雙折射的大小對于提高光學(xué)電流傳感器的性能有重要意義本文報道了一種測量光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的新方法,以瓊斯矩陣為數(shù)學(xué)工具給出了對該方法的理論分析及測量不確定度分析,并用實驗方法給出了應(yīng)用實例此方法的主要優(yōu)點是彌補了以前報道過的兩種測量方法暴露出的無法唯一地確定光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的大小,或雖然能測定雙折射大小,但測量不確定度較大的不足實驗結(jié)果表明:本方法可明顯地提高測量準(zhǔn)確度

由法拉第效應(yīng)原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測得磁感應(yīng)強度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實驗驗證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

根據(jù)導(dǎo)波光的微擾理論得到了線雙折射磁光光纖光柵中導(dǎo)波光耦合模方程,并給出了其解析解。借助于歸一化斯托克斯參量,研究了線雙折射與磁圓雙折射對光纖光柵中光偏振態(tài)的影響。研究表明,線雙折射磁光光纖光柵中存在左旋和右旋兩個本征的橢圓光偏振態(tài),線雙折射或磁圓雙折射的大小只引起本征偏振態(tài)橢圓率的變化,而不改變主軸方位角。通過調(diào)節(jié)磁光光纖光柵中兩種雙折射的相對大小可方便地控制輸出導(dǎo)波光的偏振態(tài),從而使磁光光纖光柵在光纖通信與傳感中具有廣泛的潛在應(yīng)用。

將光纖光柵(fbg)封裝入以超磁致伸縮材料(gmm)與永磁體構(gòu)成的傳感基座內(nèi)形成系統(tǒng)核心傳感部件,并將其放置于電流形成的磁場中,構(gòu)成電流傳感器。利用光纖邁克爾遜干涉儀(mi)對fbg波長的變化進行解調(diào),從而獲得被測交流電流信號。實驗結(jié)果表明,檢測幅值100a~2000a的交變電流時,該傳感器對交變電流具有良好的線性響應(yīng)。

單模光纖中的雙折射

試制了一種帶狀雙芯光纖。根據(jù)帶狀雙芯光纖的結(jié)構(gòu)特點,給出了其在制作光纖器件及光纖傳感器上的典型應(yīng)用。利用有限元軟件仿真分析了帶狀雙芯光纖的雙折射特性,通過調(diào)整光纖模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),給出了該光纖雙折射隨光纖包層厚度的變化而改變的趨勢,對于新型特種雙芯光纖的設(shè)計和改進具有一定的參考意義。

理論分析了切趾弱雙折射光纖布喇格光柵反射偏振相關(guān)特性與溫度之間的關(guān)系.數(shù)值模擬了切趾弱雙折射光纖光柵的反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.實驗測出了不同溫度下反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.根據(jù)實驗結(jié)果對偏振相關(guān)損耗和差分群時延的變化情況作出了分析.反射偏振相關(guān)損耗呈現(xiàn)兩個峰值,隨溫度增加兩峰漂移程度相同,表明偏振相關(guān)損耗無明顯差異.差分群時延最大值隨溫度增加成線性向長波方向漂移,證明了光纖光柵正交模損耗變化的等同性.綜合理論分析與實驗結(jié)果表明:切趾弱雙折射光纖布喇格光柵的偏振特性隨溫度產(chǎn)生明顯的變化,其正交模變化呈現(xiàn)等比例特性.

實驗研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對溫度交叉敏感的簡單而又有效的方法,從理論和實驗上進行了分析與驗證。研究表明,對fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對它的交叉敏感,實現(xiàn)對溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實驗中測得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對變化的溫度校正了4℃。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

根據(jù)菲涅耳公式和功率反射系數(shù)關(guān)系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗證理論計算結(jié)果。表明媒質(zhì)折射率n_2=1.300～1.441時,傳感器輸出光功率強且?guī)缀醪话l(fā)生變化;n_2=1.441～1.452時,傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當(dāng)媒質(zhì)折射率與單模光纖包層折射率接近時,傳感器輸出光功率幾乎為0。驗證實驗發(fā)現(xiàn),傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳感系統(tǒng)全光纖化等特點,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下物質(zhì)折射率的高精度測量。

介紹了光纖電流傳感器的性能特點，詳細(xì)地論述了光纖電流傳感器的噪聲根源及如何準(zhǔn)確無誤地檢測出掩埋于噪聲中的微弱信號。著重介紹了數(shù)字多點平均技術(shù)，并給出了基于數(shù)字多點平均技術(shù)的檢測電路和程序流程圖。

纖芯失配的光纖Mach-Zehnder折射率傳感器

基于多模干涉效應(yīng)的單模-多模-單模(sms)結(jié)構(gòu)光纖折射率傳感器通常需要進行包層腐蝕來提高靈敏度,而且易受環(huán)境溫度影響。為克服sms結(jié)構(gòu)的這些不足,提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器,由單模光纖-色散補償光纖-單模光纖(smf-dcf-smf)級聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)構(gòu)成,長度不超過100mm。對其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進行了測試,實驗結(jié)果顯示在測量折射率為1.33～1.39的折射率液時,特征波長與折射率呈線性關(guān)系,靈敏度為232.8nm,級聯(lián)的fbg具有良好的溫度校準(zhǔn)功能。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應(yīng)的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應(yīng)的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

為解決反射式全光纖電流傳感器中引入全反射鏡而產(chǎn)生的反射損耗及與光纖匹配困難等問題,設(shè)計了一種利用非線性光環(huán)路鏡作為反射元件的全光纖電流傳感器,推導(dǎo)出了光偏振態(tài)的斯托克斯矢量與電流的關(guān)系式,提出了高速偏振態(tài)檢測方法。在加載0~200a的50hz工頻交流電的條件下進行了實驗,測試結(jié)果與理論預(yù)測吻合,顯示出了較高的測量精確性,證明了該傳感結(jié)構(gòu)與實驗方案的可行性。

為了提高供能激光器的壽命和可靠性,降低高壓側(cè)信號調(diào)制電路的功耗。在介紹用于高壓直流輸電線路中測量直流電流的光供電式光纖電流傳感器的基本原理后,利用cmos器件的超寬工作電壓范圍、超低工作電流和窄脈沖的特性,采用集成電路和分立元件(改進型電荷平衡式v/f轉(zhuǎn)換器)設(shè)計了含溫度補償電路的低成本超低功耗v/f轉(zhuǎn)換電路,該電路經(jīng)測試,該電路的功耗<0.7mw,線性度約為0.05%。該v/f轉(zhuǎn)換電路已成功應(yīng)用在光供電式光纖電流傳感器的高壓側(cè)調(diào)制電路中。

在智能電網(wǎng)中,電流測量是電力系統(tǒng)中繼電保護、電能計量、系統(tǒng)監(jiān)測和系統(tǒng)分析的關(guān)鍵,其測量的精度與可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否安全、可靠和經(jīng)濟地運行。文章比較了電磁式電流傳感器和光纖電流傳感器的性能,介紹了目前3種最主要的光纖電流傳感器的測量原理,并指出其各自的優(yōu)點及存在的問題。同時,綜述了國內(nèi)外關(guān)于光纖電流傳感器的最新研究現(xiàn)狀及進展,最后對光纖電流傳感器的應(yīng)用和研究前景進行了展望。

本文主要就是對全光纖電流傳感器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用進行分析,首先對全光纖電流傳感器的性能優(yōu)點與基本原理進行了分析,并對光纖中線性雙折射產(chǎn)生的原因以及其對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響進行了分析,最后就解決和消除光纖中線性雙折射的方法進行了探討.