【文章內(nèi)容簡介】 LV H dl? ??? (215) 其中 V 為費爾德 (Verdet)常數(shù)，它的大小受光源波長和環(huán)境溫度的影響 。H為磁場強度 。L 為光束在介質(zhì)中通過的距離。 當光行進的路線圍繞載流導體閉合時 ，根據(jù)安培環(huán)路定律式 ()可變?yōu)橐画h(huán)路積分 : 畢業(yè)設計（論文） 11 LV H dl VI? ? ? ?? (216) 若線圈為 N圈時，其結果為 : LNV H d l NV I? ? ? ?? (217) 由此可以知道，積分的結果只和電流有關。需要注意的是 :式 ()成立的條件 : (1)線偏振光的偏振態(tài)能夠保持不受磁場以外的外界條件影響，即保持線偏振而不蛻變?yōu)闄E圓偏振光 。(2)線偏振光行進的路線為閉合環(huán)路。只有同時滿足這兩個條件，式 ()才成立。 光纖電流傳感器對比研究 光纖電流傳感器從出現(xiàn)以來，就被受到重視。現(xiàn)有的光纖電流傳感器按照它的傳感 頭的不同，可以分為全光型光纖電流傳感器、塊狀玻璃型光纖電流傳感器和混合型光纖電流傳感器。 塊狀玻璃型光纖電流傳感器 塊狀玻璃型光纖電流傳感器基本原理是 :利用全反射，使線性偏振光通過玻璃材料內(nèi)部多次反射，形成環(huán)繞通電導體的閉合光路，其結構如圖 所示。 畢業(yè)設計（論文） 12 圖 22狀玻璃型光纖電流傳感器的傳感頭結構 通過測量線偏 振光的法拉第旋轉角，從而間接的測量電流。這種電流傳感器具有線性范圍寬、穩(wěn)定性好、精度較高、受光纖線性雙折射影響較小等優(yōu)點 。但是存在加工難度大、傳感頭易碎、成本高等缺點，且在光反射過程中不可避免的引入了反射相移，使兩兩正交的線偏光變成橢圓偏振光，從而影響系統(tǒng)的性能。 混合型光纖電流傳感器 混合型光纖電流傳感器是利用電磁感應原理制作成傳感頭，將其信號通過光纖傳輸?shù)娇刂剖?，這就是混合式電流互感器，既可以解決高壓隔離問題又使系統(tǒng)簡單緊湊。這類互感器大多采用 Rogwski 線圈將被測電流轉換成電壓信號，再將電 壓信號轉換成光信號傳輸，對光信號的調(diào)制可以采用相位調(diào)制、波長調(diào)制及強度調(diào)制等多種方法?；旌闲凸饫w電流傳感器的傳感頭側都要有偏置電源，給電子或光電元件供電，光纖在混合型光纖電流傳感器中僅僅起到傳輸光信號的作用，對于光纖而言，這種混合型光纖電流傳感器屬于非功能性傳感器。 畢業(yè)設計（論文） 13 全光型電流傳感器 全光型電流傳感器 (AFOCS)是將光纖纏繞在通電導體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中的法拉第旋轉角間接的測量出通電導體中電流的大小，它的傳光與傳感部分均采用光纖，是典型的功能型光學電流傳感器。這種全光型電流傳 感器的特點有 :測量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結構簡單、靈敏度高等。但是由于光纖內(nèi)部存在線性雙折射，從而影響測量精度和長期穩(wěn)定性。按照它信號檢測方法的不同，可分為偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型兩種。 反射式光纖電流傳感器模型設計 前面介紹的相位調(diào)制型光纖電流傳感器的主要的缺點有 :光纖固有雙折射引起的光偏振態(tài)的改變傾向于淹沒法拉第旋轉角，因此測量的精度就降低。針對這樣的情況，主要有兩中解決方式 :一是改善光纖的固有雙折射，二是設法增大法拉第轉角。改善光纖的固有折射率上節(jié)中已經(jīng)提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第轉角 。當光波通過置于磁場中的法拉第旋轉器時，迎著外加磁場磁感應強度方向觀察，光波的偏振方向總是沿與磁場 (H)方向構成右手螺旋的方向旋轉，而與光波的傳播方向無關。當光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋轉器時，其偏振方向旋轉角將是迭加而不是抵消，此即法拉第效應的旋向不可逆性，稱之為非互易旋光性。利用法拉第效應的非互易性，對上述結構作出改進，即反射式光纖電流傳感器模型。 畢業(yè)設計（論文） 14 結構設計 圖 為反射式光纖電流傳感器的基本結構，光源發(fā)出的光經(jīng)單模光纖傳輸后被送至起偏器，成為線偏振光，通過 45 度熔接點分成偏振方向相互 垂直的兩束光，再經(jīng)入 /4 波片入射光轉換為兩個旋向相反 (左旋和右旋 )的圓偏振光，進入傳感區(qū)域，經(jīng)過一次法拉第效應后，到達反射鏡，發(fā)生反射，它們的偏振態(tài)在反射時發(fā)生了交換，即原左旋光變成了右旋光，原右旋光變成了左旋光。經(jīng)過反射后的圓偏振光按原路返回，再次經(jīng)法拉第效應，然后通過入 /4 波片轉換回線偏振光，經(jīng)過反射的光攜帶了相位差信息經(jīng)過 禍合 器被傳送至光電探測器。在整個過程中，兩束光都經(jīng)歷了保偏光纖的兩個軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。相位差取決于在傳感區(qū)域的磁場大小。又由于兩束光都經(jīng)歷了兩次法拉 第效應，因此其相位差為 4 倍的法拉第相移。這種結構的光纖電流傳感器，在其他同等條件下，靈敏度是前面介紹的偏轉型光纖電流傳感器的 4倍，相位調(diào)制型光纖電流傳感器的 2倍。 圖 23反射式全光纖電流傳感器的基本結構 畢業(yè)設計（論文） 15 反射結構的返回光波在經(jīng)反射鏡返回至線圈時，偏轉光旋轉了 90。，使正反通過光纖線圈的偏振光相互正交，從而使得光纖中的附加線雙折射相互抵消，而法拉第效應是非互易的，所以光波正反兩次通過光纖圈時，法拉第旋轉效應不會相互抵消，反而加倍了，所以這種結構不但能夠減少光纖線性雙折射的影響，還能夠使法拉第效應加倍 。反射結構的兩束干涉光在同一根光纖中傳輸，因此能夠降低外界因素 (如溫度、壓力等 )的干擾，且不受 sganac 效應的影響。另外反射結構使用的器件相對較少、容易搭建，因此與偏振旋轉型和相位調(diào)制型結構相比反射結構具有靈敏度高、抗干擾能力更強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 但是反射結構在實際應用中，由于兩束正交偏振光波在同一根光纖中傳輸且同時受到調(diào)制，因此必需使用雙軸調(diào)制器，通常可將保偏光纖繞在壓電陶瓷筒 (PZT)上制成相位調(diào)制器，當 PZT 加上調(diào)制信號時，沿保偏光纖兩個正交軸傳播的線偏振光將引入與調(diào)制信號變化規(guī)律相同的相位差。 反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析 為了更進一步的分析反射式光纖電流傳感器的原理，對通過其的光信號的偏振態(tài)的變化進行分析，如圖 所示。 圖 24反射式光纖電流傳感器中光的偏振態(tài)變化 畢業(yè)設計（論文） 16 光源發(fā)出的光通過起偏器 P后變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過 45度熔接點后分解成偏振方垂直的兩束光，這兩束光經(jīng)法拉第效應后產(chǎn)生了一定的相位差，返回時再次被 45 度熔接點分光，使得到達起偏器 P 有四束光，因此可以把第一次通過 P的光看成是 4四束光波的合成，經(jīng)過 45 度熔接點時 3 路光沿光纖快軸傳播 (x 偏振 )， 4路沿光纖慢軸傳播 (y偏振 )，它們同時經(jīng)過相位調(diào)制器，因此 3路和 4路光相位分別受到 (1 )x ???和 (1 )y ???的相位調(diào)制，其中 ?為光路傳輸時間。經(jīng)反射， 3 和 4交換快慢軸，因此受到的調(diào)制分別為 ()xt?和 ()yt? 。輸出時 2路光的相位差為 : ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )x y y xtt??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? (221) 本章小結 本章首先對光纖電流傳感器的理論基礎進行了全面的分析，然后對現(xiàn)有的光纖電流傳感器及信號處理方案進行了深入研究，并在此基礎上改進了相位調(diào)制型光纖電流傳感器，設計了反射式光纖電流傳感器模型，提高了光纖電流傳感器的靈敏度，并從偏振態(tài)的角度詳細的分析每個物理過程，然后利用瓊斯矩陣，針對反射式光纖電流傳感器進行了理論上的分析計算，得出了反射式電流傳感器的數(shù)學模型。 畢業(yè)設計（論文） 17 畢業(yè)設計（論文） 18 第三章 反射式光纖電流傳感器設計 反射式電流傳感器 具有靈敏度高、受外界干擾影響小、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。在第二章中對反射式光纖電流傳感器進行了建模。本章將針對反射式電流傳感器模型中的各個器件進行設計和選擇。 光源 光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的技術指標。 光源的作用是將電信號轉換為光信號功率，實現(xiàn)電光的轉換，以便在光纖中傳輸。由于光纖傳感器的工作環(huán)境特殊，要求光源的體積小，便于和光纖禍合等。光源發(fā)出的光波長應適合要求，以減少在光纖中的能量損失。光源要有足夠的亮度。在相當多的光纖傳感器中還對光源的相干性有要求。此外 要求光源的穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長期穩(wěn)定地工作，還要求光源的噪聲小、使用方便等。同時對于全光纖電流傳感器，其信號通常要通過通信光纖傳輸至控制室遙測或監(jiān)視，所以傳輸?shù)男盘栆{(diào)制在通信光纖的低損耗窗口波長上在選擇光源的時候，只有清楚地知道了各種光源的特性，才能從中選出適合反射式光纖電流傳感器的光源。 目前光纖傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有 :半導體激光器 LD、半導體發(fā)光二極畢業(yè)設計（論文） 19 管 LED、放大自發(fā)輻射 ASE 光源和半導體分布式反饋激光器 DFB 等。如表 31，常用光源及特性，其中前面兩種白熾光源和發(fā)光二極管屬于非相干光源，后 面的六種屬于相干光源。 表 31光纖傳感系統(tǒng)中常用光源及特性 名稱 特性描述及應用 白熾光 源采用某種寬帶光源譜濾波的傳感器 發(fā)光二極管 (LED) 20nm 的短波相干長度，用于非相干測量傳感器可用于光纖干涉測量激光器 半導體激光二極管 (LD) 用于大功率脈沖激光器 (如光時域反射計 )和相陣激光器 。在能量輸運中，提高大功率準直光源 DFB 半導體激光器 在能量輸運中，提高大功率準直光源在高速調(diào)制下有單縱模輸出，為動態(tài)單縱模激光器 量子阱半導體激光器 用超薄膜 (20nm)形成有緣層，能呈現(xiàn)量量子效應的異 質(zhì)結半導體激光器 Nd:YAG 晶體光纖激光器 未來的光纖系統(tǒng)的理想光源 光纖激光器 摻稀土的光纖，在外部泵浦時，表現(xiàn)為可調(diào)激光行為 氦氖氣體激光器 (HeNe) 頻率穩(wěn)定性允許數(shù)米的光程差 畢業(yè)設計（論文） 20 從表 31 可知，每種光源其特性不同，則其使用場合也不相同。在本系統(tǒng)中，因為采用了相位調(diào)制的原理，對光源有相干要求，因此不能選擇非相干光源 。主要是在氣體激光器和半導體激光器中選擇。半導體激光器尤其是可以控制激光輸出為單縱模的分布反饋式半導體激光器 (DFB)性能好，具有一定的相干性，且穩(wěn)定性高，是適合反射式光纖電流傳 感器系統(tǒng)的理想光源。 DFB 激光器的性能參數(shù)如表 32， DFB 的特點是 :輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調(diào)制速率高，并且適合于長距離通信。 表 32 DFB激光器的性能參數(shù) 4? 延遲器的設計 在光纖系統(tǒng)中，相位延遲可以使用光纖偏振控制器來實現(xiàn)。偏振控制器是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài)的器件。 光纖偏振控制器通常利用的是彈光效應來改變光纖中的雙折射，以控制光纖中光波的偏振態(tài)。如圖 所示，當光纖在 xy平面內(nèi)受到彎曲時，由于應 力的作用，光纖中 x 軸和 y 軸方向 (y 軸垂直于圖面向外 )的折射率發(fā)生變化，其變畢業(yè)設計（論文） 21 化量為： 圖 31光纖彎曲的雙折射效應 2311 122311 11 12( 2 )4()4xynan p pRnan p p pR?????? ? ???????? ? ? ????? (31)、 (32) 式中， ? 為光纖半徑， R