【正文】 時(shí)，由于應(yīng) 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(shè)計(jì)（論文） 21 化量為： 圖 31光纖彎曲的雙折射效應(yīng) 2311 122311 11 12( 2 )4()4xynan p pRnan p p pR?????? ? ???????? ? ? ????? (31)、 (32) 式中， ? 為光纖半徑， R 為光纖彎曲的曲率半徑， ijp 為光纖材料的彈光張量， ? 為泊松比。偏振控制器是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài)的器件。 DFB 激光器的性能參數(shù)如表 32， DFB 的特點(diǎn)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(zhǎng)距離通信。主要是在氣體激光器和半導(dǎo)體激光器中選擇。在能量輸運(yùn)中，提高大功率準(zhǔn)直光源 DFB 半導(dǎo)體激光器 在能量輸運(yùn)中，提高大功率準(zhǔn)直光源在高速調(diào)制下有單縱模輸出，為動(dòng)態(tài)單縱模激光器 量子阱半導(dǎo)體激光器 用超薄膜 (20nm)形成有緣層，能呈現(xiàn)量量子效應(yīng)的異 質(zhì)結(jié)半導(dǎo)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(shí)，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(shè)計(jì)（論文） 20 從表 31 可知，每種光源其特性不同，則其使用場(chǎng)合也不相同。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。同時(shí)對(duì)于全光纖電流傳感器，其信號(hào)通常要通過通信光纖傳輸至控制室遙測(cè)或監(jiān)視，所以傳輸?shù)男盘?hào)要調(diào)制在通信光纖的低損耗窗口波長(zhǎng)上在選擇光源的時(shí)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。在相當(dāng)多的光纖傳感器中還對(duì)光源的相干性有要求。光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適合要求，以減少在光纖中的能量損失。 光源的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)電光的轉(zhuǎn)換，以便在光纖中傳輸。 光源 光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。在第二章中對(duì)反射式光纖電流傳感器進(jìn)行了建模。輸出時(shí) 2路光的相位差為 : ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )x y y xtt??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? (221) 本章小結(jié) 本章首先對(duì)光纖電流傳感器的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了全面的分析，然后對(duì)現(xiàn)有的光纖電流傳感器及信號(hào)處理方案進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了相位調(diào)制型光纖電流傳感器，設(shè)計(jì)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(xì)的分析每個(gè)物理過程，然后利用瓊斯矩陣，針對(duì)反射式光纖電流傳感器進(jìn)行了理論上的分析計(jì)算，得出了反射式電流傳感器的數(shù)學(xué)模型。 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(shè)計(jì)（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(diǎn)后分解成偏振方垂直的兩束光，這兩束光經(jīng)法拉第效應(yīng)后產(chǎn)生了一定的相位差，返回時(shí)再次被 45 度熔接點(diǎn)分光，使得到達(dá)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(diǎn)時(shí) 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(shí)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(shí)間。 但是反射結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，由于兩束正交偏振光波在同一根光纖中傳輸且同時(shí)受到調(diào)制，因此必需使用雙軸調(diào)制器，通?？蓪⒈Ｆ饫w繞在壓電陶瓷筒 (PZT)上制成相位調(diào)制器，當(dāng) PZT 加上調(diào)制信號(hào)時(shí)，沿保偏光纖兩個(gè)正交軸傳播的線偏振光將引入與調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律相同的相位差。反射結(jié)構(gòu)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(yīng)的影響。 圖 23反射式全光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 反射結(jié)構(gòu)的返回光波在經(jīng)反射鏡返回至線圈時(shí)，偏轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)了 90。又由于兩束光都經(jīng)歷了兩次法拉 第效應(yīng)，因此其相位差為 4 倍的法拉第相移。在整個(gè)過程中，兩束光都經(jīng)歷了保偏光纖的兩個(gè)軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 為反射式光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu)，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(diǎn)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(zhuǎn)換為兩個(gè)旋向相反 (左旋和右旋 )的圓偏振光，進(jìn)入傳感區(qū)域，經(jīng)過一次法拉第效應(yīng)后，到達(dá)反射鏡，發(fā)生反射，它們的偏振態(tài)在反射時(shí)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。當(dāng)光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將是迭加而不是抵消，此即法拉第效應(yīng)的旋向不可逆性，稱之為非互易旋光性。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(zhuǎn)角 。 反射式光纖電流傳感器模型設(shè)計(jì) 前面介紹的相位調(diào)制型光纖電流傳感器的主要的缺點(diǎn)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(zhuǎn)角，因此測(cè)量的精度就降低。但是由于光纖內(nèi)部存在線性雙折射，從而影響測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dǎo)體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測(cè)量光纖中的法拉第旋轉(zhuǎn)角間接的測(cè)量出通電導(dǎo)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(xué)電流傳感器。這類互感器大多采用 Rogwski 線圈將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將電 壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)傳輸，對(duì)光信號(hào)的調(diào)制可以采用相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制及強(qiáng)度調(diào)制等多種方法。但是存在加工難度大、傳感頭易碎、成本高等缺點(diǎn)，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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 22狀玻璃型光纖電流傳感器的傳感頭結(jié)構(gòu) 通過測(cè)量線偏 振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角，從而間接的測(cè)量電流。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。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，式 ()才成立。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(chǎng)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 。L 為光束在介質(zhì)中通過的距離。 式 ()可以改寫 為 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 2 ( ) / 2 2 ( ) / 2 2 ( ) / 20 112 l r l r i ri n n l i n n l i n n lout EE e e eii? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ??? ??? ? ? ??? ? ? ??? (212) 當(dāng) 2 ( ) ( )22 ( ) ( )2l r l rl r l rn n l n n ln n l n n l?????????????????? (213) 則將 ? 、 ? 代入式（ ）并化簡(jiǎn)得 0c ossi nioutE E e? ??? ??? ???? (214) 由式（ ）可知 出射光仍然為線偏振光，只是偏振角旋轉(zhuǎn)了 0? 而又法拉第效應(yīng)可知：旋轉(zhuǎn)角 ? 與外磁場(chǎng)符合以下關(guān)系 LV H dl? ??? (215) 其中 V 為費(fèi)爾德 (Verdet)常數(shù)，它的大小受光源波長(zhǎng)和環(huán)境溫度的影響 。因?yàn)榫€偏振光可以表示為正交的兩束左旋和右旋的圓偏振光的疊加，則立方晶體或各向同性材料的法拉第效應(yīng)，其旋轉(zhuǎn)角取決于沿磁場(chǎng)方向傳播的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的折射率之差。其原理示意圖如圖 所示。 當(dāng) 2 , 0 , 1 , 2 .. .2 mm???? ? ? ? ?時(shí)，為左旋圓偏振光 。 設(shè)光波沿 z軸傳播，則光矢量必然在垂直于 z軸的 xy平面上振動(dòng)，則光波可以表示為 : 00c o s ( )EE ???? (21) 式中 : 0,t kz? ? ??? 為初相位。橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均規(guī)則變化，光矢量端點(diǎn)沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)。線偏振光是指在傳播過程中，光矢量的方向不變，其大小隨相位變化的光，這時(shí)在垂直于傳播方向的平面上，光矢量端點(diǎn)的軌 跡是一直線。就偏振性而言，光一般可以分為偏振光、自然光和部分偏振光。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)光檢測(cè)器起作用的是電矢量而不是磁矢量，所以只需考慮電場(chǎng)的作用，因此用電矢量來表示光矢量。 偏振光 光是頻率極高的一種電磁波，它的電矢量和磁矢量的方向均垂直于波傳播的方向。Faraday 效應(yīng)是指線性偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過介質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。對(duì)信號(hào)進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和前置放大，然后使用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，將一次諧波的幅值轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第三章，考慮反射式光纖電流傳感器的特性和應(yīng)用的環(huán)境等因素，針對(duì)性的對(duì)反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的光源、光電探測(cè)器、相位延遲器、相位調(diào)制器等各個(gè)部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，完成了反射式光纖電流傳感器器件的選擇。本論文的主要工作如下 : 第一章，分析了研究光纖電流傳感器的背景和意義，總 結(jié)了光纖電流傳感器在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)光纖電流傳感器的研究不僅具有重要的科研意義，而且在軍事、工業(yè)應(yīng)用上也非常的重要，隨著光電技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖電流傳感器的應(yīng)用前景將日益廣闊。 但是，國(guó)內(nèi)的研究工作還是主要集中在原理性實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)上，一般是從檢測(cè)方案、信號(hào)處理方面來進(jìn)行研究，還沒有觸及到如何保持光纖傳感頭性能的環(huán)境穩(wěn)定性問題上，在全光纖電流傳感器的研究上落后于國(guó)外回。如沈陽互感器廠、保定天威集團(tuán)、 浙江 上互公司等，這些廠家在生產(chǎn)互感方面有著豐富的 經(jīng)驗(yàn)，并且具有很強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和專門的優(yōu)秀人才，在自主研發(fā)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相結(jié) 合的基礎(chǔ)上，對(duì) 光纖電流傳感器進(jìn)行專門研制和研發(fā)。開始是主要集中在國(guó)內(nèi)一些著名高校，如清華、華中科技大學(xué)等，他們首先做大量的理論研究和實(shí)踐工作，為推動(dòng)國(guó)內(nèi)的光纖電流傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。Nxtphase 公司計(jì)劃在今后將安裝更多的電壓電流傳感器，電壓等級(jí)將擴(kuò)展到765kv。 2021 年 5月 12號(hào)， Nxtphase 公司在英國(guó)的 lngledow 變電站安裝了額定電壓為 230kv 的三相式傳感器，第二年 10 月 29 日該公司又在 Rolls Royce 燃?xì)廨啺l(fā)電站安裝了一個(gè) 138kv 的三相試制系統(tǒng)，改三相 NXVCT 系統(tǒng)的光學(xué)器件性能與傳統(tǒng)設(shè)備的性能相比：能夠提供從三個(gè)高壓測(cè)量 VCT、三個(gè)低壓測(cè)量 CT 和三個(gè)保護(hù) CT 接受的所有信息。在 1995 年， ABB 公畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 司研發(fā)出多種電壓等級(jí)的交流、直流數(shù)字光電式光纖電流傳感器。他們的研究為光纖電流傳感器的進(jìn)一步發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。在 1979 年成功安裝在發(fā)電站上，開始運(yùn)行，并獲得成功。人們發(fā)現(xiàn)：全光型光纖電流傳感器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)