大电流光纤传感器系统的研制

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.4MB 71 页 15积分

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摘要

随着当代经济的飞速发展，近年来国民生产对电力能源的需求越来越大，因此

电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，使得电力传输的系统容量和

干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也越来越迫切。

本文针对以上需求，首先对大电流光纤传感器系统进行了市场调研、具体分析

了目前世界上该技术研究成果和可执行性风险估计。对大电流光纤传感器的工作

原理进行了系统的论述和实验分析。分析了可能造成系统误差的各个因素，并针

对性的提出解决办法。总结出了一套新的通过偏振态对电流进行检测的方法，该

方法具有灵敏度高、动态范围大、可以同时监控多物理量等优点。经理论和实验

的证实，该方法具有一定的可行性和改进空间。

我们在实验室搭建了一套环境仿真试验系统，该系统可以对各个环境变量进行

模拟，且各部分可控。该系统使用法拉第磁光晶体作为探头，采用光电混合模式，

经单模光纤与保偏光纤混合作为信号传输载体，偏振光通过偏振检测器得到偏振

态，并将偏振态信号传输到计算机终端。最后在终端中，通过邦加球、矢量分解

等方法对偏振态进行处理和计算，最终推导得到电流变化数值。

关键字：大电流测试偏振态邦加球光纤偏振测试

ABSTRACT

With the rapid development of the contemporary economy, the demand of electrical

energy and power for the national product grew a lot during recent years. So the

industrial revolution gave a great boost to the development of the power transmissions.

On the other hand, the capacity of power transmission system and distributors voltage

are increasing, which made the needs of current measurement more and more urgent.

At first, to solve the above requirement, we made a market research and a detailed

analysis with the research results and enforceable risks on the field of optical current

transmission (OCT). The principle of the optical current sensors was discussed and

analyzed systematically in this paper. We try to find out the various factors which might

cause system errors, and gave the solutions for the serious problems. Then we summed

up a new method to test big current with the changing of SOP (state of polarization),

which has high sensitivity and big dynamic range. The system could monitor several

points in the same time. The method is theoretically and experimentally confirmed

successfully, which has certain feasibility and room for improvement.

We built a test system of environmental simulation, which could simulate various

variables and control its different part. The system uses a faraday magneto-optical

crystal as a probe, with the mode of optic-electronic. And the single mode fibers and

polarization maintain fibers are jointed as the carrier of signal transmission. The

polarization detector gets the state of polarization of the polarized light, which will be

sent to the computer terminal. Finally, the terminal process and compute the state of

polarization by Poincare sphere and vector decomposition then get the value of the

changing current.

Keywords: high-current measurement, SOP (the state of polarization),

Poincare sphere, polarization test

摘要 .............................................................. 0

ABSTRACT ............................................................ 0

目录 ............................................................. 0

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 研究大电流光纤传感器系统的意义和行业背景分析 ................ 1

§1.2 行业近况及典型产品分析 ..................................... 2

§1.2.1 国内外相关产品应用现状 .................................. 2

§1.2.2 ABB FOCS – Fiber-Optic Current Sensors .................. 3

§1.2.3 阿海珐全光纤电流互感器 NXCT .............................. 5

§1.3 典型光纤偏振电流检测系统概述................................ 7

§1.4 论文主要研究方向概述 ....................................... 7

第二章偏振测试理论基础 ........................................... 9

§2.1 光偏振理论基础 ............................................. 9

§2.1.1 光波的偏振 ............................................. 9

§2.2 偏振相关描述及特性 ....................................... 13

§2.2.1 琼斯矩阵与斯托克斯矢量描述 ............................. 13

§2.2.2 邦加球理论应用基础 ..................................... 15

§2.2.3 法拉第效应 ............................................ 18

§2.3 光纤中的偏振理论 .......................................... 20

§2.3.1 光纤基础 .............................................. 20

§2.3.2 光纤的偏振特性描述 ..................................... 22

§2.3.3 光纤偏振模色散（PMD） .................................. 26

§2.4 偏振实验器件 .............................................. 29

§2.4.1 波片和补偿器 ........................................... 29

§2.4.2 隔离器 ................................................ 31

§2.4.3 磁光器件 .............................................. 32

§2.5 偏振态控制及检测方法 ...................................... 33

§2.5.1 偏振态控制原理及几种偏振态控制方法比较 ................. 33

§2.5.2 法拉第效应偏振态控制理论 ............................... 35

§2.5.3 偏振态检测基础原理 ..................................... 36

§2.5.4 复杂的波片相位延迟量测量方法 ........................... 38

§2.5.5 斯托克斯参量的分振幅测量方法 ........................... 38

第三章系统原理方法及组成 ........................................ 41

§3.1 主要测试仪表 ............................................... 41

§3.1.1 光学器件分析仪......................................... 41

§3.1.2 改造磁光晶体探头....................................... 43

§3.2 整体实验系统搭建 .......................................... 45

§3.2.1 实验系统原理概述....................................... 45

§3.2.2 整体实验系统框架....................................... 48

§3.3 温度及振动补偿模块 ........................................ 49

§3.3.1 温度补偿原理及系统设计 ................................ 49

§3.3.3 环境因素对光纤影响的验证试验 .......................... 51

第四章数据处理及产品设计 ........................................ 54

§4.1 算法概述 .................................................. 54

§4.1.1 实验室系统及实验现象 ................................... 54

§4.1.2 算法原理 .............................................. 55

§4.2 整体产品设计思路 .......................................... 60

第五章总结展望 .................................................. 63

§5.1 实验总结 .................................................. 63

§5.2 创新点 .................................................... 63

§5.3 未来展望及新思路 .......................................... 63

参考文献 ........................................................... 65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...................... 67

致谢 ............................................................ 68

第一章绪论

§1.1 研究大电流光纤传感器系统的意义和行业背景分析

伴随着当今世界工业和经济的高速发展，国民生产对电力能源的需求越来越大，

因此电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，但是却使得电力传输的

系统容量和干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也变得越来越

迫切。

传统大电流的测量方法是以电磁感应原理为基础的，在实际使用中，尤其是在

高电压、大功率、强电流的测试环境中暴露出了不少的缺点：

1．传统的电磁电流传感器系统的一二级之间往往靠电磁转换实现信息及能量

传递，如出现二次线圈开路故障，突变的大电流将成为大的激励源，故障强电流

将导致铁芯饱和并产生大电压，系统中会存在着极大的潜在危险。

2. 测量误差随着电流传感器的磁路长度电磁感应的动态范围不高，在短时间

的电流故障情况下，铁芯由于非周期变化电流分量的出现变得容易饱和，从而影

响测量最终的测试精确度。

3. 传统电流传感器拥有体积庞大，重量高，运输、安装检修都非常不方便的

缺点，在安装和工作运转时而且需要架设相应的绝缘装置，这在某种程度上也极

大的增加了安装的复杂性和危险性。

4. 此外，传统电磁传感器还具有磁滞效应、电磁干扰、铁磁共振的不利因素，

非常容易导致测量的不准确。

5. 传统型传感器的造价非常高，并且随着电压的增加，使得生产成本成指数

增长，对绝缘器件的要求也越来越高，并且不容易形成网络性，效率非常低。

因此传统的电磁感应电流传感器难以满足高精度、在线实时测量、高电压、大

量程的现代化测试要求，新型的光纤大电流传感器（OCT）将成为新一代电流测

试主要技术领域的生力军。

A.J.Rogers 在上世纪 70 年代提出应用光学进行电流传感的思路以来，光纤传

感技术经过了近 40 年的历史沉淀，与传统型应用霍尔效应的电流互感器相比，在

特殊环境如大电流、高电压测量的应用中，光纤大电流测量系统具有很多其他系

统不可代替的优势。

1. OCT 结构比较简单，由于应用了光学原理，所以对绝缘器件的要求不高，

相对传统型测试系统尺寸较小、造价变低，绝缘结构可以变得极为简化，而且不

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摘要随着当代经济的飞速发展，近年来国民生产对电力能源的需求越来越大，因此电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，使得电力传输的系统容量和干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也越来越迫切。本文针对以上需求，首先对大电流光纤传感器系统进行了市场调研、具体分析了目前世界上该技术研究成果和可执行性风险估计。对大电流光纤传感器的工作原理进行了系统的论述和实验分析。分析了可能造成系统误差的各个因素，并针对性的提出解决办法。总结出了一套新的通过偏振态对电流进行检测的方法，该方法具有灵敏度高、动态范围大、可以同时监控多物理量等优点。经理论和实验的证实，该方法具有一定的可行性和改进空间。我们在...

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