光纤电流传感器性能分析及环形衰荡结构设计

发布时间：2019-09-27 21:41

【摘要】：针对当前光纤电流传感器较难同时实现较高灵敏度和较好稳定性的问题,根据法拉第效应,从理论上建立了基于琼斯矩阵的直通式、反射式全光纤电流传感器的数学模型;利用OptiSystem软件进行仿真,得到直通式、反射式全光纤电流传感器的线性灵敏度分别为0.24和0.37。提出了光纤环形衰荡结构,将强度调制转换为时间调制,从而消除了光源及外界环境对系统性能的影响,使系统同时实现较高的灵敏度和较好的稳定性。通过理论及实验证实了该方案的可行性。
【图文】：

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用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件对这两种结构的全光纤电流传感系统进行仿真。通过分析，得到直通式光纤电流传感器稳定性好、反射式光纤电流传感器灵敏度高的结论。为同时实现较好的稳定性和较高的灵敏度，提出了光纤环形衰荡结构的光路改进方案，建立了相应的数学模型，证实了该方案的可行性。搭建了环形衰荡式结构的光路，通过实验验证了仿真结果的正确性，为高性能全光纤电流传感器的实用化提供了一种新的解决方案。２直通式全光纤电流传感器２．１直通式全光纤电流传感器原理直通式全光纤电流传感器的光路结构示意图如图１所示。光源发出的光束经起偏器转化为线偏振光进入传感头，在被测电流产生的外磁场作用下，线偏振光的偏振面发生旋转，经检偏器检偏后由光探测器进行信号解调。为提高系统对偏转角度θ的检测灵敏度，对系统中起偏器和检偏器的角度进行调整。假设两个偏振器的夹角为鐖，将输出光强对θ和鐖求二阶偏导数，当θ＝０且偏导数为０时，求解得到鐖＝π／４，即当两偏振器偏振方向的夹角为±π／４时，传感头探测灵敏度最高，因此令起偏器和检偏器偏振方向的夹角为π／４。直通式全光纤电流传感器的光路系统结构简单，具有抗干扰能力较强以及稳定性高等优点［９－１３］。图１直通式全光纤电流传感器光路结构示意图Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｌｉｇｈｔｐａｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈａｌｌ－ｆｉｂｅｒｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ２．２直通式光路结构的琼斯矩阵根据图１中的光路结构，设入射光电场强度Ｅｉｎ为Ｅｉｎ＝ＥｘＥ［］ｙ，（１）式中Ｅｘ、Ｅｙ分别为ｘ方向、ｙ方向

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５４，，０１０６０２（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ２．３直通式光路结构的仿真利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件对直通式光路结构的光学电流传感器进行建模仿真，仿真原理图［１４］如图２所示。从图２可以看出，光源通过起偏器转换为线偏振光，利用调制器与调制波模拟整个仿真系统受磁场作用的情况。在磁场的作用下，线偏振光受到法拉第效应的作用，偏振面发生偏转。当线偏振光经过检偏器与光电转换器的作用后，对信号进行处理。图２直通式光学电流传感器仿真结构原理图Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件搭建直通式光学电流传感器系统，仿真中选用放大自发辐射（ＡＳＥ）光源，设定其波长为１５５０ｎｍ，光能为－３ｄＢｍ，谱宽为４０ｎｍ。使用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件模块中的位序列发生器、不归零法脉冲发生器、发光二极管光源代替ＡＳＥ光源。由于电力系统理想模型中的电压和电流都是无畸变的正弦信号，且正弦信号的功率理论相对完善，因此仿真中利用调制器及正弦调制波模拟实验中的被测信号。调用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件中的线性起偏器，设定起偏器相对检偏器的起偏角为４５°。ＡＳＥ光源与自然光的偏振态相似，经过起偏器仿真后输入信号和输出信号的变化比较明显。利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件建立的模拟结构如图３所示。图３直通式光学电流传感器模拟结构Ｆｉｇ．３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉ
【作者单位】：哈尔滨理工大学应用科学学院;哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(51307036,51677044) 黑龙江省自然科学基金(E201303)
【分类号】：TM930;TP212

【参考文献】