干涉型光学电流传感器研究

发布时间：2018-10-10 19:31

【摘要】：为了应对全球气候变暖带来的挑战,以节能环保为目的的各种高新技术及新兴产业成为世界经济发展的必然趋势。在这一大背景下,各国纷纷把发展智能电网作为抢占未来低碳经济制高点的一项重要战略措施,掀起了一场全球范围的智能电网建设热潮。智能电网的核心是特高压电网,这就必然推动电力系统电压和电流等级的提高,对电力系统的检测设备也带来更高的要求。在此背景下,传统的电磁互感式的电流传感器暴露出易饱和、暂态响应差、绝缘困难、运行成本高的缺点,难以适应智能电网建设的要求。光学电流传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低的优点,将成为取代传统电流传感器的最佳选择。本文总结了光学电流传感技术的发展状况与进展,并选择以精度高的干涉型光学电流传感器为研究对象,研制面向电力系统全范围电流检测的光学电流传感器。针对电力系统大电流检测,在实现反射式全光纤电流传感器的基础上,特别针对困扰该电流传感器大范围实用化的稳定性欠佳问题,提出了改进方案并从实验上证实了方案的有效性；进一步的对设计的高稳定性电流传感器光学结构进行了改造,提出了优化电流传感器解调方法及扩展传感器应用范围的设计方案。针对电力系统领域小于1A的电流检测,本文设计并研制了基于硅基波导多模干涉结构及微环谐振腔的电流传感器,并实验上证实传感器的优良性能。本文的贡献和特色主要在以下几个方面：1,研制了基于法拉第效应的反射式全光纤大电流传感器：(1)研究了反射式全光纤大电流传感器的基本理论,建立了传感器误差模型,对传感器的误差进行了仿真,确定了传感系统各器件的最优参数。(2)提出并建立了倒向使用Y波导的全光纤电流传感器光学系统,研制了多路锁相放大解调电路,完成了传感器光学系统与电路解调系统的的联合测试与优化。测试结果表明,研制的电流传感器稳定性得到较大改善,传感器测试范围为0-384KA,电流测试精度满足IEC0.2S要求。(3)对全光纤电流传感器系统进行了改进,提出了一种锁模激光器型电流传感器的设计方案,使得传感器解调方案得到简化；提出了一种平面任意方向磁场测量传感器系统,扩展了全光纤电流传感器的应用范围。2,研制了基于热光效应的硅基波导多模干涉型电流传感器。首先,分析了硅基波导的热光效应并建立了利用热光效应进行电流传感的传感器模型。当待测电流通过金属导体时,产生的焦耳热导致波导温度改变,温度的改变使得多模波导内传输模式(TE0和TE1)的有效折射率发生变化,最终多模干涉结构输出干涉峰的将发生移动,通过光谱仪检测不同输入电流下干涉峰的移动量实现电流传感。接着,设计并分析了硅基单模-多模-单模波导(SMSW)结构的特性,采用CMOS标准工艺完成了芯片制作并实验室内实现了波导结构与金属导体的封装。最后,基于端面耦合测试平台,完成了对设计电流传感器的测试与验证。测试结果表明,研制的基于硅基波导多模干涉结构的电流传感器测试范围0-200mA,灵敏度为4.24nm/A。3,研制了基于热光效应的硅基微环电流传感器。为提高基于热光效应的电流传感器的的灵敏度,本文首先设计并制作了基于单微环谐振腔结构的电流传感器,实现了传感元件与导热电阻(TiN)的片上集成。测试结果表明,基于单微环谐振腔的电流传感器测试灵敏度为6.8×104nm/A2,与多模干涉结构型电流传感器相比,灵敏度提高了4个数量级。接着,为简化传感器解调系统,本文设计并研制了基于双微环结构的高灵敏度强度调制型电流传感器。该传感器只需利用探测器探测微环输出光强即可实现电流传感,无需复杂的波长解调系统。对该传感器的测试结果表明,在0-6mA电流范围为,传感器的灵敏度高达1575 dBm/A。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：2262981