光纖線性雙折射對(duì)電流傳感的影響

線性雙折射嚴(yán)重削弱了光纖電流互感器性能,線性雙折射測(cè)量是線性雙折射抑制的基礎(chǔ)。構(gòu)建了線性雙折射測(cè)量系統(tǒng),提出了雙偏振片調(diào)制法,據(jù)此消除傳感光纖與相鄰光器件之間方位角的影響；仿真研究了線性雙折射測(cè)量中存在的多解問(wèn)題,提出基于全局尋優(yōu)算法的解決方案；在此基礎(chǔ)上,分別測(cè)試三種不同傳感光纖環(huán)的線性雙折射。仿真結(jié)果表明:所述方法與邦加球法的測(cè)量偏差≤5%,方法可行。

對(duì)線性雙折射及入射起偏角對(duì)光學(xué)玻璃電流傳感器輸出特性的影響進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析,給出了光學(xué)玻璃電流傳感器在非理想狀態(tài)下線性雙折射對(duì)輸出電壓的調(diào)制函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并給出了入射起偏角對(duì)系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其對(duì)系統(tǒng)有無(wú)影響的條件結(jié)果表明,線性雙折射會(huì)以sa(δ)函數(shù)(抽樣函數(shù))的形式調(diào)制理想光學(xué)玻璃電流傳感器輸出信號(hào)的尺度因子,同時(shí)以-sin2(δ/2)為影響因子決定入射起偏角對(duì)系統(tǒng)影響的大小;當(dāng)入射起偏角取某些特殊值時(shí)其對(duì)系統(tǒng)的影響為零該工作結(jié)果對(duì)于光學(xué)玻璃電流傳感器的研究、設(shè)計(jì)具有一定的理論參考意義

根據(jù)光纖線圈受熱應(yīng)力的實(shí)際影響,推導(dǎo)了線圈中因排線引起的光纖擠壓應(yīng)力雙折射,并提出利用有限元瞬態(tài)熱分析的方法研究固膠處理對(duì)線圈中熱應(yīng)力干擾雙折射的影響。通過(guò)對(duì)固膠處理前后線圈中典型光纖受熱應(yīng)力的影響的數(shù)值模擬計(jì)算得出,固膠處理后的光纖線圈存在著一個(gè)與膠粘劑參數(shù)有關(guān)的溫度區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)線圈受到的應(yīng)力干擾雙折射最小,且溫度敏感性降至最低。通過(guò)對(duì)1000m保偏光纖線圈的實(shí)際測(cè)試表明,這一溫度區(qū)域的消光比指標(biāo)高于低溫段1.5db,證明了模型的有效性。提出了固膠材料溫度特性與環(huán)境溫度的匹配性概念。

報(bào)告了一種測(cè)量光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的方法,以瓊斯矩陣為數(shù)學(xué)工具給出了對(duì)該方法的理論分析、測(cè)量不確定度計(jì)算公式,并用實(shí)驗(yàn)方法給出了應(yīng)用實(shí)例此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是光路所用元件容易獲得且測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用

線性雙折射是光學(xué)(含光纖)電流傳感頭的重要光學(xué)參量之一,會(huì)明顯影響光學(xué)電流傳感器的性能,因此測(cè)量光學(xué)傳感頭內(nèi)線性雙折射的大小對(duì)于提高光學(xué)電流傳感器的性能有重要意義本文報(bào)道了一種測(cè)量光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的新方法,以瓊斯矩陣為數(shù)學(xué)工具給出了對(duì)該方法的理論分析及測(cè)量不確定度分析,并用實(shí)驗(yàn)方法給出了應(yīng)用實(shí)例此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是彌補(bǔ)了以前報(bào)道過(guò)的兩種測(cè)量方法暴露出的無(wú)法唯一地確定光學(xué)玻璃電流傳感頭線性雙折射的大小,或雖然能測(cè)定雙折射大小,但測(cè)量不確定度較大的不足實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本方法可明顯地提高測(cè)量準(zhǔn)確度

由法拉第效應(yīng)原理,通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點(diǎn)。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場(chǎng)影響時(shí),輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對(duì)線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

根據(jù)導(dǎo)波光的微擾理論得到了線雙折射磁光光纖光柵中導(dǎo)波光耦合模方程,并給出了其解析解。借助于歸一化斯托克斯參量,研究了線雙折射與磁圓雙折射對(duì)光纖光柵中光偏振態(tài)的影響。研究表明,線雙折射磁光光纖光柵中存在左旋和右旋兩個(gè)本征的橢圓光偏振態(tài),線雙折射或磁圓雙折射的大小只引起本征偏振態(tài)橢圓率的變化,而不改變主軸方位角。通過(guò)調(diào)節(jié)磁光光纖光柵中兩種雙折射的相對(duì)大小可方便地控制輸出導(dǎo)波光的偏振態(tài),從而使磁光光纖光柵在光纖通信與傳感中具有廣泛的潛在應(yīng)用。

將光纖光柵(fbg)封裝入以超磁致伸縮材料(gmm)與永磁體構(gòu)成的傳感基座內(nèi)形成系統(tǒng)核心傳感部件,并將其放置于電流形成的磁場(chǎng)中,構(gòu)成電流傳感器。利用光纖邁克爾遜干涉儀(mi)對(duì)fbg波長(zhǎng)的變化進(jìn)行解調(diào),從而獲得被測(cè)交流電流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,檢測(cè)幅值100a~2000a的交變電流時(shí),該傳感器對(duì)交變電流具有良好的線性響應(yīng)。

單模光纖中的雙折射

試制了一種帶狀雙芯光纖。根據(jù)帶狀雙芯光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),給出了其在制作光纖器件及光纖傳感器上的典型應(yīng)用。利用有限元軟件仿真分析了帶狀雙芯光纖的雙折射特性,通過(guò)調(diào)整光纖模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),給出了該光纖雙折射隨光纖包層厚度的變化而改變的趨勢(shì),對(duì)于新型特種雙芯光纖的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定的參考意義。

理論分析了切趾弱雙折射光纖布喇格光柵反射偏振相關(guān)特性與溫度之間的關(guān)系.數(shù)值模擬了切趾弱雙折射光纖光柵的反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延隨波長(zhǎng)變化曲線.實(shí)驗(yàn)測(cè)出了不同溫度下反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延隨波長(zhǎng)變化曲線.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延的變化情況作出了分析.反射偏振相關(guān)損耗呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,隨溫度增加兩峰漂移程度相同,表明偏振相關(guān)損耗無(wú)明顯差異.差分群時(shí)延最大值隨溫度增加成線性向長(zhǎng)波方向漂移,證明了光纖光柵正交模損耗變化的等同性.綜合理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:切趾弱雙折射光纖布喇格光柵的偏振特性隨溫度產(chǎn)生明顯的變化,其正交模變化呈現(xiàn)等比例特性.

實(shí)驗(yàn)研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對(duì)溫度交叉敏感的簡(jiǎn)單而又有效的方法,從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。研究表明,對(duì)fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個(gè)滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對(duì)它的交叉敏感,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對(duì)溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對(duì)變化的溫度校正了4℃。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

根據(jù)菲涅耳公式和功率反射系數(shù)關(guān)系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。表明媒質(zhì)折射率n_2=1.300～1.441時(shí),傳感器輸出光功率強(qiáng)且?guī)缀醪话l(fā)生變化;n_2=1.441～1.452時(shí),傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當(dāng)媒質(zhì)折射率與單模光纖包層折射率接近時(shí),傳感器輸出光功率幾乎為0。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳感系統(tǒng)全光纖化等特點(diǎn),能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下物質(zhì)折射率的高精度測(cè)量。

介紹了光纖電流傳感器的性能特點(diǎn)，詳細(xì)地論述了光纖電流傳感器的噪聲根源及如何準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)出掩埋于噪聲中的微弱信號(hào)。著重介紹了數(shù)字多點(diǎn)平均技術(shù)，并給出了基于數(shù)字多點(diǎn)平均技術(shù)的檢測(cè)電路和程序流程圖。

纖芯失配的光纖Mach-Zehnder折射率傳感器

基于多模干涉效應(yīng)的單模-多模-單模(sms)結(jié)構(gòu)光纖折射率傳感器通常需要進(jìn)行包層腐蝕來(lái)提高靈敏度,而且易受環(huán)境溫度影響。為克服sms結(jié)構(gòu)的這些不足,提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器,由單模光纖-色散補(bǔ)償光纖-單模光纖(smf-dcf-smf)級(jí)聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)構(gòu)成,長(zhǎng)度不超過(guò)100mm。對(duì)其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在測(cè)量折射率為1.33～1.39的折射率液時(shí),特征波長(zhǎng)與折射率呈線性關(guān)系,靈敏度為232.8nm,級(jí)聯(lián)的fbg具有良好的溫度校準(zhǔn)功能。

理論分析和模擬計(jì)算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化,比正、反向基模之間耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化顯著增大。實(shí)驗(yàn)上制作了少模光纖布拉格光柵,測(cè)量了基模之間以及基模與高階模之間對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對(duì)于溫度變化對(duì)折射率測(cè)量結(jié)果干擾的問(wèn)題,提出了通過(guò)計(jì)算布拉格波長(zhǎng)差來(lái)克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測(cè)量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

為解決反射式全光纖電流傳感器中引入全反射鏡而產(chǎn)生的反射損耗及與光纖匹配困難等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種利用非線性光環(huán)路鏡作為反射元件的全光纖電流傳感器,推導(dǎo)出了光偏振態(tài)的斯托克斯矢量與電流的關(guān)系式,提出了高速偏振態(tài)檢測(cè)方法。在加載0~200a的50hz工頻交流電的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)測(cè)吻合,顯示出了較高的測(cè)量精確性,證明了該傳感結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)方案的可行性。

為了提高供能激光器的壽命和可靠性,降低高壓側(cè)信號(hào)調(diào)制電路的功耗。在介紹用于高壓直流輸電線路中測(cè)量直流電流的光供電式光纖電流傳感器的基本原理后,利用cmos器件的超寬工作電壓范圍、超低工作電流和窄脈沖的特性,采用集成電路和分立元件(改進(jìn)型電荷平衡式v/f轉(zhuǎn)換器)設(shè)計(jì)了含溫度補(bǔ)償電路的低成本超低功耗v/f轉(zhuǎn)換電路,該電路經(jīng)測(cè)試,該電路的功耗<0.7mw,線性度約為0.05%。該v/f轉(zhuǎn)換電路已成功應(yīng)用在光供電式光纖電流傳感器的高壓側(cè)調(diào)制電路中。

在智能電網(wǎng)中,電流測(cè)量是電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)、電能計(jì)量、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)分析的關(guān)鍵,其測(cè)量的精度與可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否安全、可靠和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。文章比較了電磁式電流傳感器和光纖電流傳感器的性能,介紹了目前3種最主要的光纖電流傳感器的測(cè)量原理,并指出其各自的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題。同時(shí),綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于光纖電流傳感器的最新研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,最后對(duì)光纖電流傳感器的應(yīng)用和研究前景進(jìn)行了展望。

本文主要就是對(duì)全光纖電流傳感器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析,首先對(duì)全光纖電流傳感器的性能優(yōu)點(diǎn)與基本原理進(jìn)行了分析,并對(duì)光纖中線性雙折射產(chǎn)生的原因以及其對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析,最后就解決和消除光纖中線性雙折射的方法進(jìn)行了探討.