發(fā)布時(shí)間：2019-09-27 21:41

【摘要】：針對(duì)當(dāng)前光纖電流傳感器較難同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高靈敏度和較好穩(wěn)定性的問(wèn)題,根據(jù)法拉第效應(yīng),從理論上建立了基于瓊斯矩陣的直通式、反射式全光纖電流傳感器的數(shù)學(xué)模型;利用OptiSystem軟件進(jìn)行仿真,得到直通式、反射式全光纖電流傳感器的線性靈敏度分別為0.24和0.37。提出了光纖環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu),將強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換為時(shí)間調(diào)制,從而消除了光源及外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能的影響,使系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度和較好的穩(wěn)定性。通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方案的可行性。
【圖文】：

用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的全光纖電流傳感系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過(guò)分析，得到直通式光纖電流傳感器穩(wěn)定性好、反射式光纖電流傳感器靈敏度高的結(jié)論。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)定性和較高的靈敏度，提出了光纖環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)的光路改進(jìn)方案，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，證實(shí)了該方案的可行性。搭建了環(huán)形衰蕩式結(jié)構(gòu)的光路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，為高性能全光纖電流傳感器的實(shí)用化提供了一種新的解決方案。２直通式全光纖電流傳感器２．１直通式全光纖電流傳感器原理直通式全光纖電流傳感器的光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。光源發(fā)出的光束經(jīng)起偏器轉(zhuǎn)化為線偏振光進(jìn)入傳感頭，在被測(cè)電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，經(jīng)檢偏器檢偏后由光探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。為提高系統(tǒng)對(duì)偏轉(zhuǎn)角度θ的檢測(cè)靈敏度，對(duì)系統(tǒng)中起偏器和檢偏器的角度進(jìn)行調(diào)整。假設(shè)兩個(gè)偏振器的夾角為鐖，將輸出光強(qiáng)對(duì)θ和鐖求二階偏導(dǎo)數(shù)，當(dāng)θ＝０且偏導(dǎo)數(shù)為０時(shí)，求解得到鐖＝π／４，即當(dāng)兩偏振器偏振方向的夾角為±π／４時(shí)，傳感頭探測(cè)靈敏度最高，因此令起偏器和檢偏器偏振方向的夾角為π／４。直通式全光纖電流傳感器的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有抗干擾能力較強(qiáng)以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)［９－１３］。圖１直通式全光纖電流傳感器光路結(jié)構(gòu)示意圖Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｌｉｇｈｔｐａｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈａｌｌ－ｆｉｂｅｒｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ２．２直通式光路結(jié)構(gòu)的瓊斯矩陣根據(jù)圖１中的光路結(jié)構(gòu)，設(shè)入射光電場(chǎng)強(qiáng)度Ｅｉｎ為Ｅｉｎ＝ＥｘＥ［］ｙ，（１）式中Ｅｘ、Ｅｙ分別為ｘ方向、ｙ方向

５４，，０１０６０２（２０１７）激光與光電子學(xué)進(jìn)展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ２．３直通式光路結(jié)構(gòu)的仿真利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件對(duì)直通式光路結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流傳感器進(jìn)行建模仿真，仿真原理圖［１４］如圖２所示。從圖２可以看出，光源通過(guò)起偏器轉(zhuǎn)換為線偏振光，利用調(diào)制器與調(diào)制波模擬整個(gè)仿真系統(tǒng)受磁場(chǎng)作用的情況。在磁場(chǎng)的作用下，線偏振光受到法拉第效應(yīng)的作用，偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器與光電轉(zhuǎn)換器的作用后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。圖２直通式光學(xué)電流傳感器仿真結(jié)構(gòu)原理圖Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件搭建直通式光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)，仿真中選用放大自發(fā)輻射（ＡＳＥ）光源，設(shè)定其波長(zhǎng)為１５５０ｎｍ，光能為－３ｄＢｍ，譜寬為４０ｎｍ。使用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件模塊中的位序列發(fā)生器、不歸零法脈沖發(fā)生器、發(fā)光二極管光源代替ＡＳＥ光源。由于電力系統(tǒng)理想模型中的電壓和電流都是無(wú)畸變的正弦信號(hào)，且正弦信號(hào)的功率理論相對(duì)完善，因此仿真中利用調(diào)制器及正弦調(diào)制波模擬實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)信號(hào)。調(diào)用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件中的線性起偏器，設(shè)定起偏器相對(duì)檢偏器的起偏角為４５°。ＡＳＥ光源與自然光的偏振態(tài)相似，經(jīng)過(guò)起偏器仿真后輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的變化比較明顯。利用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ軟件建立的模擬結(jié)構(gòu)如圖３所示。圖３直通式光學(xué)電流傳感器模擬結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒａｉｇｈｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉ
【作者單位】： 哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院;哈爾濱理工大學(xué)工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(51307036,51677044) 黑龍江省自然科學(xué)基金(E201303)
【分類號(hào)】：TM930;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2542908