【摘要】：為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖帶來(lái)的挑戰(zhàn),以節(jié)能環(huán)保為目的的各種高新技術(shù)及新興產(chǎn)業(yè)成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在這一大背景下,各國(guó)紛紛把發(fā)展智能電網(wǎng)作為搶占未來(lái)低碳經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施,掀起了一場(chǎng)全球范圍的智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮。智能電網(wǎng)的核心是特高壓電網(wǎng),這就必然推動(dòng)電力系統(tǒng)電壓和電流等級(jí)的提高,對(duì)電力系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備也帶來(lái)更高的要求。在此背景下,傳統(tǒng)的電磁互感式的電流傳感器暴露出易飽和、暫態(tài)響應(yīng)差、絕緣困難、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn),難以適應(yīng)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求。光學(xué)電流傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行能耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn),將成為取代傳統(tǒng)電流傳感器的最佳選擇。本文總結(jié)了光學(xué)電流傳感技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r與進(jìn)展,并選擇以精度高的干涉型光學(xué)電流傳感器為研究對(duì)象,研制面向電力系統(tǒng)全范圍電流檢測(cè)的光學(xué)電流傳感器。針對(duì)電力系統(tǒng)大電流檢測(cè),在實(shí)現(xiàn)反射式全光纖電流傳感器的基礎(chǔ)上,特別針對(duì)困擾該電流傳感器大范圍實(shí)用化的穩(wěn)定性欠佳問(wèn)題,提出了改進(jìn)方案并從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了方案的有效性；進(jìn)一步的對(duì)設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性電流傳感器光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造,提出了優(yōu)化電流傳感器解調(diào)方法及擴(kuò)展傳感器應(yīng)用范圍的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)電力系統(tǒng)領(lǐng)域小于1A的電流檢測(cè),本文設(shè)計(jì)并研制了基于硅基波導(dǎo)多模干涉結(jié)構(gòu)及微環(huán)諧振腔的電流傳感器,并實(shí)驗(yàn)上證實(shí)傳感器的優(yōu)良性能。本文的貢獻(xiàn)和特色主要在以下幾個(gè)方面：1,研制了基于法拉第效應(yīng)的反射式全光纖大電流傳感器：(1)研究了反射式全光纖大電流傳感器的基本理論,建立了傳感器誤差模型,對(duì)傳感器的誤差進(jìn)行了仿真,確定了傳感系統(tǒng)各器件的最優(yōu)參數(shù)。(2)提出并建立了倒向使用Y波導(dǎo)的全光纖電流傳感器光學(xué)系統(tǒng),研制了多路鎖相放大解調(diào)電路,完成了傳感器光學(xué)系統(tǒng)與電路解調(diào)系統(tǒng)的的聯(lián)合測(cè)試與優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果表明,研制的電流傳感器穩(wěn)定性得到較大改善,傳感器測(cè)試范圍為0-384KA,電流測(cè)試精度滿足IEC0.2S要求。(3)對(duì)全光纖電流傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種鎖模激光器型電流傳感器的設(shè)計(jì)方案,使得傳感器解調(diào)方案得到簡(jiǎn)化；提出了一種平面任意方向磁場(chǎng)測(cè)量傳感器系統(tǒng),擴(kuò)展了全光纖電流傳感器的應(yīng)用范圍。2,研制了基于熱光效應(yīng)的硅基波導(dǎo)多模干涉型電流傳感器。首先,分析了硅基波導(dǎo)的熱光效應(yīng)并建立了利用熱光效應(yīng)進(jìn)行電流傳感的傳感器模型。當(dāng)待測(cè)電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí),產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致波導(dǎo)溫度改變,溫度的改變使得多模波導(dǎo)內(nèi)傳輸模式(TE0和TE1)的有效折射率發(fā)生變化,最終多模干涉結(jié)構(gòu)輸出干涉峰的將發(fā)生移動(dòng),通過(guò)光譜儀檢測(cè)不同輸入電流下干涉峰的移動(dòng)量實(shí)現(xiàn)電流傳感。接著,設(shè)計(jì)并分析了硅基單模-多模-單模波導(dǎo)(SMSW)結(jié)構(gòu)的特性,采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝完成了芯片制作并實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)體的封裝。最后,基于端面耦合測(cè)試平臺(tái),完成了對(duì)設(shè)計(jì)電流傳感器的測(cè)試與驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,研制的基于硅基波導(dǎo)多模干涉結(jié)構(gòu)的電流傳感器測(cè)試范圍0-200mA,靈敏度為4.24nm/A。3,研制了基于熱光效應(yīng)的硅基微環(huán)電流傳感器。為提高基于熱光效應(yīng)的電流傳感器的的靈敏度,本文首先設(shè)計(jì)并制作了基于單微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的電流傳感器,實(shí)現(xiàn)了傳感元件與導(dǎo)熱電阻(TiN)的片上集成。測(cè)試結(jié)果表明,基于單微環(huán)諧振腔的電流傳感器測(cè)試靈敏度為6.8×104nm/A2,與多模干涉結(jié)構(gòu)型電流傳感器相比,靈敏度提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)。接著,為簡(jiǎn)化傳感器解調(diào)系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)并研制了基于雙微環(huán)結(jié)構(gòu)的高靈敏度強(qiáng)度調(diào)制型電流傳感器。該傳感器只需利用探測(cè)器探測(cè)微環(huán)輸出光強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)電流傳感,無(wú)需復(fù)雜的波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。對(duì)該傳感器的測(cè)試結(jié)果表明,在0-6mA電流范圍為,傳感器的靈敏度高達(dá)1575 dBm/A。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2262981