高精度光纤电流传感器研究

With the development of electric power industry, the fiber optic current sensor will replace the traditional electromagnetism current sensor. But the issues of fiber birefraction and environmental sensitivity suspend the application of the fiber optic current sensor. In this project, the new type polarization-maintaining fiber were designed and made. This polarization-maintaining fiber has the feature that the polarization of linear polarization beam can be turn into circular polarization after this fiber. When this polarization-maintaining fiber was used in fiber optic current sensor, the simple optic pathway will obtained for there is not need λ/4 plant any more. Therefore the defect of the λ/4 plate and its temperture sensitivity will avioded. The sensor head will be made with this fiber in special wrap method. A new scheme fiber current sensor was set up. In the signal process circuits, the all digital feedback closed loop medulation technology, the digital subtraction technology and the thermal resistor compensate circuits technology will be used to settle the issues of bias stability and wide dynamic of the sensor, reducing the light source intensity noise and the linear and stability of the scale factor. The execution of the project will offer the theoretical background for the application of this fiber optic current sensor.

随着电力行业发展，全光纤电流传感器取代传统的电磁式电流传感器已成为发展的必然趋势。但是光纤的双折射及对外界环境敏感等问题阻碍着光纤电流传感器的实用化。本项目设计制作了一种圆保偏光纤。光波通过该光纤后可以直接得到圆偏振光，从而省略了以前的设计中λ/4波片，简化了光路。这样可以避免由于λ/4波片的不完备性及其温度敏感性问题。用该圆保偏光纤采用特殊的光纤绕制方法设计了一种消除Sagnac效应的全光纤电流传感器方案。并且在此传感器的信号处理电路中采用了方波调制，阶梯波反馈的全数字二次闭环处理技术、差分数字相减技术以及热敏电阻构成的Y波导温度漂移补偿电路的方法解决了全光纤电流传感器的光源强度噪声、Y波导的温度漂移以及动态范围问题。这些技术的应用提高了全光纤电流传感器的精度、动态范围、标度因数的线性度及稳定性。该项目的实施将为全光纤电流传感器实际工程应用提供理论支持。

光纤电流传感器是现代化智能电网中重要的电流测量器件，具有稳定性强、响应速度快、抗电磁干扰和灵敏度高等特点，满足了大量程范围下高精度的测量要求。然而有很多因素如温度波动引起的相位调制器的附加相位漂移、传感光纤的固有线性双折射、四分之一波片的完备性、光纤环的震动引起的Sagnac效应带来的误差影响全光纤电流传感器的性能。本项目中，我们设计了一种扭转高双折射光纤，按照扭转速率包括三部分：开始扭转段、高速匀速扭转段和降速率扭转段。其中开始扭转段和降速率扭转段为变速率扭转部分，具有圆起偏器功能，可代替光纤λ/4波片；高速匀速扭转段具有圆保偏功能，可代替低折射光纤用于感应法拉第效应，具有良好的温度性能。我们将这种光纤通过特殊的绕制方式制成传感光纤环，同时解决了测量结果对导体位置敏感的问题，设计出几种新型温度性能良好的、抗震动型、电流导体位置不敏感的传感光纤环。在此基础上设计了5种新型全光纤电流传感器。在理论上，利用耦合模理论对该扭转光纤的变速率扭转和匀速率扭转两种情况进行研究。在缓变近似和快旋近似条件下分别建立了右手螺旋和左手螺旋扭转光纤的变速率扭转及匀速率扭转部分的耦合模方程，得到右手螺旋和左手螺旋扭转光纤的透射矩和新型全光纤电流传感器的光学理论模型；利用matlab仿真模拟了不同线偏振光（X-轴方向、Y-轴方向）入射右手螺旋和左手螺旋扭转高双折射光纤时，偏振状态的演化过程。.温度变化引起相位调制器产生附加相位漂移，直接影响标度因数的稳定性，从而导致光纤电流传感器的零点漂移。我们提出在Y波导驱动电路的运放电路中引入热敏电阻。进行了热敏电阻用于补偿Y波导（Y型波导集成光学器件）温度波动引起的相位调制器的附加相位漂移的研究，解决了温度变化引起Y波导的相位漂移，进一步提高了全光纤电流传感器的温度性能。利用微加热器对光纤进行加热，用旋转台和移动平台来扭转和移动光纤，搭建了扭转高双折射光纤制备系统。进行了扭光纤的初步拉制实验。.本项目执行期间共授权发明专利7项，使用新型专利1项，发表论文14篇，其中SCI或EI收录12篇，参加国际会议2次，国内会议1次。本项目研究成果为扭转光纤在全光纤电流传感中的实际应用提供了技术支持。