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1、第八章光纤电磁量传感器第1页，共28页，编辑于2022年，星期三8.2 光纤磁场传感器光纤磁场传感器 光纤磁场传感器可分为两大类利用法拉第效光纤磁场传感器可分为两大类利用法拉第效应的传感器和利用磁致伸缩效应的传感器。应的传感器和利用磁致伸缩效应的传感器。第2页，共28页，编辑于2022年，星期三 8.2.1 光纤法拉第磁强计光纤法拉第磁强计 光纤测磁场的法拉第传感器有传感型和传光纤测磁场的法拉第传感器有传感型和传光型两种。光型两种。传感型是将外磁场直接加在光纤的轴向，使光纤传感型是将外磁场直接加在光纤的轴向，使光纤中光波的线偏振方向偏转，进行检测。中光波的线偏振方向偏转，进行检测。传光型的光纤
2、法拉第传感器，其磁场敏感元件传光型的光纤法拉第传感器，其磁场敏感元件不是利用光纤自身，而是用其它材料制成，不是利用光纤自身，而是用其它材料制成，第3页，共28页，编辑于2022年，星期三由于由于SiO2光纤的费尔德常数的值十分小因此，光纤的费尔德常数的值十分小因此，法拉第效应应用在普通的法拉第效应应用在普通的SiO2单模光纤中只单模光纤中只能检测高磁场和大电流。能检测高磁场和大电流。利用玻璃制成的法拉第盒作为敏感元件。这利用玻璃制成的法拉第盒作为敏感元件。这种传感器灵敏度高、稳定性好，可以有效地种传感器灵敏度高、稳定性好，可以有效地应用于实际高压电力系统中。应用于实际高压电力系统中。第4页，共
3、28页，编辑于2022年，星期三第5页，共28页，编辑于2022年，星期三第6页，共28页，编辑于2022年，星期三马吕斯定律马吕斯定律强度为强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：为：I=I0 cos2其中其中为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。振化方向之间的夹角。AII0第7页，共28页，编辑于2022年，星期三光强对光强对的变化率，即转换灵敏度的变化率，即转换灵敏度如果将交角固定在如果将交角固定在45，这时，这时就有就有第8页，共28页，编辑于2022年，星期三光电管光电管D1接收的光强
4、为接收的光强为光电管光电管D2接收的光强为接收的光强为第9页，共28页，编辑于2022年，星期三将上式右边按级数展开，将上式右边按级数展开，舍去高阶项并令舍去高阶项并令上式通过乘法器和加法器予以实现，输出上式通过乘法器和加法器予以实现，输出由法拉策公式可得由法拉策公式可得第10页，共28页，编辑于2022年，星期三822 磁致伸缩效应光纤磁场传感器磁致伸缩效应光纤磁场传感器一、交流磁场光纤传感器一、交流磁场光纤传感器第11页，共28页，编辑于2022年，星期三83 光纤电场传感器光纤电场传感器利用光纤测量电场利用光纤测量电场(或电压或电压)可以采用电致光可以采用电致光吸收原理、压电弹光原理或电
5、光晶体传感原吸收原理、压电弹光原理或电光晶体传感原理。理。第12页，共28页，编辑于2022年，星期三831 电致光吸收光纤电场传感原理电致光吸收光纤电场传感原理一、电场对离子吸收一、电场对离子吸收光谱的影响光谱的影响依量子力学原依量子力学原理，线性谐振理，线性谐振于对应的能量于对应的能量外电场能影响光纤中杂质离子及杂质离子外层电子的吸收光谱，因外电场能影响光纤中杂质离子及杂质离子外层电子的吸收光谱，因此能改变掺有适当杂质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。此能改变掺有适当杂质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。第13页，共28页，编辑于2022年，星期三832 压电弹光光纤电场传感器
6、压电弹光光纤电场传感器 利用压电弹光效应测量电场的光纤传感器，实际上就利用压电弹光效应测量电场的光纤传感器，实际上就是采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相是采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方法。结合的方法。在压电弹光效应中如果压电材料采用压电陶瓷，则因在压电弹光效应中如果压电材料采用压电陶瓷，则因压电材料无法与光纤制作在一起，而不宜测量高压。压电材料无法与光纤制作在一起，而不宜测量高压。如果用高分子聚合物作压电材料，则有可能用来测量如果用高分子聚合物作压电材料，则有可能用来测量高压。高分子聚合物可作为光纤的外层与光纤合为一高压。高分子聚合物可作为光纤的外层与光纤合为一
7、体，只要这种形式的光纤足够长就可以解决耐高压与体，只要这种形式的光纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。测量高压的问题。第14页，共28页，编辑于2022年，星期三第15页，共28页，编辑于2022年，星期三833 BSO 晶体光纤电场传感器晶体光纤电场传感器 在高压系统电场的测量中，可以采用一在高压系统电场的测量中，可以采用一种电光晶体作为传感器探头置于高压系统中。种电光晶体作为传感器探头置于高压系统中。第16页，共28页，编辑于2022年，星期三将一束偏振光经光纤远距离传送到晶体前边的将一束偏振光经光纤远距离传送到晶体前边的14波片，使光变成波片，使光变成圆偏振光进人晶体；光束多次反复
8、地通过晶体后再由光纤传送回圆偏振光进人晶体；光束多次反复地通过晶体后再由光纤传送回来，进人光接收系统。晶体探头由于高压电场的作用，其双折射来，进人光接收系统。晶体探头由于高压电场的作用，其双折射特性将发生变化，从而使通过晶体的光束场受到调制，经过捡偏特性将发生变化，从而使通过晶体的光束场受到调制，经过捡偏器后输出的光强产生了变化由光接收系统即可检测出被测高器后输出的光强产生了变化由光接收系统即可检测出被测高压电场的信息。压电场的信息。第17页，共28页，编辑于2022年，星期三探头材料采用探头材料采用Bi12SO20(BSO)晶体。晶体。BSO是具有电是具有电光普克尔效应和磁光法拉第效应的晶体
9、，其温度光普克尔效应和磁光法拉第效应的晶体，其温度系数较小，故适宜做电压电流传感器，其折射率系数较小，故适宜做电压电流传感器，其折射率随电场变化的特性以及光纤组合的检测装置正在随电场变化的特性以及光纤组合的检测装置正在实用化。实用化。为了提高测量灵敏度，晶体探头可以做成多重通道为了提高测量灵敏度，晶体探头可以做成多重通道结构。如果在传感器部分外加电场就会得到与电场结构。如果在传感器部分外加电场就会得到与电场电压成正比的光强度信号。电压成正比的光强度信号。用上述传感器可测量架空输电线下的空间电场和测量用上述传感器可测量架空输电线下的空间电场和测量高压机器及附属装置的电场分布。还可应用于波动电高压
10、机器及附属装置的电场分布。还可应用于波动电压的测量，雷冲击波形等测量。压的测量，雷冲击波形等测量。第18页，共28页，编辑于2022年，星期三1BSO调制器晶体；调制器晶体；21/4 波长片波长片3检偏器；检偏器；4电压传感器测头；电压传感器测头；5多模光导纤维；多模光导纤维；6一光检测器；一光检测器；7运算器；运算器；8一输出信号；一输出信号；9一光源；一光源；10光耦合器；光耦合器；11起偏器起偏器第19页，共28页，编辑于2022年，星期三第20页，共28页，编辑于2022年，星期三84 光纤电流传感器光纤电流传感器 利用光纤检测电流可以采用金属被覆光纤利用光纤检测电流可以采用金属被覆光
11、纤的方法，也可以来用磁致伸缩材料被覆光的方法，也可以来用磁致伸缩材料被覆光纤的方法或利用法拉第效应和压电弹光纤的方法或利用法拉第效应和压电弹光效应。效应。第21页，共28页，编辑于2022年，星期三841 金属被覆光纤电流传感器金属被覆光纤电流传感器一、金属被覆多模光纤电流传感器一、金属被覆多模光纤电流传感器第22页，共28页，编辑于2022年，星期三二、金属被覆单模光纤电流传感器二、金属被覆单模光纤电流传感器 这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应而实现电流检测的。产生电阻热效应而实现电流检测的。这种传感器的突出优点就是灵敏度较高。
12、但被测电这种传感器的突出优点就是灵敏度较高。但被测电流与输出信号有二次函数关系。流与输出信号有二次函数关系。第23页，共28页，编辑于2022年，星期三 842 磁致伸缩效应光纤电流传感器磁致伸缩效应光纤电流传感器 利用磁致伸缩材料被覆的单模光纤可以利用磁致伸缩材料被覆的单模光纤可以作为马赫作为马赫泽德尔干涉仪的测量臂，在待测泽德尔干涉仪的测量臂，在待测电流的作用下，测量臂光纤中的光波产生了电流的作用下，测量臂光纤中的光波产生了相移。根据干涉仪的原理，相移将引起干涉相移。根据干涉仪的原理，相移将引起干涉条纹的移动，检测条纹的移动量即可反映条纹的移动，检测条纹的移动量即可反映出被测电流的大小。出
13、被测电流的大小。第24页，共28页，编辑于2022年，星期三第25页，共28页，编辑于2022年，星期三第26页，共28页，编辑于2022年，星期三843 法拉第效应光纤电流传感器法拉第效应光纤电流传感器从激光器从激光器3发出的激光束经发出的激光束经起偏器起偏器2变成线偏振光，再变成线偏振光，再经经10倍的显微物镜耦合到单倍的显微物镜耦合到单模光纤中去。为消除光纤中模光纤中去。为消除光纤中的包层模，把光纤浸在高折的包层模，把光纤浸在高折射率的油中。射率的油中。5是高压裁流是高压裁流导线，导线，6是绕在导线上的光是绕在导线上的光纤，在这段光纤中产生法拉纤，在这段光纤中产生法拉第磁光效应，使通过光纤的第磁光效应，使通过光纤的偏振光产生偏振面的旋转。偏振光产生偏振面的旋转。出射光由显微镜出射光由显微镜7耦合到袄耦合到袄拉斯顿棱镜拉斯顿棱镜8。经棱镜。经棱镜8把光把光束分成振动方向相互垂直的束分成振动方向相互垂直的两束偏振光，最后分别送人两束偏振光，最后分别送人探测器探测器9，计算器，计算器10及显示及显示器器11。第27页，共28页，编辑于2022年，星期三第28页，共28页，编辑于2022年，星期三