（通信与信息系统专业论文）基于fabryperot干涉仪的光纤电流传感器的研究.pdf

华北电力人学硕 学位论文摘要 摘要 本文详细讲述了幽内外光纤电流传感器的发展现状，针对目前电力系统巾采片j 的传统电流测量设备所存在的问题，研究设计了一种新型的光纤电流传感器，传感 头的设计基于磁致伸缩效应，丁涉仪采用法布里一珀罗干涉仪结构，在实验室中成 功地测量了模拟的大电流，并分析了试验结果和试验误差。实验结果表明，该文设 计的传感器结构简单、灵敏度高、价格低、易于实际应用，在电力系统中有广泛的 应用价值。 关键词：相位调制、法布里一珀罗干涉仪、磁致伸缩效应 a b s t r a c t t h i st e x th a ss u m m e du pt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l f i b e r o p t i c e l e c t r i cc u r r e n ts e n s o r ，a i ma tt h eq u e s t i o ne x i s t e do ft h e t r a d i t i o n a le l e c t r i cc u r r e n tm e a s u r ee q u i p m e n ta t p r e s e n tt h a t e l e c t r i c p o w e rs y s t e m a d o p t ，s t u d i e da n dd e s i g n e dan e w k i n do f f i b e r o p t i ce l e c t r i cc u r r e n ts e n s o r s d e s i g no f s e n s i n g h e a di sb a s e do n m a g n e t o s t r j c t i v ee f f e c t ，t h e i n t e r f e r o m e t e r a d o p t s o f f a h r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e rs t r u c t u r e s u c c e e di nm e a s u r i n gt h el a r g ee l e c t r i cc u r r e n to f s i m u l a t i o ni nt h e l a b o r a t o r y , a n a l y z e d t h er e s u l to ft h et e s ta n dt e s tt h e e r r o e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e s t h es e n s o rt h a tt h i sa r t i c l e d e s i g nh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l e s t r u c t u r e ，h i g h - s e n s i t i v i t y , l o w p r i c e ，e a s y t o p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h e r e i s e x t e n s i v eu s i n gv a l u ei nt h ep o w e r s y s t e m a n y a q i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f i l iw e n t i a n k e y w o r d s ：p h a s em o d u l a t i n gm o d e ，f a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r , m 3 9 n e t o s t r i c t i v ee f f e c t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f a b r y p e r o t 干涉仪的光 纤电流传感器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：堑殖日期：主噬：! 、占 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑堑：! ti 导师签名影 日期：力西- 卜7 i l 电力人学硕十学位论文 11 概述 第一章引言 现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。信息技术 包括信息的获得、传输、处理和存储。传感器就是感知、获取、检测和转换信息的 重要工具。传感器技术是现代信息技术的重要内容，是2 1 世纪人们在高新技术发 展方面争夺的制高点之一。 光纤传感器是传感器家族的一支新秀，光纤传感技术是以光电子学器件为基 础，伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的。2 0 世纪7 0 年代中期，随 着实用化光导纤维和半导体激光器的研制成功，光纤系统发展到了实用阶段。在光 通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。但是，在实际的光传输过程 中，光纤容易受外界环境因素影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化 将引起光波参数( 光强度、光相位、光频率、光偏振态等) 的变化，其本身就可以 构成种新的直接交换信息的基础。同时，人们发现如果能够检测出光波参数的变 化就可以知道导致这些光波参数变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小， 于是出现了光纤传感技术。这种光纤传感技术也被认为是现代检测技术的发展方向 之一1 。 1 2 光纤传感器的分类及发展趋势 1 2 1 光纤传感器的特点 光纤传感器从7 0 年代起，经过了2 0 多年的发展已经有了长足的进步，并 且已经研制成功了种类繁多的光纤传感器。光纤传感器与传统的传感器相比主 要差别在于：传统的传感器是以应变一电量为基础，以电信号为转换及传输的 载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制和影响。而光纤传感器 是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号。它具有很多独特的优点 ： ( 1 ) 不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生 作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，使其特别适合于电力系 统； ( 2 ) 绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶f j 导电，很方便测量带高压电设备的各种参数； ( 3 ) 防爆性能好，耐腐蚀。由于在光 f 内部传输的是能量很小的光信息， 华北电力大学硕f ：学位论文 不会产生火花、高温、漏电等不安全刚素，冈此，光纤传感器是安全性能好， 适合于强腐蚀性对象的参数测量： ( 4 ) 导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略 不计： ( 5 ) 光纤细而柔软，可支持非常小巧的光纤传感器用于特殊测量对象及场 合： ( 6 ) 光纤传感器的载体是光波，其频率数量级为1 0 “l l z ，从而使传感器频 带范围很宽，动态范围很大； ( 7 ) 灵敏度高。光纤电流传感器灵敏度高，分辨率高是电磁式电流互感器无 法比拟的。如用块状玻璃传感元件制成的电流传感器，它的灵敏度为 2 2 1 1 0 。r a d a ，分辨率为7 2 m a h ，。 ( 8 ) 便于和计算机连接，实现多功能、智能化 光纤电流传感器还可以与未来的光计算机、光信息系统、光接口等先进技术设 备兼容，实现更高级的电流信息处理”。 1 2 2 光纤传感器的基本工作原理及分类 光纤传感器的基本原理：当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量( 如强 度、波长、频率、相位、偏振态等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位 移、转动等) 的作用会直接或间接地发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得 到作用在光纤外面的物理量的大小，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理 量。 光纤传感，包括对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所峭感知，是 指外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如强度( 功率) 、 波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的 变化。这种感知实质上是外界信号对光纤巾传播的光波实施调制。所消传输，是指 光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取 出来并按照需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调 两个方面的技术，即外界信号( 被测量) 如何调制光纤中的光波参量的调制技术( 或 加载技术) 及如何从已被调制的光波中提取外界信号( 被测量) 的解调技术( 或检 测技术) ”。 光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。从光 纤作用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器。非功能型传感器中光纤仅起到 传光的作用：而功能型传感器中光纤既起到传光的作用又起到传感的作用。在耳前 7 r 发的高精度、高分辨力及结构小型化的传感器中多以功能型传感器为主。从光调 制方式角度分类，主要有光强调制型、偏振调制型和相位调制型。随着科学技术的 2 华北电力人学硕士学位论文 高速发展，对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此偏振调制型和 相位调制型传感器是目前研究和丌发的主要刈象。小文设计的光纤电流传感器就是 相位调制型光纤电流传感器。相位调制型光纤传感器的原理是利用外界因素引起光 纤中的相位发生变化，以此来探测各物理量。 123 光纤电流传感器的发展趋势 近年来，随着科学技术的飞速发展，电子与通讯产品向高精度、小型化发 展，对传感器提出了更高的要求。 ( 1 ) 全光纤小型化。近年来传感头全由光纤构成且只用根光纤已成为发 展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠。目前光纤之间熔接损耗为0 1d b 左右，这样的损耗不影响传感头的j f 常工作。但目前光纤之间的粘接技术及光 纤端面抛光、镀膜等相关技术还有待进一步研究。 ( 2 ) 多参量智能化。它是指一个传感器可以同时测量多个参量，这样既可 减少测量装置的元件，又提高了测量精度，为此近年来多参量传感器的研究备 受关注，很有发展前途。 ( 3 ) 高精度实用化。高精度传感器是科学技术发展的需要，实用是研究的 目的。光纤传感器在研究过程中各组成元件都线性理想化，与1 实际有+ 定差距。 为此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实用阶段的基础。 1 3 国内外研究进展 由于光纤电流传感器的高绝缘性和强抗电磁干扰性等优良性能，其研究对电力 系统的参量测量具有重要学术价值和重大经济效益，因此，有关适用于电力系统的 光纤传感技术的研究受到越来越多的人们的重视。近些年来，许多用于光纤电流传 感器的方案被提出和实验，并且一些研究已经取得了显著的效果。 1 3 1 国外光纤电流传感器研究概况 在二十世纪六十年代国外就开始利用法拉第( f a r a d a y ) 效应从事电流传感器的 研究工作，到八十年代和九十年代初光纤电流传感器就已初具商品使用价值，现据 有关资料统计，目前大约有2 0 0 0 多台光纤电流传感器已经挂网试运行，有的公司 已形成正规产品，在5 0 0 k v 系统中投入运行，如美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了光纤电流传感器专题研究小组，且研制成功了1 6 1 k v 光纤电流传感器， 且在1 9 8 9 年至1 9 9 2 年又成功的研制了最高工作电压为3 4 5 k v ，测量范围为2 0 2 0 0 0 a 的光纤电流传感器，且挂网运行成功1 。“。 i 9 9 1 年6 月a 8 b 电力有限公司公布了用于计量和继电保护用的3 4 5k v 电站的 光纤电流传感系统，并在运行4 个月后与标准电流互感器比较，误差仅为0 4 。到 华北电力人学硕士学位论文 1 9 9 4 年a b b 公司不仅拥有多种电压等级的交流数字光电式电流传感器，而且也有了 直流数字光电式光纤电流传感器，并且征多个地区挂网运行”1 。 日本也于1 9 8 1 年起组织了五大电力公司对光纤电流传感器的理论、材料、性 能等进行了研究。日本的东方电气公司与东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月研制的s i s 设备用的光纤电流传感器与电压一：感器安装在制造厂的条件下长时问 运f i 试验，一直能很好的运行。更有r f 本的三菱公司在它的1 0 0 0 k v 特高压系统的 g i s 组合电站的设计配套中明确列出它的测量系统采用光纤电流传感器的测量系统 i ：1 0 1 3 ，2 国内光纡电流传感器研究概况 国内在光纤电流传感器方面的研究始于八十年代，总的来讲，国内无论是从技 术角度还是研制情况都要比国外落后，至今见诸于公开报道的挂网运行的仅有i 家。最早对该产品进行研究的是沈阳变压器，一和四平电业局共同研制的l 】o k v 光纤 电流传感器于八十年代在四平电业局挂网试运行，但后来又拆除。再就是由清华大 学和中困电力科学研究院，利用国家自然科学基金共同研制的1l o k v 光纤电流传感 器。它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网运行，运行情况未见详细报道。第三家进 行挂网试运行的研制单位是华中理工大学与广东新会供电局，它们r - 1 9 9 3 年i2 月 3 1 日在广东省新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行。在1 9 9 4 年通过原电力部 鉴定，对外公布的技术指标为额定电压l1 0 k v ，额定电流l o o 3 0 0 a ，挂网至今运 行萨常。 国内所研究并挂网运行的光纤电流传感器都是利用法拉第效应，在理论探讨方 面，哈尔滨工业大学对利用法拉第效应用于高压光纤电流传感方面进行了较全面的 讨论和研究，福州大学等单位是用空心线圈对高压电流进行检测，再用红外线发射 接收方式对高压电流进行测量，该方法也是一种另外形式的光纤电流传感器。重庆 大学、燕山大学等几家单位在对光纤电流传感器的研究方面也都有类似的文章公丌 发表。 1 4 课题研究的内容 本课题为自选题目，研究内容为设计了一种基于f a b r y p e r o t 干涉仪的新型光 纤电流传感器。本文深入的研究了光相位调制及解调的基本原理，并设计出r 一种 干涉式的光纤电流传感器。试验结果证明，由此建立的电流传感器结构简单、灵敏 度高、更易于实际应用，并且具有较宽的线性范围。为电流系统中测量高压端电流 提供了一种切实有效的方法。 水课题研究的主要内容： 第一章，简要介绍本课题研究的学术背景，光纤传感器的分类及发展趋势，着 4 华北电力人学硕十学位论文 重叙述了各类相位调制型光纤传感器。最后说明了作者所做的工作：第：章，对光 的干涉条件做了简单介绍，详细叙述了相位调制型光纤传感器的相位调制原理和相 位解调原理，并对各种光纤干涉仪的原理和结构做了详细介绍；第三章，确定了光 纤电流传感器的相应相位调制和相位解调方案，分别选取了磁致伸缩效应调制方案 和直接检测解调方案；对传感头部分和f p 干涉腔部分的材料做了选取和具体设计： 第四章，对光纤电流传感器的系统构成和工作原理做了简单介绍，并对整个光路系 统的搭建、电子电路部分的设计等方面做了详细的论述，并给出了实验数据及系统 噪声和误差分析；第五章，总结全文。 华北电力人学硕f ：学何论文 第二章传感器的相位调制与相位解调原理 2 1 光相干条件 两列光波叠加在一起能产生下涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉 现象，为产生干涉现象，它们必须满足一定条件，这条件就是光的相干条件。 ( 1 ) 各于涉光束的偏振方向相同，频率相同； ( 2 ) 各干涉光束之间要有固定的相位差： ( 3 ) 干涉光束在相遇点所产生的振幅相差不悬殊； ( 4 ) 干涉光束在相遇点的光程差不能太大。 条件( 1 ) ( 2 ) 是产生干涉现象的必要条件，而条件( 3 ) ( 4 ) 可认为是获得 干涉现象的补充条件，在干涉仪光纤传感器中，干涉光束，般从一个光源发出，故 可保证频率一致。当光路固定后，固定的相位差和相差不悬殊的光振幅也能保证。 条件( 1 ) 中的振幅方向相同，意味着在干涉点干涉光束只有偏振方向相同才能产 生干涉现象，这需要在光路采取措施。另外，条件( 4 ) 说明干涉式光纤传感器的 光源相干长度必须大于干涉光束的光程差，才能产生干涉”。 2 2 相位调制原理 相位调制光纤传感器的基本原理：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光 波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位转换为光强变化，从而检测出待测量的 物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理睦波、折射率及其分布、波导横向几何 尺寸所决定，可以表示为k 。”三，其中k 。为光在真空中的波数，n 为传播路径上的折 射率，l 为传播路径长度。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上 述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。但是目前的各类光探测器 都不能敏感光的相位变化，必须采用干涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测 2 n 在相位调制型光纤传感器中，相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中， 以敏感光纤作为相位调制元件。敏感光纤置于被测能量场中，由于被测能量场与敏 感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的调制。下面具体讨论引起敏感光纤中光相 位调制的几种物理效应。 221 应力应变效应 当光纤受到纵向( 轴向) 的机械应力作用时，光纤的k 度、，卷桦纤芯折射率都 要发生变化，这些变化导致光波的相位变化。 6 华北电力火学硕十学位论文 光波通过长度为l 的光纤后，出射光波的相位延迟为 西= 兰生l 一阢( 2 1 ) 兄 式中，f l = 2 1 z 兄为光波在光纤中的传播常数，丑= 丑。”是光波在光纤中的传播波长， 五是光波在真空中传播波长。那么，光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写 出如下形式 庐：p a l + 上筇：肛竽+ 上娑”+ 譬口 ( 2 _ 2 ) lu n0g c 式中，a 为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟( 应变效应) ； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟( 光隙效应) ；第三项则表示光纤的半 径改变所产生的相位延迟( 泊松效应) 。 根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变s ，有如下 关系式 a b l k b 2 毋 k b 4 a b 5 k b 6 p l lp 1 2 p 1 2p i l p 1 2p 1 2 00 00 0o p 1 2 00 p 】2 00 p l 】0 0 0 p “0 00 p 4 4 000 ( 2 一： ) 式巾，p ，p 】2 ，p 。是光纤的光弹系数，其中p 4 4 = 0 。一p t 2 ) 2 ；q 和乇是光 r 的 横向应变；s ：为光纤纵向应变。 因j , j 曩= a ， 所以 幽。= 一妻”；曲i ( f = l ，2 ，3 )( 2 5 ) 假设光纤芯为各项同性材料，有= 岛，且n 。= ”：= n ，= n ，则有 啊= 一寻一3 ( b ，+ a ：) 曷+ 岛：岛 ( 2 6 ) n ：= 一；1n 3 ( p 。，+ 只：) s 。+ 只：毛 ( 2 7 ) n ，= 一1 1 2 p , 2 + p 1 1 】 ( 2 8 ) 1 纵向应变引起的卡h 位变化 在式( 2 - 2 ) 中，此时第三项比f i i j - 两项小的多，可以忽略。日设卢= n k 。 妒o n = k o = 2 x 凡，毛= a l l ，则 q 龟毛0 o 0 voooooooooooooo几 o o 0 o o 艮 华北电力人学颂十学位论文 西= k o n l e 3 + k o l a n 只有纵向应变时，g ，= = 0 ，由f 光纤中光的传播是沿着横向偏振的 射率的径向的变化，将式( 2 - 7 ) 代入式f 2 - 9 ) 得 庐= i 1 k o l ( 2 一h 2 p ：) 岛 ( 2 9 ) 仅考虑折 ( 2 1 0 ) 2 径间应变引起的相位变化 此时岛：0 ，对于轴向对称的径向应变q ：岛：a a ，考虑泊松效应时，由式( 2 9 ) 得相位变化 庐= 一i 1 r l 雎3 ( 日1 + p 1 2 ) ( 2 一l i ) 3 光弹效应引起得相位变化 此时纵、横向效应同时存在，将式( 2 6 ) 代入式( 2 9 ) 得相位变化为 = n k s ，一丢n 2 ( p n + p ，2 ) s 。一圭n2 p ，：s ； ( 2 - 1 2 ) 4 一般形式得相位变化 当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短；纵向应变为伸k ，两者符号相反，符合虎 克定律 阱v 弦 式中，y 为常数，称为泊松比，i f l 8 1 一屯。 则式( 2 - 2 ) 成为 妒嘶一扣一r ) p ，z - v p n 卜口v 拳( 2 - 1 4 ) 下面推导光纤巾传播常数应变因子得表达式。光纤的纵截面如图( 2 1 ) 所示。 图2 1 光纤波导的纵截面图 设光在界面上能产生反射，且光纤的波导模数为m ，那么模数与光纤波导直径的关 系可表示为 ! 兰些皇塑丛堂塑主：兰堡堡塞 2 “c 。s 口= 三， ( 2 一1 5 ) 传播波导的波长为 飞2 s i n 0 ( 2 1 6 ) 此时光纤直径的变化将改变光纤波导的波长，把式( 2 1 5 ) f 2 ) k a p a 口式得 署一虿2 7 r 石a , t 一署等嚣= 等( 等) 2 f 齑去 c z 哪， a a 鬈。甜麓a 臼a 口五l4 口r ，_ _ _ 汗了i 0 2 _ l 把式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 4 ) ，可得一般形式 妒雌1 - 1 n 2 ( 1 - v ) p , 2 - v p , 1 - v 对单模光纤，m = 1 ，则有 矿=”1-一三”2c c t v ，p ，： r 丑、2 叩“j 叫【石j 塑1 2 1 “2 2 口 l 4 a j ) h 捌”2 口 对硅光纤，v 。0 1 7 ，p j 】= 0 1 2 6 ，n 2 = 0 2 7 4 ，a = 4 5 m ，n = 1 4 5 8 ，且采用波长无 5 1 3 卢m 的激光器，把这些数据代入式( 2 1 9 ) 得 妒2 n k o ( 0 7 8 1 2 0 8 7 x 1 0 。4 ) a 三= 5 4 9 9 x 1 0 6 ( m d )( 2 2 0 ) 由式( 2 - 2 0 ) 可以看出，由泊松效应引起得相位变化仅为总萤得0 0 2 6 ，即存单模光 纤中该项可忽略，式( 2 1 9 ) 变为 f ) = n k o 三 l 一弓1 , 2 ( 1 一v ) 已：一”b 。 屯：掣 ( 2 2 1 ) o j“ 善= 1 一音h2 ( 1 一v ) p ，：一v p 。 ( 2 2 2 ) 式中，掌称为光纤应变系数，式( 2 2 1 ) 就是单模光纤常用得应变公式。对于多模光纤， 泊松效应占较大得比例则必须用武( 2 1 8 ) 。 2 22 温度应变效应 温度应变与应力应变效应相似。若光纤放置在变化得温度场中，并把温度场变化等 效为作用力i i 时，那么作用力f 将同时影响光纤折射率n 何长度l 的变化。由f 、引起光 9 华j 匕电力人学顶七学位论文 纠中光波相位延迟为 箬= 舭( 嘉) 坻l ( 尝) = 啦( 嘉+ z n 万d l ( 2 - 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中第一项表示折射率变化引起的相位变化：第二项表示光纤j l f u 1 长度变化引 起的相位变化，式巾没有考虑光纤直径变化对相位变化的影响。若式( 2 - 2 3 ) 用温度变 化a t 和相位变化描述，则有 筹= k 等+ n ( 券 c z 埘， 由于光纤中光的传播是沿横向偏振，仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为 筹：三塑+ ”上丝：上骞+ 上 毛一三”z ( h + n ：) s 1 + p t2 8 3 (2_25)t弛nd tld t i la ，a ti 2 “ 。j 式中，s ，和岛与应力应变的物理意义相同，且应变毛、s ，光纤材料性质有关。 2 3 光纤干涉仪 光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉 型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成卡h 位调制任务，_ t 涉仪完成 相位一光强的转换任务。 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或者多束相干光。例如，设有光振幅 分别为a 和4 的两个相干光束，如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制， 则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为 a 2 = a ? + + 2 4 4 c o s ( a _ ( o ) ( 2 2 6 ) 式巾，妒是相位调制引起的两相干光之间的相位差。如果检测出干涉光强的变化，则 可确定两束光间相位的变化，从而得到待测物理量的大小。 下面将介绍几种常用的光纤干涉仪【2 ”。 2 3 1 马赫一曾德( m a c h - - z e h n d e r ) 干涉仪 马赫一曾德干涉仪的结构如图2 2 所示。 即) 图22 光纤马赫一曾德干涉仪 1 0 华北电力人学颂士学位论文 激光器发出的相干光通过3 d b 耦合器分成相等的光束，一束为信号臂，另束为参 考臂。外界信号s ( t ) 作f e | j 于信号臂。第一二个3 d b 耦台器再把两束光耦合，再分成两束光 经光纤传送到光探测器。 根据双光束干涉相千原理，两个光探测器接收到的光强分别为 i i i = ，0 ( 1 + 口c o s 0 ) ( 2 - 2 7 ) z 1 ，2 = 。( 1 一口c o s 以) ( 22 8 ) 式中，。激光器发出的光强； a 一耦合系数； 以一信号臂与参考臂之间的相位差，其中包括外界信号s ( t ) 引起的相位 差，通过适当的信号处理电路能将s ( f ) 从光强中调解出来。 2 3 2 塞格纳克( s a g n a c ) 干涉仪 塞格纳克干涉仪结构如图2 - 3 所示。 a 光 ( b ) 原理 束 图2 3 塞格纳克干涉仪 激光器发出的光由3 d b 耦合器分成l ：1 的两束光，将他们耦台进入个多匝 ( 多环) 单模光纤圈的两端，光纤两端出射光经分束器送到探测器。 设圆形闭合光程半径为r ，有两列光，沿相反的方向传播，当闭合光路静止时， 两光波传播的光路相对惯性空间以转速q 转动时( 设q 垂直于环路平面) ，这时对 于顺、逆时针传播的光将产生一非互易性的光程差即： l = 2 石足+ a l = 2 丌r + r q t ( 2 - 2 9 ) l e o 。= 2 x r a l = 2 石r 一只q f ( 2 - 3 0 ) 式中，仁2 1 r r c 为光波沿光路传播一周所需时间。冈此，在一圈光纤上，两干h 反 传播的光波之间的时间差为 扛生一纽：竺( 2 3 1 ) ccc 式巾，c 为光速；a 为光纤圈所围的面积。如果现有n 个棚同的光纤圈，其光程差 华北电力人学硕l 学侮论文 和相移变化分别为 址：c 州：竺堕 矿：2 丌竽：_ 8 ；c a n q l c ( 2 - 3 2 ) ( 2 3 3 ) 式中，五为激光波长。因此，利f e 光的干涉原理测出砂后，既能求出转速q 之值。 塞格纳克干涉仪的最典型应用就是光纤陀螺。 2 33 迈克尔逊( m i c h ls o n ) 光纤干涉仪 图2 2 是光纤迈克尔逊1 二涉仪的调制原理。 反射光纤端面 图2 - 4 光纤迈克尔逊干涉仪 激光器发出的光束被3 d b 耦合器分成两路入射到光纤，一路到达固定的光纤反射面， 成为参考臂，另一路到达可动光纤端面，成为信号臂。光从末端反射回来并经耦合器输 出到探测器。如果外界信号s ( f ) 作用于信号臂，则在两臂之间产生光程差，通过探测器 就能知道其大小，从而确定s ( f ) 。迈克尔逊干涉仪两臂的光程差是彼此独立的，因而可 以分别对两臂的光采用相位和偏振态的补偿方法。与马赫曾德干涉仪类似，探测器收 到的光强为： 1 ：1 0 ( 1 + c o s 却)( 2 3 4 ) 2 式中，毋丽臂相位羞，其中包括s ( f ) 引起的相位差。 23 4 法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 干涉仪 图2 5 为光纤法布旱一珀罗干涉仪的结构图。 、 部分投射反射镜 图2 5 光纤法向罩一珀罗i 涉仪 华北电力大学硕 ：学位论文 激光器发出的光出光纤经过透镜进入设有高反射率( 一般为9 5 以卜) 的反射镜 或直接镀有高反射膜的腔体，使光束在两反射镜( 膜) 之间产生多次反射以形成多光束 i j 涉，再经探测器探测。根据多光束干涉原理，其输出光强： 扣南南 式中，n 入射光强； r 镜面的反射率： 两相邻光束的相位差 ，精细度。 f ：旦 ( 1 一只) 2 ( 23 5 ) ( 2 - 3 6 ) 庐= ( ) n d c o s 0 ( 2 3 7 ) 式中，”腔内介质折射率； p 腔体内光线与腔面法线的央角( 即入射光再腔内的折射率) ； d 两镜面之间的距离。 由上式可知，当反射镜的反射率r 值一定时，透射的干涉光强随毋变化。当莎= 2 h a - ( ”为整数) 时，干涉光强有最大值，o ；当庐= ( 2 n + 1 沙( n 为整数) 时，干涉光强有最 小值( 芒妄) 2 厶。可见，反射率r 越大，干涉光强变化就越显著，即有高的分辨率，这是 法布罩一珀罗干涉仪最突出的特点。通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪 的分辨率，从而使干涉测量有极高的灵敏度。 本课题就是选用了法靠里一珀罗干涉仪来进行测量的。 2 4 解调原理 2 4 1 相位解调原理 首先研究一下幅度调制信号的解调。图2 - 6 为强度型光纤传感器中的输入与输 出的关系。传感器的光输入和时间的关系如图( b ) 所示。在传感器中，由基带输 入信号墨的振幅调制光源输入，。，从而产生个图( c ) 中曲线所示的输出信号。 最后，传感器的振幅调制光输出信号被光检测器接收，使光检测器产牛个振幅调 制的电输出信号，如图( d ) 所示。 华北l u 力大学硕l 学位论文 煳l m 图2 6 强度型光纤传感器中的输入与输出的关系 由于光的频率一般约为1 0 ”地，光检测器不能响应这样高的频率，也就是不能 跟踪以这样高的频率变化的瞬时值，因而相位调制不能直接被探测到。为了达到相 位探测的目的，在探测之前应该用干涉测量技术把相位调制转换成振幅调制，将相 位解调转换成强度解调。 在如图2 7 里上图所示的长度为l 的光纤，从左端面输入波长为 的光波，以 光纤入i s l 平面为基准在右端面测得的相位角。为 妒= 2 e r l 2 = 2 z n l 己气 ( 2 - 3 1 ) 此处，九是真空中的光波长，一。是光纤芯的折射率。如果l 和九用同样的单位表示， 则妒的单位为弧度。如果光纤的k 度变化，如图2 7 所示，那么干闩对于入口的固 定平而，光纤右端面的相位角变成 妒+ 9 = 2 r c n l 址+ l ) 凡 ( 2 3 2 ) 这罩假定跃度变化期间整个光纤巾的 值没有发生任何变化。这假定在很多情况 下接近于实际情况。 ol 图2 7 光波通过长度为l 的光纤并伸长的相位变化 1 4 华北电力人学硕士学位论文 图27 的光纤为f p 十涉仪测量臂中的同一根光纤在受到外加物理场作用下的 变化情况。光波被送入这根光纤的左端，则最初光纤的输出是崩定相位的，如果图 27 所示光纤的长度由于外加物理场的作用下而伸k ，那么干涉仪内反射腔的光波 的相位就要发生变化，存发生多光束t _ 涉的情况下，干涉仪输出光强度也将随之发 生变化，直到光纤的长度伸艮五2 ，即相移增加7 弧度时达到极小值。此时，如果 这根光纤继续伸氏，那么输出幅度将增加，直到光纤的长度再伸氏丑2 ，即再增加，r 弧度相移时，回到极大值。放置在光纤端部的光监测器检测到的电流示丁图2 - 8 的 左边曲线中。右边曲线为相对相位变化的灵敏度变化曲线，由图可见，当妒等于z 2 的奇数倍时，灵敏度为最大。 奉灵敏度( d l d a o ) 陵： 卜f 万习赢 图2 - 8 光探测器的电流和灵敏度变化曲线 对于比波长小得多的长度变化( 或者更准确地说是相位变化) ，例如，1 0 “弧 度的探测。此时，任何大的振幅漂移( 变化) 都会大大地增加测量小的变化的困难。 必须用补偿器将振幅漂移加以补偿，若所研究的信号如图2 - 9 所示，为一小振幅扰 动，相位变化为+ 1 0 。的连续( 正弦) 信号分别加在o 。和9 0 。的偏置点上。把相f 讧( 输 入信号) 振动图解地投影到实线上，由其变化轨迹在纵向的投影上可以得到合成输 出电流的振幅。在9 0 。时合成电流的振幅大，并且与输入信号的频率相同，而在o 。偏 置点上，基波成分变为零而只留下很小的二次谐波成分，电流振幅变成最小值。这 个过程称为衰落。9 0 。偏置条件称为正交，这种检测方法称为零差检测。 嚣 。 “。i 、铲 誉k 霎； i 角l o 图2 - 9 光纤零差检测在o 。偏置和9 0 。偏置时的合成电流 1 5 华北电力人学硕l - q , 位论文 第三章光纤电流传感器调制及解调方案的确定 3 1 相位调制方案确定 研究光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，即研 究光被外界参数调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长( 颜色) 、频率、相位、 偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。光纤传 感器的调制区可能是光纤本身( 内部调制) ，也可能是其他材料制成的敏感元件( 外部 调制) 。但就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还 是外部调制都是一样的。”3 。 本课题中的传感器中传感臂的设计就是选用了磁致伸缩效应的这种外部调制进行 了电流测量。下面就具体介绍一下这种物理效应。 3 11 磁致伸缩效应 1 、磁致伸缩效应的概念 磁致伸缩效应( m a g n e t o s t r i c t i o n ) 是指一切伴随着强磁性物质的磁化状态面产生 的大小和形状的变化，同时也包含由应力产生的磁化状态变化，磁致伸缩效应也町成为 ，1 。义磁致伸缩效应。 光纤电流传感器正是利用这种效应，用被测电流产生的磁场来改变磁性体材料 的长度变化，从而带动光纤的伸缩，达到相位调制的目的。 2 、磁致伸缩材料 磁致伸缩材料大致可以分为三类：金属磁致伸缩材料，铁氧体( 非金属) 磁致 伸缩材料和巨磁致伸缩材料，如金属玻璃( m e t g l a s s ) 、铁镍合金、铁酸镍等。 3 、基于磁致伸缩效应的相位调制的基本结构 用磁致伸缩材料构成的相位调制器通常有i 种结构：( a ) 将裸光纤贴于棒状材 料上( 带状结构) ；( b ) 将光纤缠绕在磁致伸缩圆柱体形材料上( 心轴式结构) ；( c ) 用磁致伸缩材料薄膜构成光纤的套层( 被覆结构) 。 4 、基于磁致伸缩效应的相位调制的基本原理 本课题中选用的磁致伸缩材料是铁镍合金筒，以心轴式结构来说明其原理，如图3 一l 所示。设导体放置在磁环中心，所载电流为i ( f ) 。所以，由环路定律可知磁环内某点的 磁场强度为： h ：盟 ( 3 1 ) 2 厅， 当u 一r r 时，可以近似认为磁环内具有均匀磁场，即： 6 华北电力人学硕学位论文 ( ：j 一2 ) 图3 - 1 磁致伸缩效应的传感头结构图 设光纤在铁镍合金筒上均匀缠绕n 匝，它所占有的高度为h ，且光纤所产生的 个径向压应力l 均匀地作用在铁镍合金简的整个外筒，为了推导光纤的径向压应 力疋，我们引入了一个描述光纤在铁镍合金筒上单位面积上张力效应的等效压力：。 这个力是铁镍合金筒没变形前初始状态的平衡力。在平衡状态下，张力z 要用铁镍 合会筒内部向外应力t 补偿。在整个铁镍合金筒的高度h 上产生的垂直于表面的力 为 厂= 2 h j r r , l(3)_ 3 这个力要等于所有光纤的张力2 l n ，( n ，为光纤的匝数) ，所以 i = 鲁l 。 ( 3 _ a ) 筒得圆周变量a c 使缠绕它的光纤产生一个张力变化颐， 他及光纤的刚度k 。有关，有 颤= 七m a l l = a c c 式中，铁镍合金筒的光纤长度； c 铁镍合金筒的周长。 如果在光纤和筒之间没有滑动产生，则有l = 缸c 。 在磁场作用下，铁镍合盒筒圆周发生的长度变化为 缸乏吲一号掣弓+ 击舭 由此可求出光纤得长度应变为 ， i ，= a r c 它与光纤的应变 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 0 7 ) 盟机 亭 ! ! ! ! 生垄查兰堡! ：堂堡笙壅 可以得出由磁致伸缩效应产生的光纤长度应变为 了a l = 了a c = 嵩1 = 丽a 扛钳! ( 3 _ 8 ) 工c ( + 彳吖) ( 1 十v )4 仃2 ( 1 + m ) ( 1 + v ) 一 巳，= 。o ( 3 - 9 ) 式中，厶是常数，其内部参数代表磁环；k 。是磁致伸缩光纤负载系数，v 是磁致材 料的泊松比。式( 3 - 8 ) 表示被测电流i ( t 1 与光纤应变舡儿的关系，它是铁镍合会 筒把电流转为相位的模型关系式。 3 1 ，2 传感头的设计及f p 干涉腔的设计 本实验的传感头是利用磁致伸缩效应，用被测电流产生的磁场来改变磁致伸缩 材料的大小，从而带动光纤的伸缩达到相位调制的目的。磁致伸缩材料采用铁镍合 金筒，将一段光纤跳线浸于二甲基乙酰胺的溶液中两个小时左右，去掉光纤塑料套 层，然后把去掉套层和保护层的裸光纤紧紧缠绕在一个铁镍合金圆柱筒上，以此来 充当f p 干涉腔，本实验总共缠绕了9 圈，并用5 0 2 胶粘在外壁上。被测电流穿过 圆柱筒中心，由于实验条件有限，无法获得较大的电流，所以把被测导线纵向缠绕 在圆柱筒上，从而模拟大电流：再把若干匝导线也以同样方式缠绕在圆柱筒上，用 束产生直流偏置磁场。 f p 干涉腔的反射点的获取：本课题中，干涉腔采用了光纤跳线，使用法兰盘来固定 光纤跳线，来组成光路系统。在两段跳线的活接头连接处的位置，即在法兰盘的内部放 入了镀铝薄膜来做为f p 干涉仪的反射点。通过实验测定，符合了法布里一珀罗干涉仪 的性能要求( 反射率达到9 5 以上) 。 铁镍合金圆柱筒的参数如表3 一i 所示： 参数符号数值 内径，m r 】0 0 2 7 5 外径，m r 20 0 4 2 5 筒高，m ho 0 2 杨氏模量，p a u1 5 1 0 ” 泊松比 u o 3 3 表3 一l 铁镍合金圆柱筒参数 把上述参数代入式( 3 - 9 )可以求得 g ，= 2 ，4 2 4 x 】0 “m 2 a 2 巳，= 4 5 1 3 x l 4 a i8 ： 一1 0 ) ( 31 1 ) 华北电力人学硕十学位论文 因此，式( 3 - 8 ) 成为 址三：45 l3 x 1 0 - 1 4 f 2( ： 一1 2 ) 由于磁致伸缩材料的磁致伸缩曲线不是各个地方都是线性的，所以，为了使传 感器有很好的线性，必须使磁致伸缩材料工作在其线性区内。为了达到这一条件， 必须给磁致伸缩材料加一定的磁场偏置。在本文中采用的是在铁镍合金筒上缠绕n 匝导线，在导线上加载一定的直流电流，即加载偏置电流末实现的。n 匝导线产生 的磁场为h = n i ，由公式可以看出，在得到相同的磁场强度时，可以通过提高导线 的缠绕匝数而减小偏置电流。这样，在高压端给磁致伸缩材料加磁场偏置时，对电 流的要求变小，一般可以实现。 设i = 1 d c + i a f ，而且，d 。口k ，则式( 4 - 2 4 ) 为： l = 4 5 1 3 x 1 0 _ 1 4 坛c + 2 x 4 5 1 3 x 1 0 4 ，d c c + 4 5 1 3 x 1 0 4 艺c ( 313 ) 式中第一项为直流偏置项，第二颈为基频分量，第三项为倍频分量。其中的基频分 量就是我们要提取的检测信号，由于 l d c = j 。s i n f ( 31 4 ) 所以基频分量与l s i nc o t 成正比，可以用带通滤波器提取出来。 3 2 解调方案的确定 321 解调方法的分类及选取 把光波所携带的光信息以电信号的形式检测解调出来，这个过程就成为光电信号的 检测。光电信号的检测方式可分为两种： ( 1 ) 直接检测方式：指的是光电系统直接响应光辐射的强度，不涉及光辐射的相 干性质，因此又成为非相干检测。 ( 2 ) 外差检测方式：指的是光电系统响应光辐射的相干场，能够给出光波的振幅、 频率和相位等信息，故又成为相干检测。 本试验中就是选用了直接检测方式来完成光信号的解调的“。 3 22 直接检测 直接检测，是将待测光信号直接入射到光探测器的光敏面上，光探测器响应丁光强 度而输出响应光电流或光电压信号。光直接检测系统构成框图如图所示： 图3 - 2 直接检测系统图 光电探测器输出的的电信号通常都是非常小的，对于弱光信号的检测，多为微伏嚣 1 9 华北电力