《電子技術(shù)應用》
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光纖電流傳感系統(tǒng)影響因素分析
來源：電子技術(shù)應用2013年第6期
魯懷敏1， 蔡李花2， 方海峰2， 劉 釗3
1. 沙洲職業(yè)工學院 機電工程系，江蘇 張家港 215600; 2. 江蘇科技大學 機電與汽車工程學院，江蘇 張家港 215600; 3. 同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201800
摘要： 基于法拉第效應利用瓊斯矩陣建立雙螺線管式光纖電流傳感系統(tǒng)的完整理論模型，對偏振分束器的透光軸夾角誤差、固有圓雙折射誤差、線性雙折射誤差等影響系統(tǒng)測量準確度的各種誤差進行仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：固有雙折射引起的傳感系統(tǒng)誤差最小，其次是偏振分束器的透光軸夾角誤差，線性雙折射引入的測量誤差最顯著。本文光纖電流傳感頭采用低雙折射光纖進行制作可以有效降低彎曲等因素帶來的線性雙折射。
中圖分類號: TM178
文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2013)06-0081-04
Influencing factor analysis of optical-fiber current sensing system
Lu Huaimin1, Cai Lihua2, Fang Haifeng2, Liu Zhao3
1. Mechanical and Electronic Engineering Department, Shazhou Professional Institute of Technology，Zhangjiagang 215600, China; 2. Mechatronics & Automotive Engineering School, Jiangsu University of Science & Technology, Zhangjiagang 215600, China; 3. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201800, China
Abstract： The sensing characteristic of optical-fiber current sensor is researched. Various error of affecting accuracy of system measurement is analyzed, such as transmitting axis angle error of polarization beam splitter, inherent circle birefringence error and linear birefringence error. Then, integrated theoretical model of double-solenoid optical-fiber current system is established making use of Jones matrix based on Faraday effect, the error source of which is studied by similation research on accuracy of sensing system measuring. It can be found that the sensing system error caused by inherent circle birefringence error is smallest and the second is the transmitting axis angle error of polarization beam splitter, with the best notable measured error brought by linear birefringence error. This dissertation adopts the low birefringent optical-fiber to reduce effectively the linear birefringence caused by optical-fiber bent.
Key words : optical-fiber current sensor; error; linear birefringence; low birefringent

    地鐵雜散電流的有效監(jiān)測能為地鐵雜散電流的腐蝕判斷及維護提供有力的依據(jù)[1]。隨著人們安全意識的不斷增強，對地鐵雜散電流的監(jiān)測提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的地鐵雜散電流監(jiān)測設備愈來愈顯示出其局限性，這就對新型的地鐵雜散電流監(jiān)測技術(shù)的探索和研究提出要求。光纖電流傳感技術(shù)的快速發(fā)展，特別是其具有良好的電氣絕緣性能、卓越的抗干擾能力及極快的頻響等特點使其具有極大的研究和應用前景，但其輸出信號幅值較小、光路設計和制造復雜又限制了其廣泛應用。隨著現(xiàn)代新光學材料、新光纖材料、新加工工藝的研究和應用，集成光學技術(shù)的不斷進步及光纖處理技術(shù)的發(fā)展為光學電流傳感器的應用提供了巨大的可能性[2-5]。

    本文研究的全光纖電流傳感器屬于偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器，其基本理論是Faraday效應。外磁場會導致光波發(fā)生偏振態(tài)的改變，這是Faraday效應的本質(zhì)。有許多種研究光的偏振及偏振系統(tǒng)的方法，瓊斯矩陣就是其中較為有效的方法之一。可以使用Jones矩陣來表示偏振系統(tǒng)中的各種偏振相關(guān)器件的特性?，F(xiàn)有大量報道對一些偏振器件進行了研究分析并通過解析求解出該器件的Jones矩陣[5]，但是都對瓊斯矩陣進行了簡化，也就是省略掉了其存在的公共相位這一項。本文對光纖電流傳感系統(tǒng)中的各個偏振器件的瓊斯矩陣進行了求解并分析各個器件的相位誤差對整個光纖電流傳感系統(tǒng)的影響，所以，對光纖電流傳感系統(tǒng)的各個器件的完整瓊斯矩陣進行了解析求解。


    光纖固有圓雙折射引入的偏轉(zhuǎn)角φT變化時，光纖電流傳感器響應隨法拉第轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖3所示，隨著線性雙折射引入的相位延遲的增加，導致傳感器響應趨于平緩，使系統(tǒng)靈敏度下降。且當線性雙折射引入的相位延遲>π/2時，傳感系統(tǒng)對法拉第轉(zhuǎn)角變化的響應明顯較小，當相位延遲π時，傳感系統(tǒng)響應基本為零。從圖中可知，當固有圓雙折射引入的偏轉(zhuǎn)角較小(θP≤π/60)時，對于某一法拉第轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)響應誤差較小，隨著夾角誤差θP的增加，系統(tǒng)響應誤差相應增大。


  
　    當系統(tǒng)存在一定的線性雙折射時，光纖電流傳感器響應隨Faraday轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖4所示。隨著線性雙折射引入的相位延遲的增加，曲線趨于平穩(wěn)，傳感系統(tǒng)響應靈敏度明顯下降。當線性雙折射引入的相位延遲增大到π時，傳感系統(tǒng)響應基本為零。
2.4 減小線性雙折射的方法

 


    從上述分析可以看出,線性雙折射引入的相位延遲對傳感系統(tǒng)靈敏度的影響最大。因此只要能夠有效減小或消除線性雙折射，其他影響因素就比較好處理。
     本文利用低雙折射光纖來降低線性雙折射引起的誤差，低雙折射光纖的幾何截面相對于普通光纖來說圓度比較好，而且其光軸與光纖圓度的軸線比較吻合。因此當利用該種光纖來傳輸一段相對較長距離的光波時，其線偏振光能較好地保持其偏振態(tài)。主要是因為低雙折射光纖中傳輸光波的兩個相互垂直的基模其傳輸速度基本上能保持一致，這樣即使傳輸一定距離后也不會產(chǎn)生相位差。
    經(jīng)過分析得到主要結(jié)論如下：
    (1)系統(tǒng)響應誤差隨偏振分束器的透光軸夾角誤差的增大而相應增大，系統(tǒng)響應隨固有圓雙折射誤差和線性雙折射誤差與透光軸夾角誤差發(fā)生同樣的變化。
    (2)與偏振分束器的透光軸夾角誤差和線性雙折射相比,固有雙折射誤差造成的系統(tǒng)誤差相對來說就小得多。
    (3)偏振分束器的透光軸夾角誤差和固有雙折射誤差對整個光纖電流傳感系統(tǒng)誤差的影響都與傳感光纖的線性雙折射有著十分顯著的關(guān)系。隨著傳感光纖線性雙折射誤差造成的相位差增大，偏振分束器的透光軸夾角誤差引起的系統(tǒng)誤差越明顯， 而固有圓雙折射誤差越不明顯。
    (4)傳感光纖的線性雙折射誤差是導致光纖電流傳感系統(tǒng)測量誤差的重要原因。只要有效控制線性雙折射誤差帶來的影響，則偏振分束器的透光軸夾角誤差和固有雙折射誤差就能相對比較好地進行控制。本文通過采用低線性雙折射光纖可以有效地降低彎曲等因素帶來的線性雙折射。
參考文獻
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[3] JOHN D R, DENNIS E D D, START ROBERT S. The  verification of rogowski coil linearity from 200A to greater  than 100 KA using ratio methods[J]. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，2002，2(1):687-692.
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[5] 郁道銀，談恒英.工程光學[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999:340-345.

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