Magneto-Optic Fiber Bragg Gratings with Application to High-Resolution Magnetic Field Sensors

Magneto-optic fiber Bragg gratings （MFBG） based on magneto-optic materials have a lot of potential applications for sensing and optical signal processing. The transmission and reflection spectra of guided optical waves in the MFBG are investigated. According to the sensitivity of MFBG spectral lines to the magneto-optic coupling intensity varying with applied magnetic field, a novel magnetic field sensor of high-resolution up to 0.01 nm/（kA/m） is predicted.

Magneto－optic Current Sensor Based on Total Reflections in a Quadrangular Bulk Glass

A novel optical device of a bulk glass Faraday current sensor is presented,which has a accuracy of 0. 5 in the current region of 1 000- 8 000 A and over a temperature range from-30℃ to + 40℃. The new sensing device can compensate the phase difference between p and s components of the incident light caused by total internal reflections in a glass. The self-correction, auto-correlation and auto-amplification techniques are used in the signal treatment with the help of a computer.

A Passive Optical Fiber Current Sensor Based on YIG

A research on passive optical fiber current sensor based on magneto-optical crystal and a new design of light path of the sensor head are presented. Both methods of dual-channel optical detection of the polarization state of the output light and signal processing are proposed. Signal processing can obtain the linear output of the current measurement of the wire more conveniently. Theoretical analysis on the magnetooptical fiber current sensor is given, followed by experiments. After that, further analysis is made according to the results, which leads to clarifying the exiting problems and their placements.

Distributed parametric modeling and simulation of light polarization states using magneto-optical sensing based on the Faraday effect

To solve the problems encountered in practical processes of magneto-optical sensing, the infinitesimal distributed-parameter model and finite-element accumulation of different dielectric properties of micromaterials were used to describe the evolution of light polarization states, instead of the previously commonly used method of lumped-parameter simulation, thus essentially explaining the mechanism of sensing, magneto-optical effects, and related factors, and achieving multiphysics coupling using the COMSOL finite-element analysis method. Considering the cases of the Faraday effect without and with line birefringence, the magneto-optical effect and output characteristics of an infinitesimal magneto-optical sensor were simulated and studied. The results verified the effectiveness of the infinitesimal sensor model. Because the magnetic field, stress, and temperature changes alter the dielectric properties of magneto-optical materials, the finite-element accumulation method lays a good foundation for research on theoretical analysis and performance of magneto-optical sensors affected by factors such as the magnetic field, temperature, and stress.

Experimental and Theoretical Analysis of an Optical Current Sensor for High Power Systems

A magneto-optical sensor, using a dual quadrature polarimetfic processing scheme, was evaluated for current metering and protection applications in high voltage lines. Sensor calibration and resolution were obtained in different operational conditions using illumination in the 1550-nm band. Results obtained indicated the feasibility of interrogating such sensor via the optical ground wire （OPGW） link installed in standard high power grids. The polarimetric bulk optical current sensor also was theoretically studied, and the effects of different sources of error considering practical deployment were evaluated. In particular, the interference from external magnetic fields in a tree-phase system was analyzed.

光纤磁场传感器研究现状及发展趋势

磁测量在矿产勘探、工业制造和国防等领域有广泛应用,因此,对促进科学、技术和社会发展具有重要的意义。目前,电学磁场传感器存在绝缘结构复杂、成本高、抗干扰能力差、难以数字化等缺点。相比之下,光纤磁场传感器具有绝缘性好、结构小巧、可数字化,具备强大的抗干扰能力以及高度可复用性。因此,光纤磁场传感器为解决这些问题提供了高度可行的方法。详细论述了基于磁致伸缩效应、法拉第效应和磁流体材料的光纤磁场传感器的工作原理、研究现状及存在的挑战,然后展望了光纤磁场传感器的未来发展方向和前景。

光学电流传感层叠抗外磁干扰技术研究

直通光路型磁光式光学电流传感器(magneto-optical current sensor,MOCS)因具有体积小,测量准确度高等多种优点,在智能电网中有广阔应用前景。然而,由于无法构成闭合光路,外磁场干扰一直是制约直通光路型磁光式光学电流传感器实用化的重要因素。为解决此问题,该文提出光学电流传感层叠抗外磁干扰技术。首先通过定义非连续积分路径,积分张角等概念,推导出电流位于非连续闭合路径内外时对应的磁场积分表达式,进而建立适用于含任意数量磁光传感单元、按对称多边形方式布置的MOCS所受外磁干扰分析的数学模型,提出闭合路径中心偏转模型,并得出最佳中心偏转角。在此基础上提出一种新型的层叠式MOCS结构,基本抗御传感结构外任意位置电流给MOCS带来的磁场干扰。其次,提出通用的层叠式MOCS测量误差分析方法,从理论上证明层叠式MOCS满足工程需求及标准。分别建立层叠式MOCS数值仿真模型及COMSOL有限元仿真模型。仿真结果表明,在不同干扰条件下,层叠式MOCS的测量误差均低于0.2%,证明此结构能够有效降低存在外磁干扰时MOCS的测量误差。最后,设计并搭建相应的层叠式MOCS实验平台并进行相应实验。实验结果表明,新型层叠式MOCS在多种干扰情况下其测量误差均小于0.2%,证明了所提数学模型正确性及层叠式结构应用于提高MOCS抗外磁干扰能力时的有效性。

数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法

介绍了全光纤电流互感器(allfiber-optic current sensor,A-FOCS)的工作原理。针对输出信号特点,应用方波调制提高系统响应灵敏度,相关解调提取相位信息。在此基础上,引入阶梯波反馈技术,在2束相干偏振光间叠加一个与法拉第(Faraday)相移大小相等、方向相反的非互易相位差,实现闭环检测。提出三倍频方波调制方法,提高检测速度、增大闭环系统检测带宽。测试结果表明,闭环系统在-40^+60℃范围内标度因数变化小于±0.25%,接近IEC标准0.2s级(±0.2%);系统带宽大于6kHz;分辨能力小于0.5A。试验结果证明了信号处理方法的正确性。

Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究

为了加深对灵敏度问题的理解,这里以琼斯矩阵为数学工具,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了重火石玻璃的Verdet常数色散特性及其对块状玻璃光学电流传感器灵敏度的影响.在块状玻璃光学电流传感器系统中,光源的驱动电流与环境温度改变,都会造成光源峰值波长移动.传感头光学材料的Verdet常数的色散特性会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变.研究结果表明,Verdet常数的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响.因此,对光源采取恒温恒流控制或者对结果进行校正是必要的.该研究结果可为光学电流传感器的研究设计人员提供有用的参考.

反射相移色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具 ,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了单层保偏反射膜反射相移的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响 在光学电流传感器系统中 ,光源的驱动电流与环境温度改变 ,都会造成光源峰值波长移动 由于反射膜上产生的反射相移的色散特性 ,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变 研究结果表明 ,反射相移的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响 因此 ,光源的恒温控制与光源驱动电流的恒流控制是必要的

基于BGO晶体的反射型法拉第光纤电流传感器

采用Bi4Ge3O12(BGO)晶体作为传感元件,设计了一种闭合磁环型光纤电流传感器,并对其传感特性进行了理论分析和实验研究.将BGO晶体加工成一带斜面的长方体,并在端面镀金属膜,通过光在晶体中多次临界反射来增大光程以提高测量灵敏度.实验测量得到的法拉第转角与采用倍频法测量的结果符合较好,但与实际结果存在一较大比例系数.对产生该系统误差的主要因素——传感头端面金属膜反射引起的相移及入射角偏离临界角时产生的相移进行了详细地理论分析和数值模拟.结果表明,金属膜反射和偏离临界角引起的相移对测量结果均有较大影响,但输出与作用在传感头上的磁感应强度呈很好的线性关系,可以通过将传感器的测量值乘上一个补偿系数来消除反射相移所产生的误差.

线性双折射色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具 ,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了线性双折射的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响 在光学电流传感器系统中 ,光源的驱动电流与环境温度改变 ,都会造成光源峰值波长移动 由于光学玻璃材料线性双折射的色散特性 ,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变 研究结果表明 ,线性双折射的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生影响 ,但是影响很小可以忽略

用于电力系统的光学电流互感器技术进展

介绍了光学电流测量技术的发展情况,描述了目前几种主要的互感器结构及其基本原理,并对各自存在的问题及解决途径进行了讨论。从研究现状来看,块状玻璃型传感器技术相对成熟,已经有商业产品问世;混合型传感器测量精度较高,但传感头有源电路的供电技术复杂,还没有圆满的解决方案;全光纤型是光学电流互感器发展的最终目标,目前存在的主要问题是光纤的固有线性双折射难以处理,有赖于新型光纤材料及集成光学元件的进一步发展。最后综合评述了光学电流互感器技术的发展趋势及产业化前景。

光学电流传感器现场运行性能分析

本文介绍了一种用于测量高压输电线电流的光学电流传感器，根据该传感器在某110kV变电站现场长时间运行的数据记录，分析了它的实际性能及存在的问题，提出了一种新颖的温度补偿方法。

Sagnac环形电流互感器的原理与发展研究

高压变电站中用于电力系统电流测量的全光纤电流传感器由于具有传统电流互感器无法比拟的优点,具有广阔的应用前景。Sagnac环形电流互感器是在干涉式光纤陀螺结构上发展起来的一种互感器结构。由于基于Sagnac干涉仪技术的光纤陀螺的实用化,用此技术来实现Sagnac环形电流互感器的实用化成为电流互感器的热点。本文首先介绍了Sagnac环形电流互感器的基本原理和结构,通过建立电流互感器的光学矩阵模型推出了电流互感器的基本公式,然后综述了其发展过程,研究成果以及存在的主要问题,重点讨论了温度漂移和温度稳定性。

起偏器参量对光学电流传感器性能的影响

以琼斯矩阵为数学工具 ,利用理论分析、计算机仿真和实验研究的方法 ,考察了偏振片的消光比和预偏角误差对光学电流传感器输出特性的影响 研究结果表明 ,上述偏振片参量均可在光学电流传感器的输出中引入直流分量 ,并使尺度因子发生一定的改变 当最终输出信号用交流电表度量时 ,输出信号中引入的直流分量可被交流电表中自带的隔直电容滤除 ,尺度因子的改变可用后续信号处理电路中的放大单元矫正

基于法拉第效应双偏振光纤激光磁场传感器的纵向空间响应

利用法拉第效应,正交双偏振光纤激光器已被证明可用来实现灵活小巧的磁场传感器.为了发展适宜的封装结构以优化对磁场的传感灵敏度,有必要研究双偏振光纤激光磁场传感器在磁场中的空间响应特性。对长度为21 mm的光纤激光器在磁场宽度为3 mm、5 mm、7 mm以及磁场强度为0.5 T、0.75 T和1 T时的纵向空间响应进行了实验研究。研究表明,沿着双偏振光纤激光磁场传感器的纵向,其各个部分对磁场的空间响应是不均匀的。空间响应的峰值出现在激光腔的中间并沿激光器纵向呈对称的高斯分布。这种空间响应的分布特性与光纤光栅的分布式布拉格反射有关。

光学玻璃电流互感器中互易性问题的理论研究

针对“折返式光路在可使Faraday效应加倍的同时消除线性双折射的影响”的说法,导出了具有折返光路的正交共轭反射式(OCR式)、直接反射式(DR式)及屋脊棱镜反射式(RPR式)光学电流传感器模型的等效传输矩阵.结果表明,当不存在法拉第效应时,OCR式折返光路可以消除线性双折射影响,DR式以及RPR式折返光路不能消除线性双折射的影响;在法拉第效应与双折射同时存在时情况下,上述三种折返光路都不能消除线性双折射的影响.因此,这一说法至少在采用惯常的差除和信号处理方案的光学玻璃电流互感器中是否成立有待商榷.

基于法拉第磁光效应的光学电流传感器电气特性研究

研究了基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的电气特性。根据马吕斯定律,仿真分析了起偏镜与检偏镜光轴之间的夹角、交变电流引起的交变法拉第旋转角的幅值对此种光学电流传感器交流响应波形的影响,以及响应的幅值特性和频率特性。通过对此种光学电流传感器电气特性的研究,为实验中出现的问题提供了解决思路,同时也为磁光介质的参数确定提供了依据。仿真和部分实验结果表明此种光学电流传感器在合适参数下具有较好的响应波形以及幅值、频率特性。

超大电流量值传递用光纤电流传感技术

面向工业、国防及重大科学研究领域超大电流在线计量的迫切需求,提出基于光纤电流传感器量程自扩展特性实现超大电流计量标准的量值传递。基于微分琼斯矩阵方法,建立了光纤敏感环路的数学模型,揭示了线性双折射对传感器量程自扩展特性的影响机理,并证明了采用椭圆双折射光纤的电流传感器具有良好的量程自扩展能力,可通过光纤圈数对Faraday效应的比例放大作用,利用小电流实现传感器在超大电流下的等效校准。研制了干涉式数字闭环柔性光纤电流传感器,可在不断开载流母线的情况下直接形成敏感环路,实现在线计量。样机性能测试结果表明:在直流等效10~210 k A范围内,样机的测量准确度优于±0.1%;在工频额定等效25 k A条件下,样机的比差准确度满足IEC60044-8 0.2 S级要求;样机的带宽大于10 k Hz。