全光纤电流传感器温度稳定性优化设计与实现

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全光纤电流传感器(AFOCS)是一种基于法拉第效应的新型电流检测装置。相比传统的电磁式电流互感器,全光纤电流传感器摆脱了厚重的铁芯和原副线圈绕组,采用了全光纤的传感单元,具有体积小、绝缘结构简单、无磁饱和等先天优势,而且纯数字输出,是我国下一代智能电网的核心一次设备。本文首先介绍了全光纤电流传感器的基本原理和几种主要的实现方案,比较了各种实现方案的优缺点,最后确立了线型反射式的结构方案,然后就信号的调制解调方案进行了详细分析,将数字闭环光纤陀螺的调制解调方案—四态方波调制法移植到全光纤电流传感器中,通过测试达到了预期的效果。虽然全光纤电流传感器采用了全新的电流检测原理,弥补了传统电磁式电流互感器的很多不足,但是新的问题也随之引入,主要表现在:由于线性双折射的存在,当电流比较小时,全光纤电流传感器的检测灵敏度很低,特别容易受到外界环境和系统内噪声的影响,导致输出误差比较大。全光纤电流传感器的传感单元主要安装在高压输电线路上,一年四季、昼夜之间温差很大,并伴有一定频率的震动,工作环境非常恶劣,而传感光纤中的线性双折射和光纤verdet常数都会因温度而发生变化,影响全光纤电流传感器的输出稳定性,因此本文主要就线性双折射的抑制和verdet常数的温度补偿两方面进行研究并提出相应的解决方案。(1)线性双折射的抑制:通过光纤光路的参数优化可以达到抑制线性双折射的目的,比如方位角优化方法,但这一方法并不完善,忽略了传感光纤中的旋光角因素,本文在对旋光角加以研究之后,提出了旋光角的优化方法,并对之前的方位角优化理论进行了修正,仿真结果表明,方位角与旋光角的优化相互影响很小,可以独立进行,二者的结合使用可有效抑制线性双折射的干扰,从而提高全光纤电流传感器的温度稳定性。(2)Verdet常数的温度补偿:Verdet常数是决定法拉第磁光效应强弱的参数之一,不仅与光学材料有关,还受温度和光波长的影响。全光纤电流传感器的工作温度范围可达-40~+60摄氏度,因此必须予以补偿。通过研究光纤1/4波片的温度内补偿原理,完善并修正了光纤1/4波片的参数优化计算公式,进一步提高了温度补偿效果。文章从光路和电路两个方面对全光纤电流传感器的实现方案进行了详细介绍,并搭建了实验样机,对调制解调电路的性能进行了测试。
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