应用物理学论文18181

1、 毕业设计（论文）资料设计（论文）题目： 反射式光纤电流传感器 的分析及设计 系部： 电子与通信工程系 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 班 级： 指导教师姓名： 最终评定成绩 长沙学院教务处 二一一年二月制目 录第一部分 毕业论文一、毕业论文第二部分 过程管理资料一、 毕业设计（论文）课题任务书二、 本科毕业设计（论文）开题报告三、 本科毕业设计（论文）中期报告四、 毕业设计（论文）指导教师评阅表五、 毕业设计（论文）评阅教师评阅表六、 毕业设计（论文）答辩评审表2011届本科生毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文（2011届）本科生毕业论文反射式光纤电流传感器的分析及设计 系部：

2、电子与通信工程系 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 班 级： 一班 学号 2007041118 指导教师姓名： 职称 讲师 最终评定成绩 2011年5月长沙学院本科生毕业设计反射式光纤电流传感器的分析及设计系 （部）：电子与通信工程系 专 业： 应用物理学 学 号： 2007041118 学生姓名： 指导教师： 讲师 abstractas the voltage and current levels increase, the traditional assolenoid style current transformer cannot satisfy the measurement r

3、equirements. optical fiber current sensor as an new power detection equipment, by its unique advantages and has a good prospect in the market. based on optical fiber current sensor research and applications for background, mainly in reflective optical fiber current sensor in the principle and charac

4、teristics of further research. this paper first discusses the compared with traditional sensors, optical fiber current sensor has the advantages ，then, at home and abroad optical fiber current sensor of a simple overview of the state, summarizes the advantages and disadvantages of different optical

5、fiber current sensor. according to the existing deficiency of optical fiber current sensor, and proposes an reflex of fiber current sensor, improve the sensitivity of the optical fiber current sensor, and analyses the deep theoretical research. first, the detailed discussion on faraday magneto-optic

6、 effect, then the basis of the principle of using jones matrix, reflective optical fiber current sensor for a theoretical analysis and calculation, obtained reflex current sensor mathematical model. the influence of various factors sensor measurement accuracy, the overall theoretical analysis, and f

7、rom the angle of polarization and from every physical process detailed analysis. finally, the reflex current sensor model in each device design and choice; to further design optical fiber current sensor laid a theoretical foundation.keywords: optical fiber current sensor，jones matrix，fraday effect目

8、录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 光纤电流传感器概况及意义11.2 光纤电流器的分类21.2.1 块状玻璃型光纤电流传感器21.2.2 偏振调制型光纤电流传感器31.2.3 相位调制型光纤电流传感器31.3 光纤电流传感器的发展情况41.4 本论文的主要工作5第2章 光纤电流传感器的基本理论及分析方法72.1 偏振光72.2 偏振的jones矩阵分析法82.2.1 偏振光的琼斯矢量表示法82.2.2 正交偏振102.2.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法102.2.4 偏振光系统的琼斯矩阵分析法132.4 本章小结16第3章 反射式光纤电流传感器模型设计173.1 结构设计173.

9、2 反射式光纤电流传感器的偏振态分析183.3 反射式电流传感器的琼斯矩阵分析193.4 本章小结22第4章 反射式光纤电流传感器器件的选择234.1 光源234.2 /4延迟器的设计244.3 相位调制器264.4 光电探测器274.5 本章小结27参考文献29致 谢30第1章 绪论1.1 光纤电流传感器概况及意义电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高1。电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们为电力系统提供用订量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方

10、面，要求测量装置具有很高的测量准确度及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反应迅速。同时，力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要求。目前，对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流传感器，这种传统的电磁感应式电流传感器在应用的过程中，积累了丰富的实践经验，它的各种技术性能、指标均还保持着一定的优势，同时电磁式电流传感器的原理简单，可靠性高，不易损坏2。上述这些优点，是其得以普遍使用的主要原因。但是由于电磁式电流传感器结构、原理的特性，使得它存在以下几个致命的缺点：(1)存在绝缘的问题，充油的电磁式电流传感器使用在高压环境时，有可能发生绝缘击穿，

11、从而引起对地短路或者突然爆炸的危险；(2)存在磁饱和的问题，电流传感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁饱和，这严重影响了电流传感器的测量准确度；(3)存在电磁干扰的问题，在高压环境中，电磁式电流传感器的电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；(4)成本问题，电磁式电流传感器的成本随着被测量电流电压等级的增大，成指数增加。这些电磁式电流传感器的缺点是由其基本结构造成的，是无法从根本上改变的。因此，在这种情况下就需要研究新型的电流传感器了，光纤电流传感器就孕育而生了。光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而

12、研制的，自七十年代问世以来，受到了各国的广泛关注3。与传统的电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有以下的优点：(1)绝缘性能非常好，从材料来说：光纤电流传感器所用的材料主要是石英光纤，它自身就是非常好的绝缘体；(2)光纤电流传感器的结构中不含有铁芯，因此不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，测量准确度得到了提高。(3)抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性，这样它测量的准确度也能增大，(4)光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生高压的危险，从而消除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题。(5)光纤电流传感器的体积小，重量轻。光纤传感器的传感头，重量小于l公斤。据美国西屋

13、公司公布的磁光式345kv光纤电流互感器，其高度为2.7米，总重量为100公斤，而同等电压等级的充油式电磁式电流传感器，高为6.1米，重达7718公斤4。(6)适应了电力保护和计量的数字化、智能化及光通信的发展趋势。(7)测量的动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。光纤电流传感器从问世至今己40多年，各国科技人员花费了大量心血，提出了各种各样的实现方法，但有些关键问题至今没有获得圆满解决5。虽然也有一些产品问世的报道，但离大规模商业应用还有较大距离。尽管困难重重，人们对光纤电流传感器的期望始终没有减少，一直在探索新的实现方法和关键技术解决途径，这都是因为与电磁式传感器相比，光纤

14、电流传感器具有无法比拟的优点。1.2 光纤电流器的分类光纤电流传感器从出现以来，就被受到重视。现有的光纤电流传感器按照它的传感头的不同，可以分为全光型光纤电流传感器、块状玻璃型光纤电流传感器和混合型光纤电流传感器。1.2.1 块状玻璃型光纤电流传感器块状玻璃型光纤电流传感器基本原理是:利用全反射，使线性偏振光通过玻璃材料内部多次反射，形成环绕通电导体的闭合光路，其结构如图1.1所示。图1.1 状玻璃型光纤电流传感器的传感头结构通过测量线偏振光的法拉第旋转角，从而间接的测量电流。这种电流传感器具有线性范围宽、稳定性好、精度较高、受光纤线性双折射影响较小等优点;但是存在加工难度大、传感头易碎、成本

15、高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入了反射相移，使两两正交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能。1.2.2 偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型也称为非干涉型，它不使用相位调制器，无电流时输出信号为直流量，通过检测出射光的偏振态旋转角度来确定待测电流的大小。偏振调制型光纤电流传感的基本结构如图1.2所示。图1.2 偏振调制型光纤电流传感器结构光源发出的光经起偏器转变为线偏振光，当线偏振光通过光纤圈时，电流产生的磁场将使线偏振光产生法拉第旋转，旋转角度与被测电流成正比。1.2.3 相位调制型光纤电流传感器相位调制型的全光纤电流传感器是利用外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，

16、而线偏振光可以分解为一个左旋和右旋的圆偏振光，因而传播一段距离后，表现为线偏振光的振动面发生了旋转，而旋转角取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率之差6。因此通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差，也可以实现电流的测量。如图1.3为相位调制型全光纤电流传感器的原理图。图1.3 相位调制型全光纤电流传感器的原理图激光光源发出的光经过起偏器后为线偏振光，通过耦合器分成两路，分别经过1/4延迟器转换成旋向相同的圆偏振光，分别沿顺时针和逆时针方向通过传感光纤圈，由于法拉第效应，使得两束圆偏振光的偏振面发生旋转，然后再经过另一个1/4延迟器重新转换成为线偏振光返回偏

17、振器进行干涉。由于干涉的两束光的偏振面旋转的角度大小相等，方向相反，因此其相位差为两倍的法拉第相移，因此在相同的圈数时的灵敏度为偏振调制型光纤电流传感器的两倍。只需检测输出光的相位差就能得出待测电流，因此功率波动对系统的影响比偏振旋转方案小，即系统稳定性优于偏振调制型方案主要缺点是结构中包含了sagnac环结构，因此很容易受到sagnac效应的影响7。sagnac效应与法拉第效应一样都产生非互易相移，检测时分辩不出，从而引起测量误差，降低系统的稳定性；传感光纤的固有双折射难以处理，由于光纤制备工艺的不完善，介质中的杂质、缺陷等破坏了光纤的轴对称性，以及使用时不可避免的弯曲等原因，使传感光纤中存

18、在固有双折射8。而普通硅光纤的费尔德常数较小，光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角，为了提高灵敏度，就必须增加传感光纤圈数，这同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，从而使传感器灵敏度远远低于理论预计值。因此，有必要对怎样抑制光纤中的固有双这射的影响进行研究。1.3 光纤电流传感器的发展情况20世纪60年代，在1963年安装在美国俄勒冈州bonneville电力局(bpa)的230kv电网上装置“traser”，它通过玻璃波导实现了信号传输，这是光纤电流传感器的最初形式。同时，ghmoulton等人设计了一套高压保护装置，采用了光脉冲传输原理9。ssaito等人进行了

19、超高压电力线电流测量研究 (日本)，他们采用的是磁光效应原理。可以看出，这一时期的研究为全光纤电流传感器的发展打下了初步的理论和技术基础，是光纤电流传感器的兴起阶段，光纤电流传感器理论、方法的试验时期。20世纪70年代，光导纤维制造技术逐步完善，光纤电流传感器因此也得到了迅速发展。人们发现：全光纤型光纤电流传感器因为具有结构简单、重量轻、形状随意等优点，它一被提出，就成为了研究者们追求的目标10。1977年英国电力研究中心的ajrogers和amsmith等人从原理方面对全光纤电流传感器进行了大量的研究，在实验室对实验装置进行试验并获得成功，在1979年成功安装在发电站上，开始试运行，并取得了

20、成功。在此之后，德国apapp等人对全光纤式光纤电流传感器的原理、构成、特性、测量及信号处理等方面，进行了系统专题研究，取得了较大的成果11。他们的研究为光纤电流传感器的进一步发展做出了巨大的贡献。90年代起，各国对光纤电流传感器的研究进一步深入。在1994年，abb公司研发生产出了多种电压等级的交流、直流数字光电式光纤电流传感器。nxtphase公司采用相位调制原理研制出了全光纤电流传感器，有230kv和138kv两个电压等级，在正常计量范围准确度高达士02段12。在1998年，光纤电流传感器通过各种工业性试验，开始商业生产。2000年5月12日，nxtphase公司在英国的ingledow

21、变电站安装了额定电压为230kv的三相(b)式传感器，第二年lo月29日，该公司又在rolls royce燃气轮发电站安装了一个138kv的三相试制系统。该三相nxvct系统的光学器件的性能与传统没备的性能相比：能够提供从三个高压侧测量vct、三个低压侧测量ct和三个保护ct接收的所有信息。nxtphase公司的3个可以代替9个原有装置。nxtphase公司计划在今后将安装更多的电压电流传感器，电压等级将扩展到765kv13。相对于国外的情况，国内的研究比较晚，无论从技术上和研究成果来看，都相对于落后。开始是主要集中在国内一些著名高校，如清华、华中科技大学等，他们首先做大量的理论研究和实践工作

22、，为推动国内的光纤电流传感器的发展奠定了基础。随着理论技术的成熟和市场需求的增加，国内一些有实力的集团和厂家开始和高校合作，共同研制。如沈阳互感器厂、保定天威集团、上互公司等，这些厂家在生产互感方面有着丰富的经验，并且具有很强大的经济实力和专门的优秀人才，在自主研发和引进国外先进技术相结合的基础上，最光纤电流传感器进行专门研制和研发。这一时期，推动了我国光纤电流传感器事业的发展。但是，国内的研究工作还是主要集中在原理性实验性样机的实现上，一般是从检测方案、信号处理方面来进行研究，还没有触及到如何保持光纤传感头性能的环境稳定性问题上，在全光纤电流传感器的研究上落后于国外。从整体的发展来说，现在光

23、纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量，同时被用于导弹、飞机、有人工智能装置的小型炸弹等的导航系，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合，还可研制开发出线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置。对光纤电流传感器的研究不仅具有重要的科研意义，而且在军事、工业应用上也非常的重要，随着光电技术及其相关技术的迅速发展，光纤电流传感器的应用前景将日益广阔。1.4 本论文的主要工作本文主要分析光纤电流传感器技术，在深入研究了光纤电流传感器技术的基础之上，重点研理论上研究了反射式光纤电流传感技术。本论文的主要工作如下:第一章，概述了研究光纤电流传感器的背景和意义，总结了几种

24、光纤电流传感器的特点，并分析了其在国内外的发展状况。第二章，本章介绍了faraday效应的宏观理论；介绍了分析偏振系统的jones矩阵法；推导了几种主要偏振器件的琼斯矩阵，为系统模型的建立打下基础。第三章，深入地研究了光纤电流传感技术的理论基础，并从偏振态的角度详细的分析每个物理过程，分析了光的偏振变化；然后利用琼斯矩阵，针对反射式光纤电流传感器进行了理论上的分析计算。第四章，考虑反射式光纤电流传感器的特性和应用的环境等因素，针对性的对反射式光纤电流传感器系统的光源、光电探测器、相位延迟器、相位调制器等各个部件进行了详细的设计，确定了反射式光纤电流传感器器件的选择。最后进行了总结和展望。第2章

25、 光纤电流传感器的基本理论及分析方法光纤电流传感器是基于faraday效应来检测电流大小的光学传感器件。faraday效应是指线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转的现像。jones矩阵是研究光的偏振及偏振系统的有效方法14。2.1 偏振光光是频率极高的一种电磁波，它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时，理论和实验表明，对光检测器起作用的是电矢量而不是磁矢量，所以只需考虑电场的作用，因此用电矢量来表示光矢量。光波是横波，因此光波具有偏振性。就偏振性而言，光一般可以分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向

26、和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中，其光矢量的大小不变、方向规则变化，其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直、相位有关联的线偏振光来表示。设光波沿z轴传播，则光矢量必然在垂直于z轴的xy平面上振动，则光波可以表示为: (2.1)2.1式中: 为初相位。用分量的形式可以表现为 (2.2) 其中和分别为x，y分量的初相位，不同的取值可表示不同的偏振态，令初

27、相位差，化简公式可以得到: (2.3)由式(2.3)可知:当为线偏振光；当 时，为左旋圆偏振光；当时，为左旋圆偏振光，其他情况为椭圆偏振光。2.2 偏振的jones矩阵分析法jones矩阵为偏振光及偏振器件提供了一种最简练的表示方法。利用矩阵运算来推算出偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态的改变情况而不必去追求其中每一个过程的具体物理意义，这就是偏振的琼斯(jones)矩阵分析法15。2.2.1 偏振光的琼斯矢量表示法设偏振光e的两个正交分量的复振幅分别为 （2.4） 矩阵表示法就是用一个称为琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光 (2.5)偏振光的强度是它的两个分量的强度之和，即 (2.6)通常关心的

28、往往是光强的相对变化，因此归一化琼斯矢量可以写为 (2.7)考虑到偏振态的形状、位置及旋向仅取决于两分量的振幅比a= ，相位差，因此归一化琼斯矩阵也可以写为 (2.8)上式中略去了公共位相因子.下面是求取偏振光归一化琼斯矢量的例子。（1） 光矢量与x轴成角、振幅为a的线偏振光 (2.9)归一化琼斯矢量为 (2.10)（2）长轴沿x轴，长短轴之比为2：1的右旋椭圆偏振光 (2.11)归一化琼斯矢量为 (2.12) 同样方法可以写出其它偏振态的琼斯矢量，表2.1列出了一些偏振态的归一化琼斯量。表2.1 一些偏振态的琼斯量偏振态琼斯矢量线偏振光光矢量沿x轴光矢量沿y轴光矢量与x轴成角光矢量与x轴成角

29、圆偏振光右旋左旋通过简单的矩阵运算，可以方便的求出若干个偏振光叠加后新的偏振态，如左右圆偏振光的叠加 (2.13)结果表明合成波是光矢量沿x轴的线偏振光，其振幅是团偏振光分振幅的2倍。2.2.2 正交偏振设任意两个偏振光的琼斯矢量为 (2.14)如果他们满足关系即 (2.15)则表明这两个偏振光是正交的。式(2.15)中，*表示复数共轭。可以证明，任何一种偏振态都可以用一对特定正交偏振态的两个琼斯矢量的线性组合来表示，即任何一种偏振态均存在着一对正交偏振态。例如，对于任意偏振光，根据矢量运算法则，可以写成 (2.16)即可以用分别在水平与垂直方向振动的一对正交的线偏振光来表示，同时也可以写成

30、(2.17) 表明这一偏振光也可以用一对正交的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光来表示。2.2.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法偏振光通过偏振器件之后，光的偏振态将发生变化。若入射光的偏振态表示为，经过偏振器后变为层：，则偏振器件的线性变换作用可以用一个二行二列的矩阵来表示，即有 (2.18) 或称矩阵 (2.19)为该偏振器件的琼斯矩阵。式中，：一般为复常数。上式表明偏振器件在偏振态转换中起着线性变换作用，新的偏振态的两个分量是原来偏振态两分量的线性组合。下面是求取偏振器件琼斯矩阵的例子17。图2.1 线偏振器坐标系(1)线偏振器的琼斯矩阵设偏振器透光轴与x轴成角。如图2-1所示建立xy坐标系，入射光在

31、x、y轴上的两个分量分别为和，将它们在线偏振器透光轴方向上投影。入射光通过线偏振器后，和沿透光轴方向的分量和将这两个分量的组合在x，y轴上再一次投影，得到出射光的两个分量和，即 (2.20)比较式(2-20) 、(2-18)，可得线偏振器的琼斯矩阵为 (2.21)图2.2 波片偏振坐标系(2)波片的琼斯矩阵设波片的快轴与x轴成确，产生的相位差为抗如图2.2建立坐标系。取入射偏振光为，则两分量在波片快、慢轴上的分量和为 (2.22)或表示为 (2.23)从波片出射时，必须考虑快、慢轴上分量的相对相位延迟，于是以上两分量变为 (2.24)或表示为 (2.25)这两个分量再分别在x，y轴上投影，得到

32、出射光琼斯矢量在x，y轴上的两分量分别为 (2.26)或表示为 (2.27)代入各量得 (2.28)整理后，得到波片的琼斯矩阵为 (2.29)用类似方法推出一些重要偏振器件的琼斯矩阵表2.2中所列。2.2.4 偏振光系统的琼斯矩阵分析法利用琼斯矩阵可以方便的计算通过任意偏振器件后的光的偏振态。如果偏振光相继通过v个偏振器件，它们的琼斯矩阵为,则出射光的琼斯矢量为 (2.30) (2.30)式中，矩阵相乘的次序不能颠倒。(2.30)式是分析偏振系统的一种方便的方法，本文在下一章建立系统模型时主要采用该方法。2.3 faraday效应1864年，法拉第发现，当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光

33、介质时，其偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第效应。其原理示意图如图2-3-1所示。图2.3 法拉第效应原理图法拉第效应的本质为磁致圆双折射，即圆偏振光经过法拉第效应后相位发生变化。因为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加，则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应，其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率之差。表2.2 偏振器件的琼斯矩阵偏振态琼斯矢量线偏振器光矢量与x轴成角1/4波片快轴沿x轴快轴沿y轴快轴沿x轴成角一般波片快轴沿x轴快轴沿y轴快轴沿x轴成角圆起偏器右旋左旋反射元件采用琼斯矩阵分析如下:入射的线偏振光表示为左、右旋圆

34、偏振光之和: (2.31)这两束圆偏振光经过材料后出射，光程为l，相对于入射光来说，光波有一个相移 ，因此，出射光波为 (2.32) 其中: 为左旋圆偏振光的折射率，为右旋圆偏振光的折射率。式 (2.32)可以改写为 (2.33)当 (2.34) (2.35)则将、代入式（2.33）并化简得 (2.36)由式（2.36）可知出射光仍然为线偏振光，只是偏振角旋转了而又法拉第效应可知：旋转角与外磁场符合以下关系 (2.37)其中v为费尔德(verdet)常数，它的大小受光源波长和环境温度的影响;h为磁场强度;l为光束在介质中通过的距离。当光行进的路线围绕载流导体闭合时，根据安培环路定律式 (2.3

35、7)可变为一环路积分: (2.38)若线圈为n圈时，其结果为: (2.39)由此可以知道，积分的结果只和电流有关。需要注意的是，式(2.39)成立的条件为18:(1)线偏振光的偏振态能够保持不受磁场以外的外界条件影响，即保持线偏振而不转变为椭圆偏振光;(2)线偏振光行进的路线为闭合环路。只有同时满足这两个条件，式(2.39)才成立。2.4 本章小结本章首先对光纤电流传感器的理论基础进行了全面的分析，介绍了faraday效应的宏观理论；介绍了分析偏振系统的jones矩阵法；推导了几种主要偏振器件的琼斯矩阵，为系统模型的建立打下基础。第3章 反射式光纤电流传感器模型设计前面介绍的相位调制型光纤电流

36、传感器的主要的缺点有：光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角，因此测量的精度就降低。针对这样的情况，主要有两中解决方式：一是改善光纤的固有双折射，而是设法增大法拉第转角。改善光纤的固有折射率上节中已经提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第转角。当光波通过置于磁场中的法拉第旋转器时，迎着外加磁场磁感应强度方向观察，光波的偏振方向总是沿与磁场(h)方向构成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。当光波沿正向和沿反向两次通过法拉第旋转器时，其偏振方向旋转角将是迭加而不是抵消，此即法拉第效应的旋向不可逆性，称之为非互易旋光性。利用法拉第效应的非互易性，对上述结构作出改进，即反射式

37、光纤电流传感器模型。3.1 结构设计图3.1为反射式光纤电流传感器的基本结构，光源发出的光经单模光纤传输后被送至起偏器，成为线偏振光，通过45度熔接点分成偏振方向相互垂直的两束光，再经过1/4波片入射光转换为两个旋向相反(左旋和右旋)的圆偏振光，进入传感区域，经过一次法拉第效应后，到达反射镜，发生反射，它们的偏振态在反射时发生了交换，即原左旋光变成了右旋光，原右旋光变成了左旋光。经过反射后的圆偏振光按原路返回，再次经法拉第效应，然后通过1/4波片转换回线偏振光，经过反射的光携带了相位差信息经过祸合器被传送至光电探测器。在整个过程中，两束光都经历了保偏光纤的两个轴和传感光纤的左旋和右旋模式，所以

38、光路是完全互易的。相位差取决于在传感区域的磁场大小。又由于两束光都经历了两次法拉第效应，因此其相位差为4倍的法拉第相移。这种结构的光纤电流传感器，在其他同等条件下，灵敏度是前面介绍的偏转型光纤电流传感器的4倍，相位调制型光纤电流传感器的2倍。反射结构的返回光波在经反射镜返回至线圈时，偏转光旋转了90。，使正反通过光纤线圈的偏振光相互正交，从而使得光纤中的附加线双折射相互抵消，而法拉第效应是非互易的，所以光波正反两次通过光纤圈时，法拉第旋转效应不会相互抵消，反而加倍了，所以这种结构不但能够减少光纤线性双折射的影响，还能够使法拉第效应加倍;反射结构的两束干涉光在同一根光纤中传输，因此能够降低外界因

39、素(如温度、压力等)的干扰，且不受sganac效应的影响。另外反射结构使用的器件相对较少、容易搭建，因此与偏振旋转型和相位调制型结构相比反射结构具有灵敏度高、抗干扰能力更强、稳定性好等优点。图3.1 反射式全光纤电流传感器的基本结构 但是反射结构在实际应用中，由于两束正交偏振光波在同一根光纤中传输且同时受到调制，因此必需使用双轴调制器，通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒 (pzt)上制成相位调制器，当pzt加上调制信号时，沿保偏光纤两个正交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。3.2 反射式光纤电流传感器的偏振态分析为了更进一步的分析反射式光纤电流传感器的原理，对通过其光信号的偏振

40、态的变化进行分析，如图3.2所示。图3.2 反射式光纤电流传感器中光的偏振态变化光源发出的光通过起偏器p后变为线偏振光，经过45度熔接点后分解成偏振方垂直的两束光，这两束光经法拉第效应后产生了一定的相位差，返回时再次被45度熔接点分光，使得到达起偏器p有四束光，因此可以把第一次通过p的光看成是1、2、3、4四束光波的合成，经过45度熔接点时1、3路光沿光纤快轴传播(x偏振)，2、4路沿光纤慢轴传播(y偏振)，它们同时经过相位调制器，因此1、3路和2、4路光相位分别受到和的相位调制，其中为光路传输时间。经反射，1、3和2、4交换快慢轴，因此受到的调制分别为和。输出时1、2路光的相位差为: (3.

41、1)3.3 反射式电流传感器的琼斯矩阵分析应用jones矩阵对反射式电流传感器进行分析。设入射光为： (3.2)起偏器透光轴与x轴成45。相位延时器的快、慢轴与参考坐标系的x轴、y轴分别与重合。在理想情况下，各个器件的琼斯矩阵为：起偏器： (3.3)45度熔接点： (3.4)调制器(返回时)： (3.5)1/4波片： (3.6)法拉第效应(返回时)： (3.7)反射镜： (3.8) 法拉第效应(入射时)： (3.9)调制器(入射时) ： (3.10)调制器(返回时) ： (3.11)首先分析在没有调制器时的理论输出，则由琼斯矩阵分析法，可以得到输出光为： (3.12)输出光强为： (3.13)

42、式(3-13)中：为法拉第转角，=vni。这就是反射型光纤电流传感器的理想模型。传感器的响应是和相位差的余弦函数成正比。在实验中，相位差值都很小，响应函数处在最不敏感的区域内，为了提高测量的准确度，通常要进行相位调制。加入相位调信号后，输出光为： (3.14)输出光强为： (3.15)在理想情况下，若设调制信号为： (3.16)式中：为调制信号的幅度；为调制信号的频率。 (3.17)则输出光强可以表示为： (3.18)由贝塞尔函数可知： (3.19)式中： (3.20)由式(2.19)比较两边实部和虚部可以知道： (3.21) (3.22)设z=，=则： (3.23) (3.24)输出光强就可

43、以表示为： (3.25)由式(3.23)知：项的幅值为： (3.26)当相位调制器信号的最佳调制深度确定以后，一阶贝塞尔函数为常数，只要从输出信号中得到a的值，就可以求得法拉第转角值。3.4 本章小结本章设计了反射式光纤电流传感器模型，提高了光纤电流传感器的灵敏度，并从偏振态的角度详细的分析每个物理过程，然后利用琼斯矩阵，针对反射式光纤电流传感器进行了理论上的分析计算，得出了反射式电流传感器的数学模型。第4章 反射式光纤电流传感器器件的选择反射式电流传感器具有灵敏度高、受外界干扰影响小、稳定性能好等优点。在第二章中对反射式光纤电流传感器进行了建模。本章将针对反射式电流传感器模型中的各个器件进行

44、设计和选择。4.1 光源光源是光纤电流传感器不可缺少的部分之一。其性能的好坏直接影响着整个系统的技术指标。光源的作用是将电信号转换为光信号功率，实现电光的转换，以便在光纤中传输。由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源的体积小，便于和光纤祸合等。光源发出的光波长应适合要求，以减少在光纤中的能量损失。光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有要求。此外要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期稳定地工作，还要求光源的噪声小、使用方便等。同时对于全光纤电流传感器，其信号通常要通过通信光纤传输至控制室遥测或监视，所以传输的信号要调制在通信光纤的低损耗窗口波长上。在选择光源的时候，只有清楚

45、地知道了各种光源的特性，才能从中选出适合反射式光纤电流传感器的光源。目前光纤传感系统中常用的光源主要有:半导体激光器ld、半导体发光二极管led、放大自发辐射ase光源和半导体分布式反馈激光器dfb等。如表4.1，常用光源及特性，其中前面两种白炽光源和发光二极管属于非相干光源，后面的六种属于相干光源。表4.1 光纤传感系统中常用光源及特性名称特性描述及应用白炽光源采用某种宽带光源谱滤波的传感器发光二极管(led)20nm的短波相干长度，用于非相干测量传感器可用于光纤干涉测量激光器;在非干涉测量中半导体激光二极管(ld)用于大功率脉冲激光器(如光时域反射计)和相阵激光器;在能量输运中，提高大功率

46、准直光源dfb半导体激光器在能量输运中，提高大功率准直光源在高速调制下有单纵模输出，为动态单纵模激光器nd:yag晶体光纤激光器未来的光纤系统的理想光源氦氖气体激光器(he一ne)频率稳定性允许数米的光程差从表4.1可知，每种光源其特性不同，则其使用场合也不相同。在本系统中，因为采用了相位调制的原理，对光源有相干要求，因此不能选择非相干光源;主要是在气体激光器和半导体激光器中选择。半导体激光器尤其是可以控制激光输出为单纵模的分布反馈式半导体激光器（dfb）性能好，具有一定的相干性，且稳定性高，是适合反射式光纤电流传感器系统的理想光源。dfb激光器的性能参数如表4.2，dfb的特点是:输出光功率

47、大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，并且适合于长距离通信。表4.2 dfb激光器的性能参数4.2 /4延迟器的设计在光纤系统中，相位延迟可以使用光纤偏振控制器来实现。偏振控制器是指能将任意输入的偏振态转变为任意期望输出偏振态的器件。光纤偏振控制器通常利用的是弹光效应来改变光纤中的双折射，以控制光纤中光波的偏振态。如图4.1所示，当光纤在xy平面内受到弯曲时，由于应力的作用，光纤中x轴和y轴方向(y轴垂直于图面向外)的折射率发生变化，其变化量为： (4.1) (4.2)式中，为光纤半径，r为光纤弯曲的曲率半径，为光纤材料的弹光张量，为泊松比。以普通的石英光纤为例，n=1.46， =0.16，

48、=0.121， =0.27，代入式(3.1)和式(3.2)可得: (4.3)图4.1 光纤弯曲的双折射效应在图4.1中，快轴(x轴)位于弯曲平面内快，慢轴(y轴) 直于弯曲平面。对于弯曲半径为r的n圈线圈，选择适当的n和r，可以得到: (4.4)根据式(4.4)，只要设置好相应的参数，就可以制作的延迟器;因此，只要适当设置n、r值，就可以制作、延迟器。从上面分析的过程可知，以入射光纤为轴，使光纤圈面转动，可以改变光纤中双折射轴的方向，产生的效果和转动波片的偏振轴方向一样，因此当线偏振光入射到这样的一个延迟器时，通过调节光纤线圈方向，使出射光变成圆偏振光，这就是一个有光纤圈组成的偏振控制器。偏振控制器一般由和光纤圈串联组成，适当的调节两光纤圈的角度，可以得到任意的偏振态。虽然通用的偏振控制器使用方便，但是它的结构复杂，成本较高，而且不易与系统集成。考察保偏光纤是利用光纤的高双折射特性，使得两个偏振模之间不易祸合，维持偏振态稳定的。也就是说，1/4拍长的保偏光纤和的波片是等价的，如果能够保证入射线偏振光和保偏光纤的