法拉第镜式光学电流互感器原理

电流互感器

维普资讯

第2 6卷第 3期20 0 5年 6月

哈

尔

滨

工

程

大

学

学

报

Vo . 6 n 3 I2 .

J u n l fHa b n En ie rn ie st o r a r i g n e ig Unv r i o y

Jn20 u .05

法拉第镜式光学电流互感器原理王政平，康崇，宗军，黄张雪原(尔滨工程大学理学院，哈黑龙江哈尔滨 1 0 0 ) 5 0 1

摘

要：出了利用法拉第镜构成的具有互易传感光路的法拉第镜式光学电流互感器方案，提以抵消块状玻璃传感头

中线性双折射的影响，使传感信号加倍，而提高系统的灵敏度和温度稳定性；析了该系统的工作原理，并从分对输出光偏振态进行了仿真，与单层介质膜方案进行了对比；果显示该方案对输出光偏振态的退化有很好的抑制作并结用；对于改进现有块状玻璃电流互感器的性能、发实用型光学电流互感器具有一定的参考意义 .这开 关键词：光学电流互感器；法拉第镜；线性双折射；琼斯矩阵中图分类号： 2 2 1文献标识码：文章编号：0 6—7 4 (0 5 0 TP 1 . 4 A 10 0 3 2 0 )3—0 9 3 8—0 4

Pr nc pl s o r da i r r t p d o i a ur e r ns o m e s i i e f Fa a y m r o— y e pt c lc r nt t a f r rW ANG h n— ig, Z e g pn KANG h n,HUA G Z n— n Z C og N o gj, HANG ey a u Xu—u n( co l f i c,HabnEn ier gUnvri, ri 10 0, hn ) S h o o e e S n c ri gn ei i s y Habn 0 C ia n e t 5 1Ab ta t U tl ig a Fa a a o a in m ir r r d y r t t n m ir rt p d OCT e in w ih r cp o a p i s r c: izn rd y r t t ro,aFa a a o a i ro -y e i o o d sg t e i r c l t— o c l ah r p sd t v ro e t e efc so ie rb r fi g n e i sd h uk g as c re ts n ig h a a t si p o o e o o e c m

h fe t fl a iern e c n ie t e b l ls u r n e sn e d, p s n m u t l h e sn in l n m p o et es n iiiy a d t et mp r t r tb l y o h y tm .Th h o li y t e s n ig sg a,a d i r v h e stvt n h e e a u e sa i t ft e s se p i ete— r tc l n lsso h r ig p i cp e h i ua in o h oa ia in sa eo h u p tl h n h o— e ia ay i ft ewo k n rn il,t esm lto ft ep lrz t tt ft eo t u i ta d t e c m a o g p r o e we n i a d t eO T i PTR a e sa ep e e t d a i n b t e t n h s C w t P h ly r r rs n e .Th e ut h w h tt i e in h sa g o e rs lss o t a hsd sg a o d r sr i ig ef c n t e d g n r t n o h oa ia in sa eo h u p tl h,w hc a e ti e ee c e tan n fe to h e e e a i ft e p lrz t t t ft e o t u i t o o g ih h sc ran rfr n e sg i c n e o h e f r n e i p o e n ft e p ee tb l ls in f a c n t e p ro ma c m r v me to h rs n uk ga sOCT,a d t e d v lp e to r cia i n h e eo m n fp a tc l oCT .

Ke wo d: p ia u r n r n f r r;F r d y r tt n mir r ie rbr fig n e o e ti y r s o tc l re tta so me s a a a o ai ro;l a ie rn e c;J n sma rx c o n

随着电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，目前普遍用于 l0k以上变电站的电磁式电流 l V互感器 (urn rnfr rC已暴露出许多内在 cre tt s me,T) a o的弱点 .其相比，学电流互感器 ( pia cre t与光 o t l urn c ta s rl, ) T

)表现出：爆炸、磁饱和、 rnf le (C则 o Tr无无无

化的核心问题，因此有必要寻求彻底的方案 .中以文

镀有单层介质保偏膜l的四角型块状玻璃光路为基 7 础，利用法拉第镜构成具有互易传感光路的法拉第镜式光学电流互感器 ( aaa r r pi lurn as Frdymio ta cr trn— r o c e t

f e, M￣-, o rF ml T)使光的偏振方向在反射时发生 9。 0旋转，消光线入射过程产生的线性双折射的影响，使抵并

滞后、小质轻、受电磁干扰等优点 j因而得到体不，了许多研究者的关注 .对块状玻璃电流互感器而言，性双折射的影线响一’全光纤电流互感器相比已明显减小，仍与但然存在 .何克服线性双折射的影响，实现其实用如是

传感信号加倍，从而提高系统的灵敏度和温度稳定性 .这对于改进现有块状玻璃电流互感器的性能、发实开

用型 O T具有一定的参考意义 . C

1法拉第镜式光学电流互感器原理 1 1法拉第镜式光学电流互感器系统构成 .

收稿日期：0 4—0 1 20 9 4.基金项目：尔滨工程大学基础研究基金资助项目(哈 HEUF 4 1 ) 0 0 5作者简介：王政平 ( 9 9 )男，授，士生导师 14,教博

该方案的光路如图 1所示 .源发出的光经偏光振棱镜起偏后形成偏振化方向与纸面成 4。角的 5夹

电流互感器

维普资讯

第 3期

王政平，:拉第镜式光学电流互感器原理等法

3 9 9

线偏光，后通过无偏振效应分束器 N B然 P S透射后

射入单层四角型块状玻璃传感头，过 3个反射面经的 3次反射，经 4个传感臂，块状玻璃传感头一分绕

B )s警 n (=n ) i (tn : ,

( 5 )() 6

圈后进人法拉第镜，再从法拉第镜反射重新进人块状玻璃传感头，向绕传感头一圈后经 N B反 P S反射M

(= ) . ( 值和由待测电流作用产生 I法拉第旋转角 . N1 3传感头与待测电流的关系 .

㈩

(反射时不产生相移 )达偏振分束器 P S,射光 式中：、分别为第 k个传感臂上的线性双折射到 B出 二、_\

●被分成 P光与 S光，别经光电转换器件 P、分 D。P进人信号处理电路，据实际需要生成最终输出信根号 U.

— t二

-,

-r 1一

l

2

LED

4。 5偏光器 NP BS

法拉第镜

图 2系统的直角坐标 l F g. F r d y m i o—y e p i l i 1 a a a r rt p d o t a r c

Fi 2 S hm ai ig a o h Treinc o dn t y tm g. c e t da rm ft e(atsa o r iaes se cc re tt a so me y tm u r n r n f r rs s e

12反射矩阵与传输矩阵 .振幅归一化的入射光经 4。置的起偏棱镜后 5设偏振光矢量为=

传感头与待测电流的空间关系如图 2所示 .为便于理论分析与数值计算，电流沿轴的正向传令输，块状玻璃平放在 -平面内，设被测电流将 zy o假

穿过块状玻璃的正中央，每条传感臂的长度为 2,“

] .e

㈩则每条臂上由被测电流产生的法拉第旋转角相等 ( ) ( )其中传感臂 1法拉第旋转角为 J=声 J,的… ): dr - () 8

在块状玻璃反射面的 3次反射的反射矩阵为

L e 0J’ . 0 O 1]‘p l

a ei

。

式中：为 V re常数， Z edt对 F~7玻璃，光波长当

式中：:12 3 A= J、、, j 一为块状玻璃各反射面 .

等于 1 9 m时， 0n 2 V=72 2×1 A,人式 .2 0 代( )得 8, ( )=— l= 1 8 55× 1 J J V .0 0.

的反射相移 . 假定块状玻璃内部的传感光路构成的平面平行于纸面，光通过传输光臂 (、 3、)传输矩阵则 12、 4的为]

(0 1)

可见， J与 a无关 . ( )

14法拉第镜的琼斯矩阵 .,=

A (k Z; k,￣ b

),] . ( 3

法拉第镜又称法拉第旋转反射镜，一个集成是

光学器件，要功能是对入射线偏光反射，使其偏主并

式中： k=1 2 3 4 A(、、、,轭.

) A (, )复共是 的

振面在反射前后发生 9转 .作用的实质是法 0旋其拉第磁光

效应，直射人法拉第镜的偏振光在永久垂外磁场的作用下，旋转 j,后被反射镜反射，先 9角然

A )c警+.() s (=s )ii… 。 ( s訾 n() 4

反向出射过程偏振面再旋转角 .对于理想情况，:4。由于入射和出射光方向相反，射和出射 5.入

电流互感器

维普资讯

40 0

哈

尔

滨

工

程

大

学

学

报

第 2 6卷

测电流』的取值为：0以往的测量表明： 5 0A;单层保转置 .法拉第反射镜的琼斯矩阵为.

偏膜块状玻璃各面反射相移△≤一故取 A= ,

…

Ls C、『O ip1 C( O p一S )￣( J L n‘ i, S n. ) csp o( )

;块状玻璃 Z F一7的传感臂单位长度线性双折射的测量值。: 8/每个传感臂长 2=。为 5。 m,以 0 0 I为分析方便， .8I, T令=y取 y=5, 8×0 0× .8

譬0; J 15输出光的电矢量 .

由(、可：: 而式 )) 2 67得√ ((:

,

10 0 0、 6及 0 3 8≈ 8 0 1 2 3个值作图：用 Ma—利 t h C D做出式 (2、1 ) A 1 ) (3对应的输出光偏振图，如图 3所示 .

≠日 0寸

i当y 0 詈，=时.将以上结果依次代入可得各传光臂的传输矩阵，则经过 4。偏棱镜后的线偏振光 E经过 F 5起 MOC T后，出光 E的矩阵为输E (,,,』 A, )= F』 y ) R( (, I A ) F』 y ) 厶2 (, 2 R( ) F (, 3 R( ) 』 y ) 厶3 F (,4 M ( J y ) ) J y ) △3 F(, R( ) F(, 3 R( F(, 2 R( ) 』 y ) A2 ) 』 y ) 厶. F(, I E』 y ) ( 1 1)

如图 3所示，出光仍然保持线偏振状态，输而且，在不同线性双折射条件下，对应的 3条直线基本重合，明系统偏振态受线性双折射的影响可以忽表略 .,拉第镜式光学电流互感器设计可有效地改即法

善存在于传感头中的偏振态退化问题 .

输出光 E经过检偏棱镜

后形成的相互垂直的

2个分量 ( s一、 P一分量 ) Mah A在 tC D软件中分别

表示为

[ (,, ]、E』, J]. E』 A,。[ (,△, ) )

2输出光的偏振态分析 2.参数方程 1

为描绘输出光矢的轨迹，引入参数 0其取值范，围为：~2 .出光 S、 0兀输 P一分量的振动方向分别设为与光传输方向互相垂直并形成右手螺旋坐 标系的和方向 (图 2中的 xy平面 )输出光非 o,

图 3不同值的 F MOCI的输出光偏振图￣"Fi 3 P lrz t n saeda rm fteo tu ih g. oaia i tt ig a o h u p tl t o g

o RM C -"wih ted f r n au so fF L H t h if e tv le f7 e

3与单层保偏膜式 oC的对比 T对于单层保偏膜式 O H"其输出光矢的矩阵 C,为]。。 E (,,,』 y, )= F(, R ( ) 』 7 ) 』 y ) △, F(, R( A2 ) F(, 2』 y ) R( F(, E A ) 』 y )

在、方向上的振动方程如下：

(,,,,)[ (,, )。.o 』Y A =IW fY A,]Ic, 6( 2 1)

(,,j,)[ (,,,)』』 A, =!E』 ] . CS 0+ag E』, Jp]~ O; r[ (,△, ) a[ (, A, )。 r E』 y, p]} g2 2输出光的偏振态 .

为保证可比性，然保持 2 2中的各项条件、、仍 .』

(3 1)

A、 y不变， E将代入式 (2、 1 )得到单层保偏 1 )(3,膜式 0 T对应的输出光偏振态如图 4所示 . C 图 4中，出光已退化为椭圆偏振光，输而且，在

当=兀4即法拉第反射镜为理想情况时，/,被

电流互感器

维普资讯

第 3期

王政平，:等法拉第镜式光学电流互感器原理[] MI A M.P lraina dma n t pi po et f 2 S TH o i t n g eoo t rp r e o az o c i sy 00, ) (,80

s l mo e pi li rJ . pi t s 9 8 7 1: i e d t a f e[] Ap l Opi,17,l ( ) g n— o c b d e c5 2— 5 6.

『] N ZB,

RO E ,P AT 3 RE B RT P H AR TE P A.Lna i— ierbr efi e c e s rm e ti ig em o eo t a ir t i— rn n em au e n n sn l— d p i l b ewihcr g - c f -

c l l oai n u ih[] h sE:S i n t m, ua yp l z ip tl t J .J P y r re d g c sr l u18 9 5,1 8:8 9—8 2. 5 6、一

『]二 EN Z L,P L AUx J 4 TH卜 v A E L ,G1 I S N N,e a.Brf n t1 i r— ei

gn e e c

t i ieswi o tp l i r J .J f S n f r t u a z[] o b h o re

Lg t v c n l y 9 9.( ) 10 ihwaeTeh oo,1 8 7 8:2 7— 1 1 . g 22

[] T, EN C L, 5 KO TZ G WAN JH.Brfn e c x mia G i r gn ee a n— eit ni rc cl ie—urn— nigsse] i apat b r re t e s ytml .Ap l o n i f c a s n J pe i dOpi,1 9, 3 3 ) 6 3—7 9 . t s 9 4 3 (3:7 9 c 6 7

[] J O RSA .O ta— beb er g nemes r— 6 XU,R GE J p i lir i fn e c a ue c f r i metfrc r n nig ch ) et A] 1t S n o u e ts s:Te .1 g[ . lh OF e n is图 4不 I的单层保偏膜 OCT输出光偏振图司值Fi 4 Poaiain sa eda rm ft eo t u g. l z t tt ig a o h u p t r o l h ft esn l me im lr t n p ee vn i to h ige g du p a i i— rs r ig o a z o c aig t p d OCT t ifrn au so o t y e n wih dfee tv le f7

C nee c[ .S p r,9 6 o frne C] a p o 19 . o[] 7 WANG ZP,KAN C,HUANG Z J t 1 G ,e a.Opi l u— ta cr c rn sn ig ee e t t p lr a in p ee ig c a ig e t e sn

lm n wih o a z to— r r n o t s i s v n

不同线性双折射条件下，对应的椭率不同，椭率由小到大的 3个椭圆分别对应了 y=0 0、 .6 0 3 .8 0 1、 .2时输出光矢的轨迹 .这表明单层保偏膜式 O '系统 CI"受线性双折射的影响比较明显 .当温度、力等环境应因素诱发线性双折射变化时，统输出稳定性将受系到影响 . C o T场试实验也验证了这一点 .

frfrdy u e t eno J . Aca h tnc Snc, 0 aaa c r n s Nr[] t P oo i a ii al 9, 7 2:1 6一l 0 98 2 () 3 4

[] 8靳

伟，延彪，志鹏 .波光学传感器：廖张导原理与技术

[]北京：学出版社，9 8 l5—16 M .科 1 9,9 9.J N e,LI W i I AO n io,Z Ya ba HAN( Zhp n ie g.Pr cpe n i ilsa d n

Teh o ge f ie c n l i o dd—W a eOpi l nosl J e— o s Gu v t a S sr .B i c c M i g c n eP es 9 8 i:S i c rs,1 9 . n e

4结束语 近年来光学电流互感器研究取得了可喜的进

[] 9王政平，阮顺龄，伟民， .层介质膜反射棱镜式光孙等单学相位延迟器件研究[] J .光子学报， 9 7 2 ( ) 5 6— l9, 6 6: 55 0. 6

展，离实用化、品化仍然有一定的距离 .但产实用化的主要障碍是系统的温度稳定性问题 .章通过仿文真方法，提出了法拉第镜式光学电流互感器的传感方案，理论分析表明，带有偏振旋转功能的互易传感光路可以明显地抵消块状玻璃传感头中线性双折射对输出偏振态的影响 .文的工作可为 o T的实用该 C化研究提供有益的参考 .据此原理的技术成果已依申报专利 .

W ANG e g ig,RUPN h n ig,S Zh n p n u S ul n UN em i W i n,e 1 ta .

Re et gpi rtreswi igeme im yr] l n f i r m— ad r t as l d u l e . c s e h n a l JA t P oo i i i .1 9, 6 6: 5—5 0 ca h tnc Sn c a a 97 2

() 56 6.

[0王政平，庆波，慧丽， .光学玻璃电流传感头线性 1]李王等双折射的一种测量方法[] J .光子学报， 0 3 3 5) 2 0, 2(:6l 2—6l 4.

W AN G h n pn . L1 Qi g, W AN( Z e g ig nl m,Hul e a . i, t 1 i No e eh d t a u e h l e r br fig n e isd v lm t o O me s r t e ia i rn e c n ie n e

b l l scre t ni ed[] ukg s u n s h sJ .Ac h tnc ii a e g s n a t P oo i Sn— a aa 20, 25: 1 c, 0 3 3 ( ) 6 2—6 4, 1

参考文献：[] E E T W,J 1 C AS OHNS TON P.A g eoo t urn man t-pi cre t c t nd crJ,1 E rn nP e,9 0 5 2:4 r s ue[] E E T aso wr l19, ( ) 5 8— a D5 53

[任编辑：可为]责郑

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9691.html