電流傳感器 光纖：一文看懂光纖電流傳感器的基本原理！

光纖電流傳感器是電流傳感器的一種，它是由探測器，光源，調(diào)節(jié)器，以及電線光電探頭組成的。憑借其超強的絕緣性，高精準(zhǔn)度，便于安裝檢修等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。今天傳感愛好者就為大家介紹一下光纖電流傳感器的基本原理，希望大家能夠有所啟示！
光纖電流傳感器原理是什么？
當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
光纖電流傳感器優(yōu)勢有哪些？
1、測量準(zhǔn)確度高。
利用光的磁光效應(yīng)測量電流，徹底拋棄的電磁式鐵心繞組的結(jié)構(gòu)，沒有故障電流下的飽和漏電，測量也無磁滯效應(yīng)，同時具有高的抗電磁干擾的能力和靈敏度，準(zhǔn)確度。
2、設(shè)備安裝和檢修方便。
只需要更換線圈的規(guī)格來適應(yīng)不同的電壓等級，而其他部件不需要更換，具有良好的升級性。
3、絕緣結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，造價低。
由于光纖具有良好的絕緣特性，高低壓之間的絕緣通過光纖再加上絕緣套來完成，從而使互感器的結(jié)構(gòu)大為簡化。
4、有利于變電站綜合自動化水平的提高。
5、運行安全，不會產(chǎn)生二次開路的高壓和采用油浸式所引起的爆炸等現(xiàn)象。
以上就是傳感愛好者為您帶來的光纖電流傳感器基本原理的介紹了，想要充分發(fā)揮使用光纖電流傳感器的功能，我們還需得多了解一下原理，在對原理有足夠理解的基礎(chǔ)之下，對光纖電流傳感器的使用才能更加得心應(yīng)手。
 

電流傳感器 光纖：光纖電流傳感器

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光纖電流傳感器
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光纖電流傳感器是一種智能電網(wǎng)設(shè)備，其原理利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。
中文名
光纖電流傳感器
原    理
利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)
優(yōu)    點
抗電磁干擾能力強信號衰減小
應(yīng)    用
智能電網(wǎng)等
目錄
1
簡述
2
應(yīng)用
3
優(yōu)點
光纖電流傳感器簡述
編輯
語音
光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖
現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對電網(wǎng)的輸送和檢測提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高壓大電流的測量手段將面臨嚴(yán)峻的考驗．隨著光纖技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的光纖電流傳感系統(tǒng)，因具有很好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測量精度，容易小型化，沒有潛在的爆炸危險等一系列優(yōu)越性，而受到人們的廣泛重視．光纖電流傳感器的主要原理是利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)．根據(jù)of=VBl，通過對法拉弟旋轉(zhuǎn)角0F的測量，可得到電流所產(chǎn)生的磁場強度，從而可以計算出電流大小．由于光纖具有抗電磁干擾能力強、絕緣性能好、信號衰減小的優(yōu)點，因而在法拉弟電流傳感器研究中，一般均采用光纖作為傳輸介質(zhì)，其工作原理如《光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖》所示：激光束通過光纖，并經(jīng)起偏器產(chǎn)生偏振光，經(jīng)自聚焦透鏡人射到磁光晶體:在電流產(chǎn)生的外磁場作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)θF角度；經(jīng)過檢偏器、光纖，進人信號檢測系統(tǒng)，通過對θF的測量得到電流值．當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)中兩偏振器透光主軸的夾角為45°，經(jīng)過傳感系統(tǒng)后的出射光強為:l=(Io/2)(1+sin2θF)式中Io為入射光強．通過對出射光強的測量，就可以得出θF，從而可測出電流的大小．
光纖電流傳感器應(yīng)用
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語音
1、應(yīng)用于智能電網(wǎng)城市用電量的增加，使得供電設(shè)備經(jīng)常處于超負荷預(yù)裝狀態(tài)，電源設(shè)備面臨的考驗也越來越大，電子設(shè)備60%的故障都來自電源。隨著電源問題日益突出的嚴(yán)重性，電源技術(shù)漸漸被廣大廠商重視，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術(shù)漸成趨勢，保護電源的設(shè)備也隨之誕生，檢測電流或電壓的傳感器應(yīng)運而生。電流傳感器是指能感受被測電流并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，在國內(nèi)外的用途非常廣泛。閉環(huán)電流傳感器不間斷監(jiān)測電量隨著新能源技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展，電流傳感器在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)
[1]
用尤為重要，它是風(fēng)能渦輪機中轉(zhuǎn)換器必不可少的元件。在轉(zhuǎn)換器中，需要裝有非常多的小型或PCB電流傳感器，它屬于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保逆變器能夠迅速響應(yīng)。逆變器與發(fā)電機的同時作用，可以確保在風(fēng)能渦輪機啟動之后在一個很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率，直到渦輪機在上限風(fēng)速時停機為止。為了使驅(qū)動器能達到最好的工作狀態(tài)，需要對工作中的電流進行不間斷的測量，電流傳感器的性能直接影響著電路控制的質(zhì)量和響應(yīng)時間，這也是它能夠在風(fēng)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的原因。同時，閉環(huán)電流傳感器不僅帶寬高、響應(yīng)時間快，它還具有線性度好和精確度高等優(yōu)點。電流傳感器減少電纜負荷量在英國，一種適合于安裝在240伏-600安變電站主線上的電流傳感器誕生了，這種傳感器對變電站的電力輸出進行監(jiān)控，可以減少地方電網(wǎng)故障所造成的停電時間。電流傳感器可以對供電電纜進行電流監(jiān)控，若是電纜出線超負荷，這些電流傳感器可將一部分負荷轉(zhuǎn)移到其他相中，或者是新鋪設(shè)的電纜中，保護電纜的安全使用和運行。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和升級，電流傳感器也在技術(shù)、設(shè)計和效用等方面不斷進行改進和完善，對冶金、化工等行業(yè)的電流測流具有重大作用。基于智能電網(wǎng)的光纖電流傳感器新型光纖電流傳感器就是智能電網(wǎng)快速發(fā)展的科技產(chǎn)物。我國推出了XDGDL-1光纖電流傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了管線電流傳感系統(tǒng)的全數(shù)字閉環(huán)控制，具有穩(wěn)定性和線性度好、靈敏度高等特點，滿足了大量程范圍的高精度測量要求。同時，該系統(tǒng)開發(fā)了一種可現(xiàn)場繞制的伸縮結(jié)構(gòu)，安裝方便，可避免雜散磁場的干擾，母線偏心的測量誤差小于正負0.1%，實現(xiàn)了一種高精度信號轉(zhuǎn)換方案，為整流器控制設(shè)備提供高精度模擬信號和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信接口。工業(yè)升級發(fā)展促進電流傳感器改進在我國工業(yè)發(fā)展升級的驅(qū)動下，電力設(shè)備的安全性使用越來越受到重視。電流傳感器作為一個兼具保護性和監(jiān)控作用的工具，將會在未來的電網(wǎng)中起到更重要的意義。相比國外同類產(chǎn)品，國內(nèi)的電流傳感器技術(shù)還有很大的差距需要彌補和提高。國內(nèi)也逐漸涌現(xiàn)出有很多新型產(chǎn)業(yè)，都需要傳感器的支持，無論是出于安全性考慮還是市場效益考慮，電流傳感器將會趨于更加高效可靠，在低碳環(huán)保的要求下，小型化也是未來的一大趨勢，這也將促進國內(nèi)傳感器廠商投入更多的經(jīng)歷開發(fā)新技術(shù)和產(chǎn)品。在不久的將來，電流傳感器將會在更多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，同時將為新興物聯(lián)網(wǎng)打好基礎(chǔ)。
光纖電流傳感器優(yōu)點
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語音
(1)容易安裝，不用斷開導(dǎo)線，僅將細長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測電流，能實現(xiàn)整個傳感裝置的小利輕量化；(2)無電磁噪音的干擾。近年的計測控制系統(tǒng)中，一般將傳感器的輸出連接于半導(dǎo)體的電子回路，傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構(gòu)成，故具有抗電磁干擾(EMI)特性；(3)計測范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈；(4)因為信號通過光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實現(xiàn)長距離的信號傳輸。
參考資料
1.

光纖電流傳感器應(yīng)用于智能電網(wǎng)
．中國移動物聯(lián)網(wǎng)[引用日期2012-12-24]

電流傳感器 光纖：全光纖電流傳感器

摘要：

與傳統(tǒng)傳感器相比,全光纖電流傳感器(AFOCS)小巧量輕,無需鐵芯、材料絕緣、不會出現(xiàn)飽和、探測線性度高、輸出信號可直接數(shù)字化連接,它完全符合智能變電站與超高壓電網(wǎng)的建設(shè)和技術(shù)要求。論文從基本的電流測量需求出發(fā),針對目前AFOCS產(chǎn)品存在價格高昂,光路實現(xiàn)困難等缺點,主要進行了以下方面研究: 1.論文以Sagnac型AFOCS為主要研究對象,分析對比了AFOCS的各種光路,對其進行了詳細的理論推導(dǎo),運用瓊斯矩陣,推導(dǎo)出了AFOCS的數(shù)學(xué)模型和后期信號處理模型,為深入研究AFOCS奠定了理論基礎(chǔ)。同時,設(shè)計了一種基于3×3耦合器的In-line型AFOCS結(jié)構(gòu),論文對其可行性進行了理論模型推導(dǎo)及仿真,結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于耦合器分光比精確、穩(wěn)定。 2.改進了一種制作工藝——扭轉(zhuǎn)法來制作全光纖1/4波片,其與傳統(tǒng)的熔接法和變速spun法相比,制作流程簡單,不需要使用橢圓芯保偏光纖,而且可以采用普通的光纖熔接機進行操作,降低了全光纖1/4波片的制作難度。檢測結(jié)果表明,其消光比皆小于0.8dB,偏振度可達90%以上。同時,我們對1/4波片熔接角度和相位延遲誤差對AFOCS的影響進行了數(shù)學(xué)建模并仿真。最后得出,在線雙折射為零的情況下,當(dāng)系統(tǒng)需滿足0.2級精度要求時,扭轉(zhuǎn)角θ的誤差必須小于0.023rad,相位延時誤差△δ必須小于0.046 rad。 3.分析了傳感器的信號處理方法,針對目前信號處理方法上的一些缺陷,提出了一種新的解調(diào)辦法,并利用MATLAB對其數(shù)學(xué)模型進行了仿真,證明了其可行性。 4.搭建了 AFOCS系統(tǒng)樣機,完成了實驗樣機的初步研發(fā),同時,測試了不同調(diào)制幅度和調(diào)制頻率下系統(tǒng)的輸出信號變化,并最終確定了該系統(tǒng)的最佳調(diào)制電壓(1.76V)和頻率(23.845kHz)。對電流進行了初步測量,采集了信號,并編寫了解調(diào)程序軟件對信號進行了解調(diào),測量結(jié)果的最大誤差為6.492%。最后,對導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因進行了分析,同時對振動導(dǎo)致的誤差進行了改進,效果較好。

展開

電流傳感器 光纖：詳解光纖電流傳感器原理

現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對電網(wǎng)的輸送和檢測提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高壓大電流的測量手段將面臨嚴(yán)峻的考驗．隨著光纖技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的光纖電流傳感系統(tǒng)，因具有很好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測量精度，容易小型化，沒有潛在的爆炸危險等一系列優(yōu)越性，而受到人們的廣泛重視．光纖電流傳感器的主要原理是利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)．根據(jù)of=VBl，通過對法拉弟旋轉(zhuǎn)角0F的測量，可得到電流所產(chǎn)生的磁場強度，從而可以計算出電流大小．由于光纖具有抗電磁干擾能力強、絕緣性能好、信號衰減小的優(yōu)點，因而在法拉弟電流傳感器研究中，一般均采用光纖作為傳輸介質(zhì)，其工作原理如下圖：

光纖電流傳感器示意圖
激光束通過光纖，并經(jīng)起偏器產(chǎn)生偏振光，經(jīng)自聚焦透鏡人射到磁光晶體：在電流產(chǎn)生的外磁場作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)θF角度；經(jīng)過檢偏器、光纖，進人信號檢測系統(tǒng)，通過對θF的測量得到電流值．
當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)中兩偏振器透光主軸的夾角為45°，經(jīng)過傳感系統(tǒng)后的出射光強為：
l=（Io/2）（1+sin2θF）
式中Io為入射光強．通過對出射光強的測量，就可以得出θF，從而可測出電流的大小．
詳解光纖電流傳感器原理
1、光纖電流傳感器原理
Tip：當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
01、光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)

圖示：光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成（如圖所示）。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。從傳感頭有無電源的角度，可分為無源式和有源式兩類。
02、無源式光纖電流互感器（OFCT）
OFCT主要利用了法拉第磁光效應(yīng)。即磁場不能對自然光產(chǎn)生直接作用，但在光學(xué)各向同性透明介質(zhì)中，外加磁場H可使在介質(zhì)中沿磁場方向傳播平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象被稱為磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。　　當(dāng)一束線性偏振光通過置于磁場中的法拉第旋光材料時，若磁場方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角θ正比于磁場強度H沿偏振光通過材料路徑的線積分：

式中，V為磁光材料的Verder常數(shù)，旋轉(zhuǎn)角度θ與被測電流i成正比。利用檢偏器將旋轉(zhuǎn)角θ的變化，轉(zhuǎn)換為輸出光強度的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號處理，便可求得被測電流i，如圖所示。

圖示：光纖電流傳感器傳感頭
03、有源式光纖電流傳感器（HOCT）
這是一種基于傳統(tǒng) 互感器傳感原理，利用有源器件調(diào)制技術(shù)、以光纖為信號傳輸媒介，將高壓側(cè)轉(zhuǎn)換得到的光信號送到低壓側(cè)解調(diào)處理，并得到被測電流信號的新型傳感器。它既發(fā)揮了光纖系統(tǒng)的絕緣性能好、抗干擾能力強的優(yōu)點明顯降低了大電流高壓互感器的體積、重量和制造成本，又利用了傳統(tǒng)互感器原理技術(shù)成熟的優(yōu)勢，避免了純光學(xué)互感器光路復(fù)雜、穩(wěn)定性差等技術(shù)難點。　　有源OFCT是通過一次采樣傳感器（空心線圈或小CT，電阻分流器） 將電流信號傳遞給發(fā)光元件而變成光信號，再由光纖傳遞到低電位側(cè)、變換成電信號以后輸出。高壓側(cè)電子器件供電方式有光供電、母線電流供電和太陽能電池供電等。目前應(yīng)用最多的是采用空心線圈的有源式OFCT，其組成原理圖如圖所示。

圖示：有源式光纖電流傳感器構(gòu)成原理圖
空心線圈的截面為矩形或圓形，其感應(yīng)電動勢與線圈的尺寸、匝數(shù)以及一次電流有關(guān)，受外磁場和載流導(dǎo)體位置的影響小。因此，對空心線圈的輸出電壓積分即可還原為被測電流。