基于Bi₄Ge₃O₁₂晶体的全反射型法拉第光纤电流传感器

【作者】 王美蓉； 赵建林； 周王民； 张鹏； 卫沛锋；

【机构】 西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所陕西省光信息技术重点实验室；

【摘要】 光纤电流传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等优点,而且可以适应电力系统测量的数字化、自动化以及光通信的发展趋势,因而在电力工业中具有广泛的应用前景和良好的社会经济效益。本文采用Bi4Gi3O12晶体作为传感元件,设计了一种全反射式闭合磁环型法拉第光纤电流传感器, 并对其传感性能进行了理论分析和实验研究。将晶体加工成一个楔形,在楔形端面镀上金属膜,通过信号光的多次反射来增加传感器的有效光学路径,从而得到较高的传感器灵敏度。利用亥姆霍兹线圈模拟直流磁场,通过光纤传光,对所设计的传感头进行了实验研究。结果表明,该系统具有较好的线性度和较大的动态范围,但存在一定的系统误差。最后,对产生系统误差的主要因素——反射相移及其消除方法进行了详细地理论分析和数值模拟。结果表明,当光束严格地以临界角在晶体中反射时,传感器的灵敏度最高;一旦光束偏离临界角,则由于反射相移的影响传感器灵敏度下降。此外,传感头端面不同镀膜材料引起的附加法拉第偏转有很大差异,该影响可以通过镀单层介质保偏膜来消除。当传感头端面镀金属膜时,计算机模拟结果表明,金属膜引起的附加法拉第偏转角与作用在传感头上的磁感应强度呈很好的线性关系。因此可通过将传感器的测量值乘上一个补偿系数来消除系统所产生的误差。理论分析和实验结果均表明,基于Bi4Gi3O12晶体的光纤电流传感器可以发展成一种性能优良的实用传感器。更多还原