偏振式電流傳感器研究進(jìn)展與展望

許少毅， 薛宏宇， 邢方方， 張 栓， 陳 光，彭 強(qiáng)， 董 峰

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221005；3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 靈璧縣供電公司，安徽 宿州 234200)

1 引 言

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)和高壓變電站對(duì)安全性、準(zhǔn)確性、數(shù)字化的需求不斷增加，傳統(tǒng)的電磁式互感器由于體積大、存在磁飽和、有油易燃易爆等一些缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用需求。近年來，基于磁光效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等的電壓電流傳感器迅速發(fā)展，一系列電壓電流的精密測量及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)被突破，為電流測量提供了技術(shù)支撐[1～3]。高壓電流測量領(lǐng)域，基于磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器是最為主流的發(fā)展方向，光纖電流傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：測量精度高、抗電磁干擾性能好、體積小、重量輕、頻帶寬、安全可靠等。大量研究表明，光纖電流傳感器具有優(yōu)越的性能，適合應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式互感器[4～7]。

基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器大致可以分為兩類：一種是塊狀玻璃型；一種是全光纖型。全光纖型又可分為偏振式和相位調(diào)制式。全光纖型電流傳感器具有良好的抗電磁干擾能力，但光纖圈容易產(chǎn)生嚴(yán)重的線性雙折射，使用旋轉(zhuǎn)光纖[8]可以減少線性雙折射，或者使用具有低雙折射、高Verdet常數(shù)的火石玻璃光纖[9]，同樣可以減少線性雙折射。塊狀玻璃型電流傳感器通常由一塊低線性雙折射高Verdet常數(shù)的玻璃晶體組成，傳感單元通常呈三角形、方形和圓形等閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以免受外部磁場的影響[10]。

與全光纖電流傳感器相比，塊狀玻璃型電流傳感器對(duì)線性雙折射不敏感，還具有更高的靈敏度、更大的動(dòng)態(tài)范圍和頻寬，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊[11]，但由于需要精確的校準(zhǔn)，光學(xué)元件加工困難，難以在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。相位調(diào)制式光纖電流傳感器有反射型和干涉型兩種，相位調(diào)制式光纖電流傳感器是基于光纖陀螺技術(shù)發(fā)展而來的，在經(jīng)過一系列技術(shù)難題(例如溫度補(bǔ)償，線性雙折射抑制等)得以解決的基礎(chǔ)上，發(fā)展成為較成熟的傳感器，在一些變電站中已掛網(wǎng)使用，這種類型的全光纖電流傳感器，在測量交流電和直流電時(shí)都表現(xiàn)出良好的性能，在室外溫度變化范圍內(nèi)，精度可達(dá)±0.1%[12]。然而，相位調(diào)制式傳感器因?yàn)橄辔徽{(diào)制器的成本較高，且在光電單元和傳感頭之間必須是保偏光纖連接，需要專業(yè)的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場精確安裝。

相對(duì)于相位調(diào)制式電流傳感器，偏振式電流傳感器結(jié)構(gòu)都是無源器件，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但之前的偏振式電流傳感器對(duì)于振動(dòng)和溫度等環(huán)境因素的變化十分敏感，盡管學(xué)者們針對(duì)偏振式電流傳感器的問題提出了很多解決方案，如利用幾何旋光效應(yīng)抑制線性雙折射、高圓雙折射光纖[8]、扭轉(zhuǎn)光纖[13]、退火光纖[14]等，但仍難以實(shí)用化。近年來，由于新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，若干技術(shù)難題得以解決，偏振式電流傳感器重新得到科研人員的重視，下文將從偏振式電流傳感器結(jié)構(gòu)方案、技術(shù)手段、信號(hào)檢測方案、系統(tǒng)特性等方面進(jìn)行綜述。同時(shí)，提出了一種基于單模光纖引導(dǎo)的偏振式電流傳感器結(jié)構(gòu)方案，在此之前，先對(duì)旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖作了綜述。

2 偏振式電流傳感器的技術(shù)改進(jìn)

2.1 改進(jìn)光學(xué)元件

Briffod等[15]提出了一種偏振式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，為了提高光纖電流傳感器的靈敏度，引入了22.5°法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振光往返通過22.5°法拉第旋轉(zhuǎn)器后偏振方向旋轉(zhuǎn)了45°。為了提高傳感器的穩(wěn)定性，引入了法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)，偏振光通過FRM將旋轉(zhuǎn)90°，光在快慢軸的前向和后向傳輸過程中將會(huì)交換位置，消除殘余雙折射的影響。這種結(jié)構(gòu)可以有效提高光纖電流傳感器的穩(wěn)定性，引入了22.5°法拉第旋轉(zhuǎn)器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，可以達(dá)到較高的測量精度，動(dòng)態(tài)測量范圍可達(dá)4 kA，噪聲電流只有700 mA。表明法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相對(duì)普通反射鏡可以有效抑制溫度變化對(duì)傳感器的影響。

圖1 使用22.5°的法拉第旋轉(zhuǎn)器的偏振式電流傳感器[15]Fig.1 Polarimetric current sensor using a 22.5° Faraday rotator

然而，Alasia[16]指出，雖然這種結(jié)構(gòu)不需要調(diào)整各光學(xué)元件，在實(shí)際應(yīng)用中，法拉第旋轉(zhuǎn)器前的連接光纖會(huì)引入隨機(jī)雙折射，無法保證法拉第旋轉(zhuǎn)器線偏振輸出，因此需要引入偏振控制器來補(bǔ)償線性雙折射的影響，如圖2所示。Alasia通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在寬幅變溫范圍內(nèi)，改進(jìn)后的傳感器測量精度在0.2% 以內(nèi)。雖然偏振控制器可以實(shí)現(xiàn)雙折射補(bǔ)償，然而在實(shí)際工作中，隨機(jī)雙折射的大小是未知的，要利用偏振控制器調(diào)整并不容易，不僅增加了操作步驟的復(fù)雜性，同時(shí)增加了光學(xué)元件，提高了成本。

圖2 引入偏振控制器的全光纖電流傳感器[16]Fig.2 All fiber current sensor with polarization controller

2.2 選擇合適的光纖

機(jī)械振動(dòng)對(duì)光纖電流傳感器的影響分為兩種：一種是光彈效應(yīng)；一種是幾何效應(yīng)。幾何效應(yīng)是指偏振光沿曲線傳輸過程中偏振面旋轉(zhuǎn)角發(fā)生變化的現(xiàn)象。火石玻璃光纖是一種低雙折射單模光纖，由低光彈常數(shù)的火石玻璃制成，使用火石玻璃光纖可以免疫應(yīng)力對(duì)雙折射的影響，但仍需要考慮幾何效應(yīng)的影響。為此，在火石光纖末端設(shè)置一個(gè)反射鏡，使得偏振光往返過程中通過相同的路徑以抵消幾何效應(yīng)的影響，改進(jìn)后的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示[17,18]。經(jīng)過改進(jìn)后的光路結(jié)構(gòu)在很大程度上抑制了幾何效應(yīng)的影響，然而增加的偏振分束器2個(gè)端口的輸出光功率不完全相等，光功率分配不均會(huì)影響輸出精度。

圖3 使用火石玻璃光纖的光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)[17，18]Fig.3 Fiber optic current sensor structure using flint glass optical fiber

光纖線性拍長隨溫度的變化對(duì)干涉型電流傳感器的信號(hào)輸出影響很小，而對(duì)于偏振式傳感器則影響很大。所以對(duì)偏振式傳感器，更應(yīng)該考慮光纖的參數(shù)選擇。Short等[19]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于干涉型電流傳感器，橢圓芯光纖可以表現(xiàn)出低的溫度敏感性。Muller等[20]將這一理論應(yīng)用于偏振式電流傳感器，通過使用較小溫度系數(shù)的橢圓芯旋轉(zhuǎn)光纖，可以使傳感器對(duì)溫度變化不敏感。近年來，光纖的生產(chǎn)工藝、功能和結(jié)構(gòu)的日新月異，出現(xiàn)了很多適用于全光纖電流傳感器上的特種光纖，如旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖，不僅可以抑制溫度的影響，同時(shí)可以抑制應(yīng)力雙折射的影響，為偏振式電流傳感器的發(fā)展注入了新的活力。

2.3 優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)

Tang[21]提出了一種基于磁光平衡原理的光纖電流互感器(FOCT)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，如圖4所示，當(dāng)偏振光通過導(dǎo)體周圍的線圈時(shí)，由于導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場作用，偏振光旋轉(zhuǎn)角度為φ1，當(dāng)偏振光經(jīng)過螺線管時(shí)，受到螺線管電流激發(fā)的磁場作用，偏振光旋轉(zhuǎn)角度為φ2，使φ1=-φ2，形成閉環(huán)控制。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是，雖然存在大量線性雙折射，測量精度卻很高。然而這種控制方法存在一些問題，首先，螺線管產(chǎn)生的磁場會(huì)影響導(dǎo)體周圍的磁場，進(jìn)而影響偏振光通過導(dǎo)體周圍線圈時(shí)的偏轉(zhuǎn)角，其次，螺線管產(chǎn)生的熱量會(huì)影響到螺線管周圍光纖環(huán)路中的偏振光的旋轉(zhuǎn)角。因此，對(duì)螺線管周圍磁屏蔽和對(duì)光纖環(huán)路熱屏蔽是必不可少的。

圖4 基于磁光平衡原理的光纖電流互感器(FOCT)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略[21]Fig.4 Fiber optic current transducers topology and control strategy based on magneto-optical balance principle

Zhang H Y等[22]提出了一種基于FRMC的光纖傳感器，如圖5所示。

圖5 基于FRMC的光纖電流傳感器[22]Fig.5 All fiber current sensor based on FRMC

在傳統(tǒng)的全光纖電流傳感器中，由于使用了起偏器和單端口探測器，檢測信號(hào)受光源功率噪聲波動(dòng)影響較大，在新方案中，全光纖電流傳感器采用偏振分束器和平衡探測器來提高系統(tǒng)性能，平衡探測器2個(gè)輸入端口的信號(hào)相減，反相信號(hào)加倍，使源功率波動(dòng)引起的噪聲最小化。傳感頭使用了FRMC(一個(gè)耦合器和兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡)，可以使傳感器對(duì)線性雙折射不敏感。然而，由于光通過偏振分束器存在損耗，使得平衡探測器的2個(gè)輸出端口的輸出光功率存在偏差，在一定程度上還是會(huì)受光功率波動(dòng)的影響。傳感頭使用FRMC結(jié)構(gòu)，在抑制線性雙折射的同時(shí)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.4 采用溫度補(bǔ)償

Bohnert K在之前的Sagnac型電流傳感器研究中，將光纖四分之一波片用于溫度補(bǔ)償，通過確定一個(gè)常溫條件下的相位延遲角度，使得變溫環(huán)境下光纖的四分之一波片相位延遲的變化對(duì)互感器的影響與Verdet常數(shù)隨溫度變化的影響相反，二者恰好相互補(bǔ)償以減小互感器的系統(tǒng)誤差[23]。最近，Bohnert K[24,25]又將該理論用于偏振式電流傳感器，如圖6所示。采用了集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并利用光纖波片對(duì)傳感頭進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在-45 ℃到85 ℃范圍內(nèi)，該傳感器的交流電測量精度達(dá)到±0.1%，但對(duì)于直流電測量則沒有達(dá)到干涉型傳感器精度?？傮w來看，通過四分之一波片溫度補(bǔ)償，達(dá)到了預(yù)期的效果，同時(shí)采用了集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加了傳感器的穩(wěn)定性。同時(shí)，該傳感器的光電單元和傳感器頭之間采用單模光纖連接方式而無需保偏光纖，便于現(xiàn)場安裝，可以實(shí)現(xiàn)更長的傳輸線路。

圖6 基于溫度補(bǔ)償?shù)钠袷焦饫w電流傳感器[24，25]Fig.6 Polarimetric fiber-optic current sensor based on integrated optical waveguide and temperature compensation

王來龍等[26]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的溫度補(bǔ)償方案，利用該算法對(duì)偏振式光纖電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型進(jìn)行訓(xùn)練，尋找到傳感器變比系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系并進(jìn)行線性擬合，通過寬幅變溫環(huán)境下測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的電流傳感器溫度誤差小于0.5%，滿足《GB/T 20840.8》中規(guī)定的0.5級(jí)電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)，但使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要有一定的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。

2.5 改進(jìn)信號(hào)檢測方案

圖7 PDM與PD檢測方案傳感器靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果[28]Fig.7 PDM and PD detection scheme sensor sensitivity experiment results

2.6 采用集成光波導(dǎo)技術(shù)

集成光波導(dǎo)技術(shù)是將不同功能結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件集成于芯片大小的基底上以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)處理的技術(shù)，Oh等[29,30]對(duì)集成光波導(dǎo)做了大量研究，集成光波導(dǎo)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，避免了分散式光學(xué)器件的使用，但具有光學(xué)元器件的功能，而且通過集成光波導(dǎo)的光不易受溫度和振動(dòng)等影響，因此集成光波導(dǎo)非常適用于各種光信號(hào)的處理。在集成光波導(dǎo)中，光分束器作為最基本的光無源器件之一，在集成光波導(dǎo)中占據(jù)著重要地位，光分束器的主要作用是將光信號(hào)按設(shè)定比例從輸出端輸出，之前的研究人員提出了多種類型的集成光分束器，但是可處理光的偏振態(tài)較為單一，而且光分束器的串?dāng)_值受加工條件的影響，為了解決這個(gè)問題，Han等[31]提出了一種新的LiNbO3集成光分束器，通過2個(gè)不同方向的電場來獨(dú)立控制2個(gè)偏振輸出功率，圖8中顯示了該裝置的結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)雙模波導(dǎo)，通過2個(gè)Y分支連接到4個(gè)單模輸入輸出波導(dǎo)上，在雙模波導(dǎo)上有2個(gè)電極，在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生沿2個(gè)極化方向的電場，通過控制電場的大小就可以實(shí)現(xiàn)線偏振光正交方向的分光。這種使用雙電極的集成光分束器相比無電極或單一電極的集成光分束器提高了偏振光的分光能力，但同時(shí)增加了光分束器的制造復(fù)雜性，且雙電極產(chǎn)生的電磁場容易相互干擾。

圖8 集成波導(dǎo)光分束器結(jié)構(gòu)[31]Fig.8 Integrated waveguide polarization beam splitter structure

除了通過電場來控制分光，還可以通過選擇合適的波導(dǎo)芯材料實(shí)現(xiàn)分光。集成光波導(dǎo)材料一般由硅、二氧化硅和聚合物等材料制成，其中，聚合物光波導(dǎo)材料相比其他材料有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，即聚合物的雙折射與有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過使分子在某個(gè)方向上排列可以獲得大的雙折射。據(jù)此Huang等[32]提出了一種包含紫外線固化液晶和反應(yīng)性液晶元(RM)的光分束器， RM是在液晶顯示器中廣泛使用的聚合物材料。在RM和另一種聚合物之間的界面處，由于RM具有較大的折射率，TE和TM偏振經(jīng)歷不同的菲涅耳反射，因此，TE偏振在界面處發(fā)生全反射(TIR)，TM偏振則通過界面，如圖9所示，根據(jù)這一原理，巧妙地將TM偏振和TE偏振分開，達(dá)到了分光的目的。相比之前的使用電場分光的集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單、不需要施加電場，可以使光分束器具有小的偏振串?dāng)_、低的光損耗(小于30 dB)和良好的可靠性。

圖9 RM集成光分束器結(jié)構(gòu)[32]Fig.9 RM integrated optical beam splitter structure

為了將集成光波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于光纖電流傳感器，需要將波片和起偏器等也集成到光波導(dǎo)芯片上，Chu等[33]將半波片和起偏器與光分束器集成到一起，制成了一種光纖電壓傳感器，如圖10所示，通過使用集成光學(xué)元件，調(diào)整傳感器的初始相位工作點(diǎn)，可以控制傳感器的偏置點(diǎn)，從而得到較好的線性度和測量精度。

圖10 光學(xué)電壓傳感器和聚合物波導(dǎo)芯片示意圖[33]Fig.10 Schematic diagram of optical voltage transducer and the Polymer waveguide integrated-optic bias chip

集成光波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于光纖電流傳感器，不僅可以減少大體積光學(xué)元件的使用，避免光學(xué)元件尾纖連接處引入的偏振誤差，同時(shí)可以提高光纖電流傳感器的穩(wěn)定性。然而，在集成光學(xué)器件中各器件集成在一起，不能單獨(dú)測量某個(gè)器件的參數(shù)來判斷是否符合要求，而是要將輸入和輸出信號(hào)結(jié)合起來分析，使集成光波導(dǎo)的誤差在正常范圍內(nèi)。為了解決這一問題，Oh等[34]使用了加入熱光相位調(diào)制器的集成波導(dǎo)，熱光相位調(diào)制器可以控制偏振態(tài)的變化，從而可以調(diào)節(jié)所需的輸出偏振態(tài)。如圖11所示，Oh等將這種集成光波導(dǎo)應(yīng)用于光纖電流傳感器中，這種光纖電流傳感器的測量精度可達(dá)0.2%。

圖11 含有集成光電流傳感器芯片的電流傳感器結(jié)構(gòu)[34]Fig.11 Configuration of the current sensors incorporating the integrated optical current transducer chip

為了進(jìn)一步驗(yàn)證集成光波導(dǎo)電流傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁傳感器具有無可比擬的優(yōu)勢，Kim等[35]將集成光波導(dǎo)的電流傳感器與傳統(tǒng)的電磁互感器信號(hào)輸出作了對(duì)比，如圖12所示，集成光波導(dǎo)電流傳感器測量值的相對(duì)誤差在±0.2%以內(nèi)，達(dá)到了電力電網(wǎng)系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)傳感器進(jìn)行長時(shí)間的電流測量，驗(yàn)證了傳感器的穩(wěn)定性。當(dāng)傳感器在有溫度控制的實(shí)驗(yàn)室工作15 h時(shí)，信號(hào)誤差波動(dòng)在±0.5%以內(nèi)，如圖13所示。由此可見，隨著電網(wǎng)系統(tǒng)朝著智能化、輕型化方向發(fā)展，使用集成光波導(dǎo)的電流傳感器將突顯出巨大的優(yōu)勢，成為未來電力行業(yè)應(yīng)用的趨勢。

圖12 傳感器與電磁互感器相比的輸出線性度和相對(duì)誤差圖[35]Fig.12 Linearity of the sensor output measured when the applied current varied and relative error compared with the electrical CT

圖13 在沒有工作點(diǎn)反饋偏置控制的情況下進(jìn)行長期電流測量結(jié)果[35]Fig.13 Result of the long-term current measurement without operating point feedback bias control

3 旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的發(fā)展

研究人員發(fā)現(xiàn)，在光纖中引入大量的圓雙折射，可以很好地抑制應(yīng)力引起的線性雙折射，為了引入大量圓雙折射，通過在拉伸過程中旋轉(zhuǎn)高線性雙折射的預(yù)制體或者將保偏光纖熔融后快速旋轉(zhuǎn)，使光纖雙折射軸快速內(nèi)旋，得到橢圓雙折射光纖，采用合適的旋轉(zhuǎn)率可得到實(shí)用的旋轉(zhuǎn)光纖[36]。將旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖用于電流傳感器，可實(shí)現(xiàn)電流高精度、較穩(wěn)定的測量。

旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖可以很好地抑制彎曲振動(dòng)等引起的線性雙折射，但由于光纖的線性雙折射依賴于熱應(yīng)力，因此旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖產(chǎn)生的橢圓雙折射大小對(duì)溫度比較敏感，為了解決這一問題，學(xué)者們提出了很多方案，Clarke等[37]提出了一個(gè)方案，如圖14所示，通過使相同的2束光從同一段旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的兩端進(jìn)入，由于這2束光經(jīng)過了相同的光纖段，溫度影響將會(huì)被抵消，然而，光通過耦合器后存在分光不均的現(xiàn)象，溫度的影響不會(huì)完全抵消。

圖14 旋轉(zhuǎn)光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)[37]Fig.14 Spun fiber current sensor structure

為了補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)光纖的溫度影響，Dong等[38]提出了一種新的信號(hào)檢測方法，如圖15所示。通過將輸出光強(qiáng)均分為2部分，采用4個(gè)光電探測器接受直流和交流分量，在信號(hào)處理過程中進(jìn)行補(bǔ)償，先用扭轉(zhuǎn)光纖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，后換成旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖，均測得了穩(wěn)定的法拉第相移。該雙通道測量方案巧妙地利用非偏振分束器將一束光等光強(qiáng)分成2束，但相位相差45°，使用2個(gè)通道得到的交流分量可以方便地得到法拉第旋轉(zhuǎn)角，唯一需要注意的是非偏振分束器引入的誤差，當(dāng)分成的2束光的光強(qiáng)不等量時(shí)，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。

圖15 傳感器雙通道溫度補(bǔ)償方案[38]Fig.15 The dual-channel compensation scheme for the sensor

除了進(jìn)行溫度補(bǔ)償，還可以通過改變旋轉(zhuǎn)雙折射光纖的材料來提高溫度穩(wěn)定性。Michie等[39]發(fā)現(xiàn)，一種高雙折射光子晶體光纖(PCF)對(duì)-25 ℃到800 ℃范圍內(nèi)的溫度變化不敏感。高雙折射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)如圖16所示，用旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體光纖(SHiBi-PCF)代替旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖，不需要溫度補(bǔ)償也能達(dá)到很高的溫度穩(wěn)定性。圖17所示為旋轉(zhuǎn)高雙折射熊貓光纖和旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體光纖在-25 ℃到100℃之間每10℃雙折射隨溫度的相對(duì)變化，可以看出，旋轉(zhuǎn)高雙折射熊貓光纖隨溫度變化較為明顯，而旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體光纖隨溫度變化很小。Beravat等[40]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，存在一個(gè)最佳中空通道直徑和通道間距比值，可以使得旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體光纖的圓雙折射最大。在波長1 550 nm時(shí)用旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)率α=1.82 rad/mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中空通道直徑與通道間距比值為0.37時(shí)，圓雙折射最大。因此，用旋轉(zhuǎn)高雙折射光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖作為光纖電流傳感器的傳感光纖，可以更好的提高傳感器的穩(wěn)定性。

圖16 PCF電子顯微照片及PCF結(jié)構(gòu)示意圖[39]Fig.16 Scanning electron micrograph of the PCF and schematic of the PCF structure

圖17 熊貓光纖和SHiBi-PCF隨溫度的雙折射相對(duì)變化[39]Fig.17 Birefringence versus temperature for both a Panda fibre and the SHiBi-PCF

圖18 歸一化圓雙折射隨中空通道直徑與通道間距比值變化[40]Fig.18 Normalized circular birefringence as a function of ratio of hollow channel diameter to channel spacing

4 光纖四分之一波片的發(fā)展

光纖四分之一波片在全光纖電流傳感器中是很重要的光學(xué)器件，光纖四分之一波片的作用是將線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，在全光纖干涉型電流傳感器中扮演著重要角色，傳統(tǒng)的四分之一波片的制作方法是截取四分之一拍長的保偏光纖，但是波片延遲隨溫度的變化嚴(yán)重影響全光纖電流傳感器的靈敏度，相反，保偏光子晶體光纖具有更好的溫度穩(wěn)定性，因此用保偏光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保偏光纖用作光纖四分之一波片最為合適。

Zhang R等[41]分別使用保偏光子晶體光纖和傳統(tǒng)的保偏光纖制備了光纖四分之一波片，并應(yīng)用于全光纖電流傳感器，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果如圖19所示，在-40 ℃到70 ℃范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的保偏光纖四分之一波片造成的系統(tǒng)誤差大于4.8%，而保偏光子晶體四分之一波片造成的系統(tǒng)誤差僅為8.45‰，因此可見保偏光子晶體四分之一波片具有更好的溫度穩(wěn)定性能。

圖19 傳統(tǒng)保偏光纖和保偏光子晶體光纖制作的光纖四分之一波片引起的系統(tǒng)誤差[41]Fig.19 System error caused by QWP made of conventional PMF and PM PCF

Chu等[42]用光子晶體光纖制作了光纖四分之一波片，融合旋轉(zhuǎn)高雙折射傳感光纖與集成光波導(dǎo)技術(shù)，制作了新的電流傳感器結(jié)構(gòu)，以解決集成光波導(dǎo)電流傳感器中傳感頭溫度敏感性問題，為了證明光子晶體光纖和旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖組合具有優(yōu)異的性能，一個(gè)電流傳感器的傳感頭使用光子晶體光纖四分之一波片和旋轉(zhuǎn)高雙折射傳感光纖；另一個(gè)電流傳感器的傳感頭使用保偏光纖四分之一波片和熔融傳感光纖，對(duì)于超過70 ℃范圍的溫度變化，兩種傳感器的輸出信號(hào)誤差如圖20所示，保偏光纖四分之一波片和熔融光纖組合的傳感器輸出信號(hào)幅值變化大于7%，而光子晶體光纖四分之一波片和旋轉(zhuǎn)高雙折射傳感光纖組合的傳感器信號(hào)幅值變化在±1%以內(nèi)，只有前者的1/7。

圖20 不同波片和傳感光纖組合的傳感器溫度依賴性[42]Fig.20 Sensor temperature dependence of different wave plate and sensing fiber combinations

Bohnert[25]曾利用不完備四分之一波片補(bǔ)償?shù)碗p折射光纖，Muller[43]則將溫度補(bǔ)償方法推廣到旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖，如圖21所示，利用光纖四分之一波片來補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)高雙折射傳感光纖，通過調(diào)節(jié)波片的方位角和長度偏移量，使得溫度對(duì)波片的影響與溫度對(duì)旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的影響相抵消。

圖21 傳感器結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)光纖、PM光纖尾纖和波片慢軸相對(duì)方向[43]Fig.21 Sensor configuration and relative orientation of slow axes of PM lead fiber,retarder,and spun fiber

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在-40-85 ℃范圍內(nèi)光纖電流傳感器信號(hào)誤差小于±0.2%，滿足電力系統(tǒng)的需求，進(jìn)一步證明，使用旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的電流傳感器測量電流時(shí)具有良好的線性度。該傳感器結(jié)構(gòu)器件可以進(jìn)一步改進(jìn)，如將波片換成旋轉(zhuǎn)高雙折光子晶體光纖四分之一波片，可以進(jìn)一步提高傳感器的穩(wěn)定性。

學(xué)者們對(duì)旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的其他特性也做了一些研究，Polynkin[44]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)高雙折光纖的彎曲會(huì)削弱旋轉(zhuǎn)雙折射光纖的保偏能力，使得光纖中的光的偏振態(tài)沿光纖緩慢振蕩，振蕩的幅值隨著彎曲的加劇而增加，偏振態(tài)測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖22所示，圖23是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出當(dāng)螺線管沿光纖移動(dòng)時(shí)，輸出的交流信號(hào)會(huì)以曲線的形式振蕩，這是因?yàn)楣獾钠駪B(tài)隨著螺線管沿光纖的移動(dòng)而發(fā)生變化，同時(shí)光纖各部分對(duì)磁場的靈敏度是不一致的，載流導(dǎo)體相對(duì)傳感線圈的偏心位置也會(huì)影響傳感器的穩(wěn)定性。

圖22 偏振態(tài)演化測量實(shí)驗(yàn)裝置[44]Fig.22 Experimental setup used to measure the evolution of the polarization

Gubin等[45]研究了基于法拉第效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)光纖偏振特性，提出了旋轉(zhuǎn)光纖的模型，通過模型進(jìn)一步研究了旋轉(zhuǎn)光纖彎曲半徑和長度對(duì)傳感器靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定的光纖半徑，光纖長度小于16 m時(shí)靈敏度基本不受光纖長度影響。且光纖半徑越小，靈敏度越差，如圖24所示。

圖24 傳感器靈敏度隨光纖直徑的變化[45]Fig.24 Normalized sensitivity of the sensor as a function of the winding diameter of the spun fiber

針對(duì)Polynkin的研究結(jié)果，Przhiyalkovsky等[46,47]進(jìn)一步研究了光通過彎曲旋轉(zhuǎn)光纖的理論模型，該理論可以用來計(jì)算偏振態(tài)的平均波長參數(shù)和光纖的磁光靈敏度，又以邦加球法研究了旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖中偏振態(tài)的演化，但這些都只是理論上的研究，為了能夠更直觀地了解旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖中的線性雙折射和圓雙折射，天津大學(xué)Xu等[48]利用二元偏振旋轉(zhuǎn)器同時(shí)測量了旋轉(zhuǎn)光纖中的圓雙折射和線性雙折射，實(shí)驗(yàn)裝置如圖25所示，由二元磁光偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)、二元磁光偏振分析器(PSA)和計(jì)算機(jī)組成，二元PSG和PSA各自由四分之一波片、6個(gè)二元偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振器組成，PSA還包含一個(gè)光探測器和一個(gè)放大電路。在PSG中，每個(gè)二元偏振旋轉(zhuǎn)器可以使偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)±22.5°，以產(chǎn)生6種不同的偏振態(tài)；PSA通過分析光探測器輸出電壓可以精確地測量偏振態(tài)。首先將1 m長的保偏光纖和10 m長的旋轉(zhuǎn)光纖熔接，測量圓雙折射和線性雙折射以驗(yàn)證算法和測量系統(tǒng)的有效性；然后將10 m的旋轉(zhuǎn)光纖放在變溫箱內(nèi)，來測量旋轉(zhuǎn)光纖的溫度系數(shù)，均取得了良好的效果。

圖25 基于二元磁光偏振旋轉(zhuǎn)器的實(shí)驗(yàn)裝置[48]Fig.25 Experimental setup based on the binary magneto-optic polarization rotators

在全光纖電流傳感器中，光纖四分之一波片需要保持穩(wěn)定的偏振性能，傳統(tǒng)的光纖四分之一波片是短橢圓芯光纖和保偏光纖尾纖主軸呈45°角熔接而成的。然而波片長度很短且拍長不是常數(shù)，橢圓芯光纖熔接到傳感光纖上時(shí)，波片的相位延遲易受影響。為了避免波片制作工藝引入的相位偏差，Huang等[49,50]提出使用變螺距光纖段代替?zhèn)鹘y(tǒng)四分之一波片。由變旋轉(zhuǎn)率光纖(相位延遲器區(qū)域)和恒定旋轉(zhuǎn)率光纖(傳感區(qū)域)2個(gè)部分組成的光纖用于光纖電流傳感器，發(fā)現(xiàn)-40 ℃到70 ℃范圍內(nèi)溫度引起的誤差在±0.1%[51]，圖26是沿光纖的旋轉(zhuǎn)率分布，Z1到Z2旋轉(zhuǎn)率變化，Z2到Z3旋轉(zhuǎn)率恒定。分別用旋轉(zhuǎn)熊貓光纖和旋轉(zhuǎn)橢圓芯光纖做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖27所示，圖中黑線和紅線分別是使用橢圓芯光纖和使用熊貓光纖的傳感器歸一化規(guī)模因子隨溫度的變化曲線，可以看出在-40 ℃到 60 ℃ 內(nèi)，使用旋轉(zhuǎn)橢圓芯光纖具有更好的溫度穩(wěn)定性。通過前文的描述可知，光子晶體光纖具有良好的溫度穩(wěn)定性，如果變螺距光纖使用光子晶體光纖做實(shí)驗(yàn)，其溫度穩(wěn)定性將優(yōu)于橢圓芯光纖和熊貓光纖制成的變螺距光纖。

圖26 變螺距光纖沿光纖的旋轉(zhuǎn)率分布[51]Fig.26 The spin rate distribution along the sensing fiber

圖27 傳感器歸一化規(guī)模因子隨溫度的變化[51]Fig.27 Normalized scale factor versus coil temperature

Kang等[52]將變旋轉(zhuǎn)率旋轉(zhuǎn)光纖引入Sagnac型光纖電流傳感器以代替?zhèn)鹘y(tǒng)四分之一波片，實(shí)驗(yàn)裝置如圖28所示，傳感光纖圈采用“8”字繞法，傳感光纖環(huán)平面與載流導(dǎo)體呈45°角，以使傳感頭對(duì)載流導(dǎo)體的位置不敏感，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以有效減少傳統(tǒng)波片工藝引入的偏振誤差，提高Sagnac型光纖電流傳感器性能。然而變旋轉(zhuǎn)率光纖四分之一波片較長，也作為傳感光纖參與電磁場檢測，將給傳感器帶來新的偏振誤差。

圖28 Sagnac型光纖電流互感器結(jié)構(gòu)[52]Fig.28 Scheme of the Sagnac fiber optic current sensor

為了避免通電導(dǎo)體對(duì)變旋轉(zhuǎn)率光纖四分之一波片的影響，周東平等[53]采用另一種“8”字型結(jié)構(gòu)，如圖29所示，將變旋轉(zhuǎn)率光纖四分之一波片繞成兩個(gè)等半徑的圓形。因此該結(jié)構(gòu)中變旋轉(zhuǎn)率光纖四分之一波片獨(dú)立于傳感光纖環(huán)之外，這種方法可以很大程度上減少變旋轉(zhuǎn)率光纖四分之一波片引入的干擾。但這種傳感器需要保證 “8”字形結(jié)構(gòu)平面與電流導(dǎo)體方向平行，在實(shí)際中很難做到。

圖29 帶“8”字型結(jié)構(gòu)原理圖[53]Fig.29 Schematic diagram with "8" shape structure

4 偏振式電流傳感器展望

相位干涉式電流傳感器的光路結(jié)構(gòu)近乎定型，可供優(yōu)化或者調(diào)整的空間很少，在市場化的過程中，該類傳感器存在價(jià)格昂貴、帶寬有限等不足，限制了光纖電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和市場認(rèn)可度；與之相比，偏振式電流傳感器存在較多的突破方向，比如，本文提出了一種單模光纖引導(dǎo)的光纖無源電流傳感器(專利申請(qǐng)?zhí)枺?02010115485.4)，如圖30所示，將SLD光源和控制單元封裝成信號(hào)激發(fā)處理模塊并安裝在現(xiàn)場低壓側(cè)，將準(zhǔn)直透鏡、偏振片、第一1/4波片、分光器、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第三聚焦透鏡、保偏光纖、第二1/4波片、傳感光纖、反射鏡、載流導(dǎo)體和偏振分束器封裝成傳感模塊并安裝在現(xiàn)場高壓側(cè)，傳感光纖末端連接反射鏡，傳感光纖柔性成環(huán)穿過載流導(dǎo)體，信號(hào)激發(fā)處理模塊和傳感模塊之間通過單模光纖引導(dǎo)。對(duì)比相位干涉式傳感器采用保偏光纖環(huán)引導(dǎo)，減少偏振串音，避免了現(xiàn)場保偏熔接，顯著降低了制造成本。

圖30 一種單模光纖引導(dǎo)的光纖無源電流傳感器Fig.30 An passive optical fiber current sensor guiding by the single mode optical fiber1—SLD光源；21—單模光纖；22—保偏光纖；31—準(zhǔn)直透鏡；32～34—聚焦透鏡；4—偏振片；5—第一1/4波片；6—分光器；7—1/4波片；8—傳感光纖；9—反射鏡；10—載流導(dǎo)體；11—偏振分束器；12—控制單元；13—信號(hào)激發(fā)處理模塊；14—傳感模塊

總體而言，隨著偏振式電流傳感器的不斷改進(jìn)拓展創(chuàng)新，這類電流傳感器正向著結(jié)構(gòu)簡單、高速、高精度、高穩(wěn)定性、高測量范圍等方向發(fā)展，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力愈來愈強(qiáng)，將在電網(wǎng)、地鐵、煤礦等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。