详解光纤电流传感器原理

现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验．随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视．光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应．根据of=VBl，通过对法拉弟旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小．由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质，其工作原理如下图：

光纤电流传感器示意图

激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体：在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转θF角度；经过检偏器、光纤，进人信号检测系统，通过对θF的测量得到电流值．

当设置系统中两偏振器透光主轴的夹角为45°，经过传感系统后的出射光强为：

l=（Io/2）（1+sin2θF）

式中Io为入射光强．通过对出射光强的测量，就可以得出θF，从而可测出电流的大小．

详解光纤电流传感器原理

1、光纤电流传感器原理

Tip：当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=V*B*l，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。

01、光纤电流传感器结构

图示：光纤电流传感器结构示意图

光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成（如图所示）。传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度，可分为无源式和有源式两类。

02、无源式光纤电流互感器（OFCT）

OFCT主要利用了法拉第磁光效应。即磁场不能对自然光产生直接作用，但在光学各向同性透明介质中，外加磁场H可使在介质中沿磁场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转。这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。　　当一束线性偏振光通过置于磁场中的法拉第旋光材料时，若磁场方向与光的传播方向相同，则光的偏振面将产生旋转。旋转角θ正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分：

式中，V为磁光材料的Verder常数，旋转角度θ与被测电流i成正比。利用检偏器将旋转角θ的变化，转换为输出光强度的变化，经光电变换及相应的信号处理，便可求得被测电流i，如图所示。

图示：光纤电流传感器传感头

03、有源式光纤电流传感器（HOCT）

这是一种基于传统 互感器传感原理，利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介，将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理，并得到被测电流信号的新型传感器。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点明显降低了大电流高压互感器的体积、重量和制造成本，又利用了传统互感器原理技术成熟的优势，避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。　　有源OFCT是通过一次采样传感器（空心线圈或小CT，电阻分流器） 将电流信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。目前应用最多的是采用空心线圈的有源式OFCT，其组成原理图如图所示。

图示：有源式光纤电流传感器构成原理图

空心线圈的截面为矩形或圆形，其感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关，受外磁场和载流导体位置的影响小。因此，对空心线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。