基于环形衰荡腔的全光纤电流传感器研究

作     者：刘闯闯 

作者单位：安徽工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱学华

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：全光纤电流传感器 环形衰荡腔 温度特性 磁场均匀性 光损补偿 

摘      要：随着电力系统容量的急剧增加,传统电磁式电流传感器已经逐渐不能满足当代的测量需求。全光纤电流传感器(all-fiber optic current sensor,AFOCS)凭借绝缘性好、测量精度高以及抗电磁干扰等显著优势在超高压和特高压环境中展现出巨大的发展潜力,但同时也存在一些亟待解决的技术难题,如光纤材料对电流的敏感度低、易受外部环境噪声的干扰等。本文针对全光纤电流传感器当前存在的技术瓶颈,以环形结构全光纤电流传感器为研究对象,并在其结构基础上提出了一些改进措施来进一步提高系统的性能,主要在以下几个方面开展工作研究。首先,对环形衰荡腔和环形结构全光纤电流传感器的基本原理和常见结构进行简单介绍。由于全光纤电流传感器对外部环境变化(尤其是温度波动)的敏感性较高,导致系统的测量精度和灵敏度有所下降,为此本文着重分析了温度噪声对全光纤电流传感器性能的影响,并利用归一化偏振度来衡量温度波动所带来的测量误差。此外,针对具有反射结构的全光纤电流传感器,还讨论了采用不同反射镜对系统测量精确度和稳定性的影响。结果表明温度波动与费尔德常数和温致线性双折射均呈现线性关系,而采用正交共轭反射镜比普通反射镜能够更好地抑制温度噪声的影响。其次,考虑到传感光纤周围磁场分布不均会降低全光纤电流传感器的测量精度,提出一种平行共轴式线圈绕制方式来在一定的空间范围内产生均匀分布的磁场环境。通过理论分析了平行共轴式结构的磁场分布情况,并采用麦克劳林展开法对线圈的结构参数进行讨论和研究,同时定义了相对偏差和有效覆盖率来筛选出最优的参数以及最佳的磁场分布。利用有限元软件对常见的磁环式绕制和本文所设计的平行共轴式绕制进行了磁场仿真分析,仿真结果表明平行共轴式结构在磁场的均匀性和范围上具有显著的优势。最后,鉴于光信号在传输过程中会受到光纤和光学器件的吸收,导致光信号在环形腔中的循环次数十分有限,因此提出在环形衰荡腔中加入掺铒光纤放大器对损耗的光信号进行补偿,从而让环形结构全光纤电流传感器的测量精度和灵敏度得到进一步提升。在分析泵浦功率和掺铒光纤长度对放大器增益影响的基础上,选择合理的掺铒光纤放大器参数来实现对光信号的有效放大,并将其与全光纤电流传感器相结合形成一种新的电流传感方案,同时搭建实验光路来验证方案的可行性。实验结果表明,加入掺铒光纤放大器后能够有效增加光信号的循环次数。然而实验室采用的光源脉冲宽度为20μs,而传感光纤长度仅有1km,导致输出光信号出现了相互叠加的现象,这对测量的准确性产生了一定影响。