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基于FARADAY旋光镜的光学电流互感器分析与试验研究

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高压电器 2022年第2期58卷 179-184,192页

作者：阎嫦玲罗苏南文继锋王耀邵通广赵玉灿丁晔赵森林刘东超须雷南京南瑞继保电气有限公司南京211110

为解决全光纤电流互感器因采用相位调制器、性能要求高的电子元器件以及复杂的调制解调算法等导致其成本高的问题,提出了一种基于法拉第旋光镜(faraday rotation mirror,FRM)的光学电流互感器(optical current transformer,OCT)方案;分... 详细信息

为解决全光纤电流互感器因采用相位调制器、性能要求高的电子元器件以及复杂的调制解调算法等导致其成本高的问题,提出了一种基于法拉第旋光镜(faraday rotation mirror,FRM)的光学电流互感器(optical current transformer,OCT)方案;分析了该OCT的电流传感原理以及信号获取方法,试验研究了其电流测量精度和温度性能、谐波准确度以及振动特性,试验结果表明其满足5P20的要求,在-40~+50℃范围内,光纤传感环对该OCT系统误差影响不超过0.75%;OCT光纤传感环在承受10g的加速度冲击过程中,系统无异常信号输出。研制的该OCT主要技术指标满足中高压交流输电系统中保护级电流互感器的精度要求,可用于架空线—电缆混合线缆故障区域判别电流测量、分接开关故障电流监测等。

关键词：光学电流互感器法拉第旋光镜精度谐波准确度振动

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基于偏振检测的分布式光纤振动传感研究

基于偏振检测的分布式光纤振动传感研究

作者：刘佳天津大学

学位级别：硕士

光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的,具有一系列独特的优点,如灵敏度高、绝缘性好、体积小、重量轻,优良的抗电磁干扰性能和便于工业安装等,广泛应用于桥梁、大坝、地矿、油气管线等重要区域的结构损伤评估、裂缝、应变... 详细信息

光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的,具有一系列独特的优点,如灵敏度高、绝缘性好、体积小、重量轻,优良的抗电磁干扰性能和便于工业安装等,广泛应用于桥梁、大坝、地矿、油气管线等重要区域的结构损伤评估、裂缝、应变检测、安防预警等领域。分布式光纤传感系统集信息的采集与传输于一体,可以在同一根光纤上实现无传感盲区的连续传感,特别适合长距离监测,尤其在油气管道安全监测系统中,具有极为广阔的应用前景和巨大的市场潜力。本文在分析威胁管道安全的典型破坏行为特征基础上,提出了基于偏振检测的分布式光纤振动传感方案,利用法拉第旋光镜（FRM）保证了该系统仅响应由于振动等造成的传输光偏振态的快速改变,消除了偏振态随机的慢变干扰,并通过分析反射回来的传感信号,利用其时间信息对偏振变化点进行定位,可以快速、有效地监测光纤沿线上的扰动信息,并完成了相应的实验。本论文的主要工作如下: （1）研究分布式光纤传感器在国内外的研究现状,分析基于光时域反射（OTDR）结构、基于干涉结构的几种常见的分布式光纤振动传感技术,并进行比较,提出了基于光偏振态检测的分布式光纤振动传感方案;（2）分析典型油气管道破坏行为的特性及这些破坏行为引起的振动信号的传播机理,并分析振动信号对于传输光纤中偏振态的影响。利用琼斯矩阵理论分析传输过程中光偏振态的演化情况,说明了法拉第旋光镜的使用可以有效克服光偏振态的缓慢随机变化,仅响应快速变化,并利用互功率谱相关分析法得到振动信号和传感信号的时间差,定位出扰动点;（3）搭建分布式光纤振动传感系统,利用电控偏振控制器改变传输光偏振态,模拟光纤可能受到的振动干扰,并改变振动位置,验证理论分析,并进行了敲击钢管的实际振动测试。并对实验结果及问题进行了详细的分析。

关键词：光通信分布式光纤传感偏振检测偏振分束器法拉第旋光镜时延估计相关分析

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全光纤电流互感技术研究

全光纤电流互感技术研究

作者：丁滢上海交通大学

学位级别：硕士

随着电力系统电压等级的提高和传输容量的增大,继电保护系统的稳定运行越来越重要。传统电磁式电流互感器有着不可避免的缺陷,如绝缘结构复杂、造价高、尺寸大等。而与其相比,全光纤电流互感器具有一系列优点,如测量范围宽、灵敏度高、... 详细信息

随着电力系统电压等级的提高和传输容量的增大,继电保护系统的稳定运行越来越重要。传统电磁式电流互感器有着不可避免的缺陷,如绝缘结构复杂、造价高、尺寸大等。而与其相比,全光纤电流互感器具有一系列优点,如测量范围宽、灵敏度高、尺寸小、安全性高等。因此,全光纤电流互感技术受到业界的高度关注,得到迅速发展。本文介绍了全光纤电流互感器的背景、分类、原理等,着重对干涉型反射式全光纤电流互感器进行了重点分析研究,包括理论分析、系统结构设计、信号处理、实验结果分析等。文章利用琼斯矩阵表征反射式全光纤电流互感器中各个器件,对系统中光的偏振态的演化进行了推导和分析。并且对影响系统性能的关键器件误差进行了分析研究,包括传感光纤的双折射效应和四分之一波片误差。研究发现随着传感光纤线性双折射的增大,标度因子相对理想值的偏离度增大,而圆双折射则可以一定程度的弥补其造成的误差。四分之一波片的对轴角度和相位延迟误差都能引起标度因子的恶化,而适当的线性双折射能一定程度补偿对轴角度误差。另外,理论证明法拉第旋光镜的使用和一次、二次谐波相除的信号处理方法能稳定标度因子。在理论分析的基础上,本文对反射式全光纤电流互感器进行了光路设计和优化,包括关键器件和相关各参数的选择、制作方法的选择和优化。本文完成了基于一次、二次谐波相除的信号处理系统的设计和实现。通过对光电检测输出的信号进行模拟相关解调,提取出信号中的一倍频和二倍频分量,经数字化后,用FPGA进行实时相位解调,获得与待测电流呈线性关系的光偏振旋转角,实验结果表明:研制的全光纤电流互感器测量范围约为2000安培,当待测电流在200A以下时,测量相对误差为2%左右,当待测电流大于200A时,测量相对误差在0.5%以内,符合实用化要求。

关键词：全光纤电流互感器双折射四分之一波片法拉第旋光镜

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非互易光器件的研究与设计

非互易光器件的研究与设计

作者：莫槟诚华中科技大学

学位级别：硕士

光无源器件是光纤通信系统中的重要组成部分，也是其他光纤应用领域的重要元器件，法拉第旋光效应被应用于光隔离器、光环行器、法拉第旋光镜等多种非互易光无源器件中。本论文对几种非互易光器件进行了深入的探索，主要研究工作如下：... 详细信息

光无源器件是光纤通信系统中的重要组成部分，也是其他光纤应用领域的重要元器件，法拉第旋光效应被应用于光隔离器、光环行器、法拉第旋光镜等多种非互易光无源器件中。本论文对几种非互易光器件进行了深入的探索，主要研究工作如下：针对应用于光纤激光器中的高功率光隔离器，就其中最关键的磁光系统进行了优化设计，以两段径向磁化磁环和一段轴向磁化磁环串联，在中心一段较长区域内产生正向的均匀磁场，将具有旋光特性的TGG（Tb3Ga5O12，铽镓石榴石）晶体置于此区域，能够以较短的旋光晶体长度对通过的光产到较大的旋光角度。对位移晶体进行了改进设计，使得整个光隔离器的光路更加对称，有利于器件的封装调试。制作了高功率光隔离器样品，测得各项技术指标达到设计要求。考虑现有三端口光环行器中光路不对称的问题，提出一种位移型楔角对结构，设计出光路对称的三端口光环行器，制作了器件样品并测得了较好的性能指标。针对现有四端口光环行器中元件繁多、调试困难的问题，提出了一种新型的结构紧凑的四端口光环行器，通过引入热扩芯光纤准直器，减少了两个元件并缩小了整个器件的尺寸。针对光纤传感系统中的应用需求，设计并制作了一种法拉第旋光镜样品，测得各项技术指标满足应用需求。

关键词：法拉第旋光效应光隔离器光环行器法拉第旋光镜位移晶体

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干涉型分布式光纤振动传感系统关键技术研究

干涉型分布式光纤振动传感系统关键技术研究

作者：刘澜涛聊城大学

学位级别：硕士

光纤传感是一种将被测量对象的状态转变为可测量光信号的传感技术。光纤传感系统包括了后向散射型、干涉型及光纤光栅型等。干涉型分布式光纤振动传感系统由于其高灵敏度、分布式和不易受电磁干扰的特点,被广泛应用于管道泄露、海洋检... 详细信息

光纤传感是一种将被测量对象的状态转变为可测量光信号的传感技术。光纤传感系统包括了后向散射型、干涉型及光纤光栅型等。干涉型分布式光纤振动传感系统由于其高灵敏度、分布式和不易受电磁干扰的特点,被广泛应用于管道泄露、海洋检测和安全生产等领域。本文设计并搭建了一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤传感系统,通过对振动信号的采集和处理进行预警和定位。系统通过冲击性激励和周期性激励探测振动信号,可以根据需要设置相应的防区数量,适用于中小周界防护。传输缆埋于地下或平铺于围栏中,防区间不串扰。本文研究内容及研究成果如下:1、本文设计了基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤振动传感系统。光源生成的入射光经由迈克尔逊干涉仪法拉第旋光镜的作用后沿原光路返回,在应力、应变等外部物理量的作用下,光纤内部传输光的相位发生改变,并在耦合器处发生干涉。通过对干涉进行测量,能够使相位的变化转变为光强的变化,以检测出相关物理量。系统的前端通过分光器形成1:1的两束光路,一个光源可设置两个防区结构,使用了环形器、步进电机、隔离器及光电探测器等相关器件。由反射镜回射的光束可通过环形器和光电探测器,将光信号转换为电信号,继续驱动电机的运转,从而保证了系统的无源性,无需电源供电。系统的后端由分割包、终端盒和振动光缆构成,分割包和终端盒集成了法拉第旋光镜、耦合器等光学器件(工作温度可达85℃)。通过干涉仪和滤波器组成的串联结构设计了特殊的防区布局,可以根据不同工程项目所需的光纤长度设置不同的防区数量,并增加相应的分割包和终端盒的数量。系统可以判断不同幅值的振动源,当探测出振动信号的时候,就可以定位到预警信息发生的防区,并上传至系统日志中。2、本文搭建了基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤振动传感系统。系统具有高定位精度、探测率、信噪比及高灵敏度和线性传感度。偏振光的振动方向可通过步进电机旋转任意的角度,从而获得所需要的偏振态,避免加装保偏光纤的额外开销,节省成本。此外,随着步进电机的运动,干涉光的强度会出现一定规律的变化,改善了迈克尔逊干涉仪由于光的回路变长而导致干涉条纹可见度下降的问题,扩大了传感系统的检测范围,增强了传感系统的实用性。系统的后端放于室外,每个防区均可单独设置探测灵敏度、报警阈值等参数,传输光缆对振动信号不敏感,可以避免误报现象发生,保证波形不失真,增大了测量的可行性,使系统更好地感知振动信号,易于铺设和埋地测试。通过对管道透射谱的仿真和围栏、埋地等多场合的测试,能够确保系统的每个防区都可以实现固定范围内振动信号的探测,并可探测出20Hz以下的次声波信号。系统单次报警事件的处理时间通常在1至2秒之间,发生频率小于每秒10次时的多次报警事件的响应时间小于5秒,误报率小于每天一次,且连续触碰、敲击两次以上的探测率大于99%。

关键词：光纤传感迈克尔逊干涉仪法拉第旋光镜振动光缆偏振衰落分布式技术

单模光纤反射式结构光纤电流传感器温度敏感性分析

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科技风 2018年第16期 164-165,167页

作者：张昊福建江夏学院电子信息科学学院福建福州350007

本文针对采用单模光纤作为传感元件的反射式光纤电流传感器的温度敏感性进行分析。从理论上分析了采用法拉第旋光镜的反射式结构可以有效去除固有双折射的影响,该作用对单模光纤也适用。温度敏感性实验也证明了反射式光纤电流传感器确... 详细信息

本文针对采用单模光纤作为传感元件的反射式光纤电流传感器的温度敏感性进行分析。从理论上分析了采用法拉第旋光镜的反射式结构可以有效去除固有双折射的影响,该作用对单模光纤也适用。温度敏感性实验也证明了反射式光纤电流传感器确实具备稳定性。

关键词：光纤电流传感器法拉第旋光镜单模光纤温度敏感性双折射