电测测量光纤传感器

光纤传感器在电磁测量方面的应用摘要光纤传感器是07年代兴起的、以光与电子综合枝术为基础的新型传感装置。本又综述了光纤传感器的主要特点和分类,分别介绍了测量电流、磁场、电压和电场的各种光纤传感器,这些传感器各自基于磁致伸缩效应、电致伸缩效应、光Faraday效应及Pockels效应。最后讨论了国内外的发展动向。一、概述近年来光纤传输技术发展很快,它不仅在光纤通讯领域取得了惊人的成就,而巨在计测与控制方面的应用—光纤传感器技术也日益活跃,愈来愈为人们所注目。一般传感器是将各种非电量信息变换成电信息,而光纤传感器则是将各种物理量变换成光信息,由于它以光导纤维作为光的传输介质和敏感介质,因此具有许多优于使用电线的一般传感器的特点:(1)绝缘性极佳。20cm长的光纤能耐1OokV的高压,因此它勿需接地,不存在短路问题,使用安全性好。(2)抗电磁场干扰能力强。(3)耐水、耐火、耐高低温、耐化学腐蚀。(4)重量轻,直径细,直径10mm的光纤每公里长只有279。(5)可挠性好。(6)可利用光的强度、相位、偏振特性及光频等参量来传递光信息,灵敏度高,可靠性好。(7)可远距离、大容量、高速传输信息。(8)原材料丰富,经济性好等。综上诸优点,使之可作为力、运动量、温度、声、红外线、可见光、图像、核物理量以及电磁量等各种传感器,广泛应用于各个领域,而且较容易地解决了一般传感器难以处理的技术问题。以超高压输电测量为例,近年来在270~lookoV超高压输电技术的发展中,常遇到绝缘、接地等问题,待开发超高压系统的安全可靠的监测手段。光纤传感器用以超高压计测,不仅极容易解决绝缘问题,而且可以从远处检测到高速变化的波形,安全、可靠。光纤传感器的分类方法有多种,如按光纤在其中所起的作用分、按光纤在外界信息作用下光参量调制的种类分及按所计测的物理量及所应用的光学效应分等。按光纤所起的作用分类,如图1所示,可分为以下两类。(1)光传输通路型(NF型)光纤仅作为光信息的传输通路,待测信息靠其敏感材料或元件变换成光信息,这种光纤又称作非功能型光纤(Non一FunetionalFiber),简称作NF。NF型又可分为三种结构形式:(a)透射式,(b)反射式和(c)天线式。主要采用多模光纤。(2)敏感功能型(FF型)既作为传输光通路又起将待测物理量信息变换成光信息作用的光纤称作功能型光纤(FunetionalFibre),简作FF。基本使用单漠光纤。按光纤在外界信息作用下光参量调制的种类可分为光强度、相位、偏振态及波长(频率)调制型光纤传感器。按所计测的物理量或者所应用的光学效应分类为种类繁多,如前已提及的力、热、声、电、磁、核物理等,在此不再详述。本文拟分述以光Faraday效应、磁致伸缩效应为基础的电流、磁场光纤传感器及以P。。kles效应和电致伸缩效应为基础的电压、电场光纤传感器的原理、基本构造及目前水平。目前已有的电磁光纤传感器的简况综合归纳于表1。二、光Farday效应电流、磁场传感器比[2,3,6]将磁性光导介质置于磁场中,当线偏振光沿磁场方向通过该介质时光偏振面发生旋转,旋转角与磁场强度成正比,这种效应称作光Faraday效应,如图2(的所示。设沿偏振光传输方向的磁场强度为H,光介质的光路长度为L,则Faraday旋转角𝜃𝑓为:𝜃𝑓=𝑉𝑒𝐻𝐿(1)式中𝑉𝑒为Verdet常数,数值大小与符号取决于介质种类和光频率。图2(b)为光Faraday效应磁场光纤传感器构成图。由光源(LED)发射光,通过多模光纤射入具有光Faraday效应的光传感器部件,此部件由光停振器、光Faraday旋转元件及检偏器三部分组成。普通光通过偏振器变成线偏振光,此光通过光Fraaday元件产生正比于磁场强度的旋转角,再通过检偏器变换成对应的光强度。这样就可以通过测定此光强度大小测定出磁场的强度。现已实用的具有代表性的光Faraday材料有:度特性优良的铅玻璃,𝐵𝑖12𝑆𝑖𝑂20、,𝐵𝑖12𝐺𝑒𝑂20、ZeSn单晶等反磁性材料和（Tb0-19Y0-81）2Fe3O12单晶外延薄膜等强磁性材料。使用这些材料在一20~85℃范围内可得到士0.5~1.5%的测量精度。使用反磁性材料的传感器可测1~1甲Oe的磁场强度,使用强磁性材料可使传感器小型化。光Faraday磁强传感器的具体结构有以下几种。(一)铅璃玻光学元件一体化传感器如图3(a),这种传感器使用𝑉𝑒值小、温度特性好的铅玻璃,将𝑆𝑖𝑂2/𝑇𝑖𝑂2介电体多层膜直接制作在铅玻璃中作偏振片和检偏片用,使整个光学元件一体化,使结构紧凑,可靠性高并有利于降低价格。这种传感器采用λ=0.85μmLED光源、pinPD光敏二极管、芯径100μm石英多膜光纤、磁敏光路长L=20mm,可测10~500oe(非线性土0.25%),S/N)40dB(带域1KHz),在一25~86℃的范围内变化量士0.5%。(二)多重反射型传感器铅玻璃多重反射型传感器的构造示于图3(b)。铅玻璃上下两面蒸镀反射膜,使入射光在铅玻璃内多次反射,加长有效光程,因而有利于提高灵敏度及小型化。用多膜光纤作入射光纤,光纤束作输出光纤、LED作光源时,测量范围为0~5的Oe(最小检测磁场强度SOe),非线性度士1%,在3~750Hz内频率特性为土3dB。(三)强磁性材料反射型光纤磁场传感器一般Y工G等强磁性材料的V。值虽然远大于铅玻璃(达200~300倍),但温度特性较差。由于近期已开发了温度稳定性好的(TbY)IG块状单晶等,使强磁性的磁场传感器具有了实用价值,这种传感器的构造形式示于图8(c)。例如,用的λ=1.3μm的GaAsP发光二极管作光源,热稳定性和机械性能好的金红石作偏振及检偏元件;这种传感器的灵敏度已达到每100Oe的光强度变化率为10%,在一20~120℃的范围内的输出变化约为土1.5%。用此原理亦可测定电流[4]。图4为测量电流的光Fraaday效应电流检测装置。将单模光纤以R为半径绕在待测的输电线上(几十圈),此单模光纤本身既作偏振光的传输线又作光Faraday旋转磁敏感元件。当输电线流通电流I时,光纤处的磁场H为:H=I/2πR(2)将(2)式代入(1)式,又有L=2πRN,得:𝜃𝑓=𝑉𝑒𝐼𝑁(3)式中N为光纤绕传输线圈数。当用∅7μm芯体的光纤在电流传输线上以∅7.5cm绕20圈时,测量电流在50~1200A范围内的精确度为士0.4%,S/N=85dB,在一20~80℃变化范图4围(1000A)内的精确度为土0.7%。三、磁致伸缩效应传感器磁性材料置于磁场之中产生应变的现象称作磁致伸缩效应。光纤并非磁性材料,因而不会产生磁致伸缩效应,现在有两种方法可以使光纤受磁场作用而发生长度变化:一种,在光纤外面涂磁致伸缩材料,另一种,将光纤紧绕磁致伸缩材料上;前者用厚度13μm的Ni、Co薄膜被覆在光纤上的方法制作的磁光纤传感器的灵敏度已达5x10−9Oe/m,而后者亦可达6x10−9e/m。由于磁致伸缩引起光纤中传输光的相位变化常采用Mach一Zehnder干涉法进行测量,其原理图示于图5。四、Poekels效应电压、电场传感器将某种晶体置子电场中弓!起折射率与电场强度成正比的变化时,此现象称作Pockels效应,当折射率与电场强度的平方成正比时,则称作Kerr效应,二者统称电光学效应。使用Pockls元件的光纤电压(电场)传感器概念和工作原理分别示于图6和图7。由图可见,它的测量系统由四部分组成:光源、传感器部件、光电变换元件及信息处理部分,,光源多采用LED。光源发出的光经光纤射入传感器元件,传感器元件入射光的强度受所加的电场调制。传感器部件有四个主要部分:Pookels元件、1/4波长板、偏振器及检偏器。偏振器的放置方向取偏振光恰好与元件两个主轴均成45度角的方向。这样,当Pockels元件加上电压时,通过元件的光在两个主轴方向的偏振相位产生相位差δ。以(001)面为光入射面的立方晶系的纵向调制式Pockels元件为例,据分析,δ由下式确定:δ=2𝜋𝜆𝑛03ℓ41𝐸𝑠𝐿=𝜋𝑉𝑒𝑥𝑉𝑧(4)式中𝑉𝑧=𝜆/2𝑛03ℓ41为δ=π时的半波长电压,𝑉𝑒𝑥=𝐸𝑠𝐿为所加(待测)电压,λ为波长;L为元件长度,𝑛0为自然折射率,ℓ41为电光系数。几为两个主轴方向的偏振相位差使射出的光成为椭圆偏振光波,124波长板起将线偏振光变换成圆偏振光、构成光偏置的作用。经检偏器即变成光强度调制。再经光敏二极管变换成电信息,测量此电信息即可测出待测电压或电场。实用的Pockles材料有三类:(1)三方晶系氧化物单晶(𝐿𝑖𝑁6𝑂3、𝐿𝑖𝑇𝑎𝑂3等),(2)立方晶系化合物半导体(ZnSe、ZnTe等),(3)立方晶系氧化物单晶(𝑆𝑖12𝑆𝑖𝑂20、𝐵𝑖12𝐺0𝑂20等)三方晶系的电光系数值大,故所制的传感器灵敏度也高,但由于晶体的自然复折射率受温度影响较大,难于进行温度补偿。立方晶系化合物单晶无复折射,但高温时比电阻下降,使灵敏度降低,故不宜使用于高温条件。立方晶系氧化物既无自然复折射又是高电阻,因此尽管灵敏度稍低些,还是非常实用的。Pockels效应电场传感器现有以下两种构造:(1)立方晶𝐵𝑖12𝐺0𝑂20电场传感器(BGO传感器)图8为以BGO或BSO(𝐵𝑖12𝑆𝑖𝑂20)单晶的(001)面为入射面的纵向调$1]式光纤电压器。由于BGO、BSO有较强的旋光性,为了防止旋光性导致的灵敏度下降,需将元件光路长度限制在2mm以内。BGO、BSO传感器在1~3℃测量范围内非线性0.5%,在-10~85℃范围内温度特性士0.5%(BGO),士3%(BSO)。由于BSO的电光系数与旋光率的温度系数符号相反,可得到元件长度L=4.7mm的最佳设计,这样,虽然检测灵敏度有所下降,但可能使传感器的温度特性0.2%。(2)三方晶电压传感器图9为采用𝐿𝑖𝑁6𝑂3单晶的LNO光纤电压传感器的构成图。在LNO的两个(001)面上蒸镀透明电极,将二者短路,以消除LNO的热电效应的影响,提高温度稳定性。采用反射型结构可减少部件数,实现小型化,轻量化。采用这种结构在原理上不呈现自然复折射的影响,但光轴只要稍偏斜几度就会造成1000度的相位变化,因此对安装要求十分严格。用λ=0.82μm的LED为光源,PD为光敏元件,光纤使用芯径为80μm的SI型石英玻璃,用1.5mm厚的金红石作偏光元件。当LNO的长度取5mm(光路长10mm)、d=2mm时,在𝑉𝑒𝑥=50V下,S/N=50dB(受光功率I。=0.5μW,带域B=10KHz)。在𝑉𝑒𝑥=200V下的应变率士1%。将入射光的轴偏张角调整到0.1度以下时,在-20~120℃范围内输出变化小于士1%。五、电致伸缩型电压传感器将某些介质置入电场中时会造成介质形状应变,这种现象称作电致伸缩效应。如设法使光纤也随电场的作用产生应变,从而引起相位移及折射率的变化,用干涉法原理测得相位变化,即可计测电场、电压。图10为单模光纤Ma。h一Zhender干涉仪法的电压传感器构成图。将单模光纤紧绕在具有明显电致伸缩效应的PZT等柱形压电振子,当被测电压沿振子轴向加于振子时,由于PZT产生电致伸缩,因而使光纤的光路长度及折射率发生变化,光的相位也随之受到调制。将此调制的光信息与另一未受调制的参照光在光敏元件表面上形成干涉,检测输出的光电流即可知待测电压大小。这种传感器最小检测电场与被测信号频率有关,10Hz及104Hz时分别4Vc/m及0.03Vc/m。如果在芯径8μm、光纤直径9.5μm的单模光纤上被覆厚度约为25μm的压电性聚合物(PVF2)作包覆套管的办法制作传感器,假设信号光与参照光间的最小检测相位差为10−7rad,信号分路长度为1Km,则可检测4μV/cm的微弱电场。六、结束语以上简单叙述了主要的几种光纤电磁传感器的原理、构造、特性及目煎的水平等。目前国外非功能型(N