全光纤电流互感器传感机理建模分析与实验研究

摘要

全光纤电流互感器采用光纤作为传感介质，利用线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时其偏振方向发生旋转的独特性质，实现对外界电流的测量。由于其在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性方面相比于传统的电磁式电流传感器有很大的优势，近年来受到了国内外研究人员的重视。
　　本文首先建立了基于偏振检查方法的全光纤电流互感器微元传感单元的分布参数模型，结合极化率张量和麦克斯韦方程组，推导了微元传感单元的分布参数传输矩阵，从本质上解释了传感单元中法拉第磁光效应及线性双折射的产生机理，并与宏观的琼斯矩阵进行对比，验证了该分布参数模型的有效性。结合光电转化的数学模型得到了全光纤电流互感器的开环传感机理，提出了提高全光纤电流互感器测量精度的方法。
　　其次，利用COMSOL有限元软件建立了相应的FOCT传感单元中光场和磁场的耦合模型，并提出采用束包络法推导光波偏振态演变过程的方法，得出了法拉第旋转角的一般性理论计算表达式。通过比较不同条件下旋转角θ与传输距离L的关系，分析了被测电流、线性双折射、纤芯折射率、光纤弯曲半径对输出旋转角的影响。
　　采用COMSOL仿真软件实现了光场、磁场、温度场、热应力四个物理场的耦合，分析了光纤对所处物理条件的敏感性，即环境温度、应力及振动所引起的光纤的折射率变化。分析了FOCT传感单元中的温度及热应力的分布特性。
　　最后，针对基于偏振检测的全光纤电流互感器，设计光路系统，搭建了全光纤电流互感器的实验平台，并进行光路测试，为未来分析和研究系统受自身及周围环境因素的影响打下良好基础。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 电子式电流互感器的分类

1．2．1 有源型电子式电流互感器

1．2．2 无源型电子式电流互感器

1．3 国内外研究现状

1．4 论文的主要内容

1．4．1 基本研究思路

1．4．2 主要研究内容

第2章 全光纤电流互感器的传感机理建模分析

2．1 全光纤电流互感器的工作原理

2．1．1 基于偏振检查方法的全光纤电流互感器

2．1．2 基于干涉检查方法的全光纤电流互感器

2．2 FOCT传感单元的分布参数模型分析

2．2．1 FOCT传感单元的分布参数模型分析

2．2．2 光电转换数学模型

2．2．3 开环机理模型

2．3 本章小结

第3章 FOCT传感单元的光场-磁场的有限元建模

3．1 COMSOL在FOCT多物理场研究中的应用与意义

3．2 FOCT有限元建模

3．2．1 几何建模

3．2．2 材料选择

3．2．3 物理场及边界条件、初始条件选择

3．2．4 有限元网格划分

3．2．5 求解器设置与后处理

3．3 法拉第旋转角分析方法

3．3．1 光波偏振态演变过程

3．3．2 旋转角计算方法

3．4 仿真结果与分析

3．4．1 磁场及光场分布

3．4．2 双折射对旋转角的影响

3．4．3 被测电流对旋转角的影响

3．4．4 纤芯折射率的影响

3．4．5 光纤弯曲半径的影响

3．5 本章小结

第4章 FOCT传感单元的温度场-热应力场建模

4．1 光纤对所处物理条件的敏感性

4．1．1 光纤的温度敏感性

4．1．2 光纤对应力的敏感性

4．1．3 光纤对振动的敏感性

4．2 传感单元的温度场-热应力场的有限元建模

4．3 仿真结果分析

4．3．1 传感单元的温度分布

4．3．2 对流传热系数对最大温度的影响

4．3．3 传感单元的热应力分布

4．4 本章小结

第5章 全光纤电流互感器的实验研究

5．1 传感单元设计

5．2 实验研究与结果分析

5．2．1 光路系统

5．2．2 信号处理

5．2．3 实验结果讨论以及误差分析

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢