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光纤除了传输数据,竟然还能做电流传感器?

2023-09-18 16:23:09 BILL SCHWEBER 阅读:
看到科学家和工程师怎么利用有些晦涩的基本物理原理来创造出创新的传感器,总是很有意思···

看到科学家和工程师怎么利用(从积极的意义上来说)有些晦涩的基本物理原理来创造出创新的传感器,总是很有意思。cPRednc

例如,光纤在数据链路中的用途是众所周知的,范围涵盖从短距离的板间和机箱内路径到跨越数千公里的路径。它们不受EMI/RFI(电磁干扰/射频干扰)和外部电子设备的影响,非常适合高干扰情况下的数据链路。此外,它们还可用作应力和压力传感器。cPRednc

然而,光纤对无休止的电磁的抗扰性只有在正确的环境和特殊的布置下才有效。有一种技术可以利用法拉第效应(又叫法拉第旋转,磁致旋光),即光穿过磁场时偏振平面的旋转;这个磁场可以由电流引起(图1)。电流越大,磁场越大,因此偏振旋转越大。1845年,Michael Faraday (迈克尔·法拉第)在研究磁场对平面偏振光波的影响时,首次观察到了这种效应。cPRednc

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图1这是光纤电流传感器中由于电流通过导体而导致光偏振旋转的示意图。cPRednc

资料来源:Fibercore/HumaneticscPRednc

法拉第效应

将磁场强度与旋转角度联系起来的比例常数称为Verdet常数,以法国物理学家Marcel Émile Verdet的名字命名,他在19世纪70年代末研究并量化了这种关系。Verdet常数是衡量特定材料中法拉第效应强度的指标,数值大表明该材料具有越强的法拉第效应。cPRednc

如果只需要了解法拉第效应就可以构建出可行的电流传感器,那就太好了,但在光学和电磁物理领域,这绝非易事。从原理上讲,只需将光纤缠绕在载流导线上,即可利用Verdet常数来换算出电流值。显然,这种实现方式提供了一种高电压值电流隔离的重要特性,这在电源相关应用中是一个重要的优势。cPRednc

当然,还有一些微妙的细节问题,比如在将法拉第效应用作实际的电流传感器的过程中需要克服的现实问题。正如预期的那样,任何振动或热波动都会影响沿光纤的偏振状态,因此光纤必须与这些影响隔离,但仍要保持对磁场引起的偏振旋转的灵敏度。cPRednc

该解决方案需要一种与传统数据链路所使用的光纤截然不同的独特光纤。一种被称为旋转高双折射(SHB)光纤的先进光纤结构,可它能在微观尺度上保持偏振,但在宏观尺度上双折射为零,而制造这种光纤是一项挑战。cPRednc

为了达到这种效果,用于制造光纤的玻璃需要经过精确的快速旋转,使偏振轴不断旋转,沿光纤每隔几毫米旋转一圈。因此,尽管光纤上存在机械应力,但光纤结构仍能保持圆偏振,而且仍能保持对法拉第效应的灵敏度。cPRednc

用于电流检测的光纤

通过仔细平衡光纤的旋转间距和被精确控制的双折射水平,可以设计出能克服卷绕过程中弯曲应力影响的光纤,且仍能对法拉第效应保持敏感。因此,可以使用更长长度的旋转光纤,这样就可以得到线圈更多、线圈直径更小的光纤,从而获得更高的灵敏度。cPRednc

毫不奇怪,在光纤基础上构建电流传感器的过程远不止这一个复杂而微妙的步骤(图2)。输入激光束的圆偏振必须稳定,因此需要在传感器光纤之前安装偏振控制光纤。反过来,这些光纤又需要大量的支持:1/4波片、保持光的偏振状态的延迟环、调制器光纤和单偏振Zing光纤。Fibercore的Zing光纤是一种在特定波长范围内只支持一种偏振模式的光纤。cPRednc

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图2高灵敏度光纤电流传感器的光学原理图:cPRednc

(1)宽带掺铒光源,(2)耦合器,(3)光电检测器,(4)偏振器,(5)45°接头,(6)光纤调制器,(7)900米长延迟线圈,(8)45°接头,(9) 1/4波片,(10)16m高双折射旋转(HiBi)光纤,(11)镜子。cPRednc

资料来源:Fibercore/HumaneticscPRednc

基于光纤的传感器有什么功能

通过仔细控制信号链中的每个阶段并优化每个元件,传感器可以提供高灵敏度和高精确度。IEEE(电气与电子工程师协会)光波技术杂志1989年发表的一篇详细技术论文“采用高双折射旋转光纤的电流传感器”(Electric Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers),介绍了基本的光学物理理论和必要的方程式,还包括实际的安装示例。cPRednc

这似乎是一个不错的实验室项目,但这些光纤电流传感器(FOCS)是否已在实地安装或测试?作为这些传感器的领先供应商,英国Fibercore表示,这些传感器已在中国的全国配电网络中使用,其他地方也正在安装。该公司认为,这种传感器的优点之一是其固有的电隔离功能,并且大多数光学器件和电子器件都可以在一定距离外安装和操作,只有传感器头需要靠近载流导线安装。cPRednc

这并不是光纤在数据链路之外的唯一用途。Fibercore网站介绍了这些光纤的许多其他用途,其中许多用途基于高度专业化的制造技术,可以控制和管理光波长、偏振、反射和许多其他属性,从而可以制造出能应对特殊挑战的传感器。我“有那么点儿”知道其中一些其他用途,但也有许多我没有意识到的用途。cPRednc

高纯度、超精密光纤技术最初是为数据链路而设计的,但经过改良和演变后,其应用领域却截然不同,这是又一个例子,说明科学家和工程师是怎么看到先进的“别处”, 并想出如何以新的创新方式加以利用的。cPRednc

您见过的最"抽象"或最奇特的传感原理是什么?为了实现必要的性能,必须找出并克服哪些限制因素和误差来源?是谁首先提出这些想法的?毕竟,即使理论存在,许多想法也并不为人所知。cPRednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:Use optical fiber as an isolated current sensor?,由Ricardo Xie编译。)cPRednc

责编:Ricardo
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