如何使用光纖作為隔離式電流傳感器

看到科學(xué)家和工程師如何利用——從積極的意義上講——有點晦澀的基本物理原理來創(chuàng)造創(chuàng)新的傳感器，總是很有趣的。

例如，光纖對數(shù)據(jù)鏈路的有用性是眾所周知的，從短距離的板間和機箱內(nèi)路徑到跨越數(shù)千公里的路徑。它們不受EMI/RFI和外部電子影響，非常適合高干擾情況下的數(shù)據(jù)鏈路。但它們也被用作壓力和壓力傳感器。

然而，光纖對永恒電磁影響的抗擾度只有在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和特殊的安排下才是正確的。有一種技術(shù)可以利用法拉第效應(yīng)（是的，同樣的法拉第效應(yīng)），即光通過磁場時偏振狀態(tài)的旋轉(zhuǎn);該磁場可由電流感應(yīng)（圖 1）。電流越大，磁場越大，因此極化旋轉(zhuǎn)越大。邁克爾·法拉第（Michael Faraday）在1845年研究磁場對平面偏振光波的影響時首次觀察到了這種效應(yīng)。

圖1這是光纖電流傳感器中由于電流通過導(dǎo)體而導(dǎo)致的光偏振旋轉(zhuǎn)的表示。來源：光纖芯/人文

法拉第效應(yīng)

將磁場強度與旋轉(zhuǎn)角度聯(lián)系起來的比例常數(shù)被稱為Verdet常數(shù)，以法國物理學(xué)家Marcel émile Verdet的名字命名，他在1870年代后期研究和量化了這種關(guān)系。Verdet 常數(shù)是衡量特定材料中法拉第效應(yīng)強度的指標(biāo)，值較大表示該材料具有很強的法拉第效應(yīng)。

如果了解法拉第效應(yīng)是構(gòu)建可行的電流傳感器所需的全部內(nèi)容，那就太好了，但在光學(xué)和電磁物理學(xué)領(lǐng)域，這絕非易事。原則上，只需將光纖纏繞在載流線上，即可使用Verdet效應(yīng)來測量電流值。顯然，這種實現(xiàn)提供了高電壓值的電流（歐姆）隔離的重要屬性，這在電源相關(guān)應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢。

當(dāng)然，還有一些微妙的細(xì)節(jié)，比如克服現(xiàn)實世界的問題，使用法拉第效應(yīng)作為可行的電流傳感器。正如預(yù)期的那樣，任何振動或熱波動都會影響沿光纖的偏振狀態(tài)，因此光纖必須與這些影響隔離開來，同時仍保持對場引起的偏振旋轉(zhuǎn)的敏感性。

該解決方案需要一種獨特的光纖，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路中使用的光纖非常不同。一種稱為旋轉(zhuǎn)高雙折射（SHB）光纖的高級光纖結(jié)構(gòu)在微觀尺度上保持偏振，但在宏觀尺度上具有凈零雙折射;制造這種纖維是一項挑戰(zhàn)。

為此，用于制造光纖的玻璃被精確旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生偏振軸的恒定旋轉(zhuǎn)，沿光纖每隔幾毫米旋轉(zhuǎn)一次。結(jié)果是纖維結(jié)構(gòu)，盡管光纖上存在機械應(yīng)力，但仍能保持圓極化，并且仍然允許對Verdet效應(yīng)敏感。

用于電流檢測的光纖

通過仔細(xì)平衡光纖的自旋節(jié)距和精確控制的雙折射水平，可以設(shè)計出光纖來克服卷取過程中彎曲引起的應(yīng)力的影響，同時仍然對法拉第效應(yīng)敏感。因此，可以使用更長長度的紡絲纖維，允許使用更多線圈直徑更小的纖維卷，從而提高靈敏度。

毫不奇怪，構(gòu)建基于光纖的電流傳感器不僅僅是這個復(fù)雜而微妙的步驟（圖 2）。輸入激光束的圓偏振必須穩(wěn)定，因此需要在傳感器光纖之前使用偏振控制光纖。反過來，這些光纖需要相當(dāng)大的支持：四分之一波片、保持極化的延遲線圈、調(diào)制器光纖和偏振 Zing 光纖。Fibercore的Zing光纖是一種設(shè)計用于在指定波長范圍內(nèi)僅支持一種偏振模式的光纖。

圖2高靈敏度光纖電流傳感器的光學(xué)原理圖顯示（1）寬帶摻鉺光源，（2）耦合器，（3）光電探測器，（4）偏振片，（5）45o熔接， （6） 光纖調(diào)制器， （7） 900 m 長延遲線圈， （8） 45o接頭，（9）四分之一波板，（10）16m紡高雙折射（HiBi）光纖和（11）鏡子。來源：光纖芯/人文

基于光纖的傳感器功能

通過仔細(xì)控制信號鏈中的每個階段并優(yōu)化每個元件，傳感器可以提供高靈敏度和精度。1989年發(fā)表在IEEE光波技術(shù)雜志上的一篇詳細(xì)的技術(shù)論文“采用旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖的電流傳感器”提供了基本的光學(xué)物理理論和必要的方程，還包括實際的竣工示例。

這似乎是一個不錯的實驗室項目，但這些光纖電流傳感器（FOCS）是否在現(xiàn)場安裝或測試過？作為這些傳感器的領(lǐng)先供應(yīng)商，總部位于英國的Fibercore表示，它們已經(jīng)在中國的全國配電網(wǎng)絡(luò)中使用，其他裝置正在其他地方進(jìn)行。該公司認(rèn)為，其中的優(yōu)點是固有的電流隔離，并且大多數(shù)光學(xué)器件和電子設(shè)備可以遠(yuǎn)距離放置和操作，而只有傳感器頭需要靠近載流線。

這并不是光纖唯一超越數(shù)據(jù)鏈路的迷人用途。Fibercore的網(wǎng)站對這些光纖還有許多其他用途，其中許多基于高度專業(yè)化的制造技術(shù)，能夠控制和管理光波長，偏振，反射和許多其他屬性，以創(chuàng)建針對專業(yè)挑戰(zhàn)的傳感器。我“有點”知道其中一些其他用途，但也有許多我沒有意識到存在。

高純度、超精密光纖技術(shù)的適應(yīng)和發(fā)展最初是為數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計的，以服務(wù)于非常不同的應(yīng)用，這是科學(xué)家和工程師如何看待“其他地方”的先進(jìn)并弄清楚如何以新的創(chuàng)新方式利用它們的另一個例子。

你見過的最“抽象”或最奇怪的物理原理是什么，用于傳感裝置或傳感器本身？必須識別和克服哪些限制因素和錯誤來源才能實現(xiàn)必要的性能？首先是誰想出這些想法的？畢竟，即使理論存在，許多根本不明顯。

編輯：黃飛