電流傳感器 光纖：一文看懂光纖電流傳感器的基本原理！
光纖電流傳感器是電流傳感器的一種，它是由探測(cè)器，光源，調(diào)節(jié)器，以及電線光電探頭組成的。憑借其超強(qiáng)的絕緣性，高精準(zhǔn)度，便于安裝檢修等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。今天傳感愛好者就為大家介紹一下光纖電流傳感器的基本原理，希望大家能夠有所啟示！
光纖電流傳感器原理是什么？
當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
光纖電流傳感器優(yōu)勢(shì)有哪些？
1、測(cè)量準(zhǔn)確度高。
利用光的磁光效應(yīng)測(cè)量電流，徹底拋棄的電磁式鐵心繞組的結(jié)構(gòu)，沒有故障電流下的飽和漏電，測(cè)量也無(wú)磁滯效應(yīng)，同時(shí)具有高的抗電磁干擾的能力和靈敏度，準(zhǔn)確度。
2、設(shè)備安裝和檢修方便。
只需要更換線圈的規(guī)格來(lái)適應(yīng)不同的電壓等級(jí)，而其他部件不需要更換，具有良好的升級(jí)性。
3、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，造價(jià)低。
由于光纖具有良好的絕緣特性，高低壓之間的絕緣通過光纖再加上絕緣套來(lái)完成，從而使互感器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。
4、有利于變電站綜合自動(dòng)化水平的提高。
5、運(yùn)行安全，不會(huì)產(chǎn)生二次開路的高壓和采用油浸式所引起的爆炸等現(xiàn)象。
以上就是傳感愛好者為您帶來(lái)的光纖電流傳感器基本原理的介紹了，想要充分發(fā)揮使用光纖電流傳感器的功能，我們還需得多了解一下原理，在對(duì)原理有足夠理解的基礎(chǔ)之下，對(duì)光纖電流傳感器的使用才能更加得心應(yīng)手。
電流傳感器 光纖：光纖電流傳感器
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光纖電流傳感器
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光纖電流傳感器是一種智能電網(wǎng)設(shè)備，其原理利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。
中文名
光纖電流傳感器
原 理
利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)
優(yōu) 點(diǎn)
抗電磁干擾能力強(qiáng)信號(hào)衰減小
應(yīng) 用
智能電網(wǎng)等
目錄
1
簡(jiǎn)述
2
應(yīng)用
3
優(yōu)點(diǎn)
光纖電流傳感器簡(jiǎn)述
編輯
語(yǔ)音
光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖
現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的輸送和檢測(cè)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高壓大電流的測(cè)量手段將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)．隨著光纖技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的光纖電流傳感系統(tǒng)，因具有很好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測(cè)量精度，容易小型化，沒有潛在的爆炸危險(xiǎn)等一系列優(yōu)越性，而受到人們的廣泛重視．光纖電流傳感器的主要原理是利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)．根據(jù)of=VBl，通過對(duì)法拉弟旋轉(zhuǎn)角0F的測(cè)量，可得到電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以計(jì)算出電流大小．由于光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好、信號(hào)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，因而在法拉弟電流傳感器研究中，一般均采用光纖作為傳輸介質(zhì)，其工作原理如《光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖》所示：激光束通過光纖，并經(jīng)起偏器產(chǎn)生偏振光，經(jīng)自聚焦透鏡人射到磁光晶體:在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)θF角度；經(jīng)過檢偏器、光纖，進(jìn)人信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)θF的測(cè)量得到電流值．當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)中兩偏振器透光主軸的夾角為45°，經(jīng)過傳感系統(tǒng)后的出射光強(qiáng)為:l=(Io/2)(1+sin2θF)式中Io為入射光強(qiáng)．通過對(duì)出射光強(qiáng)的測(cè)量，就可以得出θF，從而可測(cè)出電流的大小．
光纖電流傳感器應(yīng)用
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語(yǔ)音
1、應(yīng)用于智能電網(wǎng)城市用電量的增加，使得供電設(shè)備經(jīng)常處于超負(fù)荷預(yù)裝狀態(tài)，電源設(shè)備面臨的考驗(yàn)也越來(lái)越大，電子設(shè)備60%的故障都來(lái)自電源。隨著電源問題日益突出的嚴(yán)重性，電源技術(shù)漸漸被廣大廠商重視，具有傳感檢測(cè)、傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢(shì)，保護(hù)電源的設(shè)備也隨之誕生，檢測(cè)電流或電壓的傳感器應(yīng)運(yùn)而生。電流傳感器是指能感受被測(cè)電流并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，在國(guó)內(nèi)外的用途非常廣泛。閉環(huán)電流傳感器不間斷監(jiān)測(cè)電量隨著新能源技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展，電流傳感器在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)
[1]
用尤為重要，它是風(fēng)能渦輪機(jī)中轉(zhuǎn)換器必不可少的元件。在轉(zhuǎn)換器中，需要裝有非常多的小型或PCB電流傳感器，它屬于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保逆變器能夠迅速響應(yīng)。逆變器與發(fā)電機(jī)的同時(shí)作用，可以確保在風(fēng)能渦輪機(jī)啟動(dòng)之后在一個(gè)很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率，直到渦輪機(jī)在上限風(fēng)速時(shí)停機(jī)為止。為了使驅(qū)動(dòng)器能達(dá)到最好的工作狀態(tài)，需要對(duì)工作中的電流進(jìn)行不間斷的測(cè)量，電流傳感器的性能直接影響著電路控制的質(zhì)量和響應(yīng)時(shí)間，這也是它能夠在風(fēng)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的原因。同時(shí)，閉環(huán)電流傳感器不僅帶寬高、響應(yīng)時(shí)間快，它還具有線性度好和精確度高等優(yōu)點(diǎn)。電流傳感器減少電纜負(fù)荷量在英國(guó)，一種適合于安裝在240伏-600安變電站主線上的電流傳感器誕生了，這種傳感器對(duì)變電站的電力輸出進(jìn)行監(jiān)控，可以減少地方電網(wǎng)故障所造成的停電時(shí)間。電流傳感器可以對(duì)供電電纜進(jìn)行電流監(jiān)控，若是電纜出線超負(fù)荷，這些電流傳感器可將一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他相中，或者是新鋪設(shè)的電纜中，保護(hù)電纜的安全使用和運(yùn)行。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和升級(jí)，電流傳感器也在技術(shù)、設(shè)計(jì)和效用等方面不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，對(duì)冶金、化工等行業(yè)的電流測(cè)流具有重大作用。基于智能電網(wǎng)的光纖電流傳感器新型光纖電流傳感器就是智能電網(wǎng)快速發(fā)展的科技產(chǎn)物。我國(guó)推出了XDGDL-1光纖電流傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管線電流傳感系統(tǒng)的全數(shù)字閉環(huán)控制，具有穩(wěn)定性和線性度好、靈敏度高等特點(diǎn)，滿足了大量程范圍的高精度測(cè)量要求。同時(shí)，該系統(tǒng)開發(fā)了一種可現(xiàn)場(chǎng)繞制的伸縮結(jié)構(gòu)，安裝方便，可避免雜散磁場(chǎng)的干擾，母線偏心的測(cè)量誤差小于正負(fù)0.1%，實(shí)現(xiàn)了一種高精度信號(hào)轉(zhuǎn)換方案，為整流器控制設(shè)備提供高精度模擬信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信接口。工業(yè)升級(jí)發(fā)展促進(jìn)電流傳感器改進(jìn)在我國(guó)工業(yè)發(fā)展升級(jí)的驅(qū)動(dòng)下，電力設(shè)備的安全性使用越來(lái)越受到重視。電流傳感器作為一個(gè)兼具保護(hù)性和監(jiān)控作用的工具，將會(huì)在未來(lái)的電網(wǎng)中起到更重要的意義。相比國(guó)外同類產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的電流傳感器技術(shù)還有很大的差距需要彌補(bǔ)和提高。國(guó)內(nèi)也逐漸涌現(xiàn)出有很多新型產(chǎn)業(yè)，都需要傳感器的支持，無(wú)論是出于安全性考慮還是市場(chǎng)效益考慮，電流傳感器將會(huì)趨于更加高效可靠，在低碳環(huán)保的要求下，小型化也是未來(lái)的一大趨勢(shì)，這也將促進(jìn)國(guó)內(nèi)傳感器廠商投入更多的經(jīng)歷開發(fā)新技術(shù)和產(chǎn)品。在不久的將來(lái)，電流傳感器將會(huì)在更多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)將為新興物聯(lián)網(wǎng)打好基礎(chǔ)。
光纖電流傳感器優(yōu)點(diǎn)
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語(yǔ)音
(1)容易安裝，不用斷開導(dǎo)線，僅將細(xì)長(zhǎng)、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測(cè)電流，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感裝置的小利輕量化；(2)無(wú)電磁噪音的干擾。近年的計(jì)測(cè)控制系統(tǒng)中，一般將傳感器的輸出連接于半導(dǎo)體的電子回路，傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構(gòu)成，故具有抗電磁干擾(EMI)特性；(3)計(jì)測(cè)范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時(shí)，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測(cè)量范闈；(4)因?yàn)樾盘?hào)通過光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸。
參考資料
1.
光纖電流傳感器應(yīng)用于智能電網(wǎng)
．中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)[引用日期2012-12-24]
電流傳感器 光纖：全光纖電流傳感器
摘要：
與傳統(tǒng)傳感器相比,全光纖電流傳感器(AFOCS)小巧量輕,無(wú)需鐵芯、材料絕緣、不會(huì)出現(xiàn)飽和、探測(cè)線性度高、輸出信號(hào)可直接數(shù)字化連接,它完全符合智能變電站與超高壓電網(wǎng)的建設(shè)和技術(shù)要求。論文從基本的電流測(cè)量需求出發(fā),針對(duì)目前AFOCS產(chǎn)品存在價(jià)格高昂,光路實(shí)現(xiàn)困難等缺點(diǎn),主要進(jìn)行了以下方面研究: 1.論文以Sagnac型AFOCS為主要研究對(duì)象,分析對(duì)比了AFOCS的各種光路,對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo),運(yùn)用瓊斯矩陣,推導(dǎo)出了AFOCS的數(shù)學(xué)模型和后期信號(hào)處理模型,為深入研究AFOCS奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí),設(shè)計(jì)了一種基于3×3耦合器的In-line型AFOCS結(jié)構(gòu),論文對(duì)其可行性進(jìn)行了理論模型推導(dǎo)及仿真,結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于耦合器分光比精確、穩(wěn)定。 2.改進(jìn)了一種制作工藝——扭轉(zhuǎn)法來(lái)制作全光纖1/4波片,其與傳統(tǒng)的熔接法和變速spun法相比,制作流程簡(jiǎn)單,不需要使用橢圓芯保偏光纖,而且可以采用普通的光纖熔接機(jī)進(jìn)行操作,降低了全光纖1/4波片的制作難度。檢測(cè)結(jié)果表明,其消光比皆小于0.8dB,偏振度可達(dá)90%以上。同時(shí),我們對(duì)1/4波片熔接角度和相位延遲誤差對(duì)AFOCS的影響進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并仿真。最后得出,在線雙折射為零的情況下,當(dāng)系統(tǒng)需滿足0.2級(jí)精度要求時(shí),扭轉(zhuǎn)角θ的誤差必須小于0.023rad,相位延時(shí)誤差△δ必須小于0.046 rad。 3.分析了傳感器的信號(hào)處理方法,針對(duì)目前信號(hào)處理方法上的一些缺陷,提出了一種新的解調(diào)辦法,并利用MATLAB對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真,證明了其可行性。 4.搭建了 AFOCS系統(tǒng)樣機(jī),完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的初步研發(fā),同時(shí),測(cè)試了不同調(diào)制幅度和調(diào)制頻率下系統(tǒng)的輸出信號(hào)變化,并最終確定了該系統(tǒng)的最佳調(diào)制電壓(1.76V)和頻率(23.845kHz)。對(duì)電流進(jìn)行了初步測(cè)量,采集了信號(hào),并編寫了解調(diào)程序軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行了解調(diào),測(cè)量結(jié)果的最大誤差為6.492%。最后,對(duì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)振動(dòng)導(dǎo)致的誤差進(jìn)行了改進(jìn),效果較好。
展開
電流傳感器 光纖：詳解光纖電流傳感器原理
現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的輸送和檢測(cè)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高壓大電流的測(cè)量手段將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)．隨著光纖技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的光纖電流傳感系統(tǒng)，因具有很好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測(cè)量精度，容易小型化，沒有潛在的爆炸危險(xiǎn)等一系列優(yōu)越性，而受到人們的廣泛重視．光纖電流傳感器的主要原理是利用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)．根據(jù)of=VBl，通過對(duì)法拉弟旋轉(zhuǎn)角0F的測(cè)量，可得到電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以計(jì)算出電流大小．由于光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好、信號(hào)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，因而在法拉弟電流傳感器研究中，一般均采用光纖作為傳輸介質(zhì)，其工作原理如下圖：
光纖電流傳感器示意圖
激光束通過光纖，并經(jīng)起偏器產(chǎn)生偏振光，經(jīng)自聚焦透鏡人射到磁光晶體：在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)θF角度；經(jīng)過檢偏器、光纖，進(jìn)人信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)θF的測(cè)量得到電流值．
當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)中兩偏振器透光主軸的夾角為45°，經(jīng)過傳感系統(tǒng)后的出射光強(qiáng)為：
l=（Io/2）（1+sin2θF）
式中Io為入射光強(qiáng)．通過對(duì)出射光強(qiáng)的測(cè)量，就可以得出θF，從而可測(cè)出電流的大小．
詳解光纖電流傳感器原理
1、光纖電流傳感器原理
Tip：當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
01、光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)
圖示：光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成（如圖所示）。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號(hào)處理電路等。從傳感頭有無(wú)電源的角度，可分為無(wú)源式和有源式兩類。
02、無(wú)源式光纖電流互感器（OFCT）
OFCT主要利用了法拉第磁光效應(yīng)。即磁場(chǎng)不能對(duì)自然光產(chǎn)生直接作用，但在光學(xué)各向同性透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)H可使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象被稱為磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。 當(dāng)一束線性偏振光通過置于磁場(chǎng)中的法拉第旋光材料時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角θ正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿偏振光通過材料路徑的線積分：
式中，V為磁光材料的Verder常數(shù)，旋轉(zhuǎn)角度θ與被測(cè)電流i成正比。利用檢偏器將旋轉(zhuǎn)角θ的變化，轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)度的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理，便可求得被測(cè)電流i，如圖所示。
圖示：光纖電流傳感器傳感頭
03、有源式光纖電流傳感器（HOCT）
這是一種基于傳統(tǒng) 互感器傳感原理，利用有源器件調(diào)制技術(shù)、以光纖為信號(hào)傳輸媒介，將高壓側(cè)轉(zhuǎn)換得到的光信號(hào)送到低壓側(cè)解調(diào)處理，并得到被測(cè)電流信號(hào)的新型傳感器。它既發(fā)揮了光纖系統(tǒng)的絕緣性能好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)明顯降低了大電流高壓互感器的體積、重量和制造成本，又利用了傳統(tǒng)互感器原理技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，避免了純光學(xué)互感器光路復(fù)雜、穩(wěn)定性差等技術(shù)難點(diǎn)。 有源OFCT是通過一次采樣傳感器（空心線圈或小CT，電阻分流器） 將電流信號(hào)傳遞給發(fā)光元件而變成光信號(hào)，再由光纖傳遞到低電位側(cè)、變換成電信號(hào)以后輸出。高壓側(cè)電子器件供電方式有光供電、母線電流供電和太陽(yáng)能電池供電等。目前應(yīng)用最多的是采用空心線圈的有源式OFCT，其組成原理圖如圖所示。
圖示：有源式光纖電流傳感器構(gòu)成原理圖
空心線圈的截面為矩形或圓形，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈的尺寸、匝數(shù)以及一次電流有關(guān)，受外磁場(chǎng)和載流導(dǎo)體位置的影響小。因此，對(duì)空心線圈的輸出電壓積分即可還原為被測(cè)電流。
