使用光纤作为隔离电流传感器？

时间: 2024-06-12 22:00:38 |   作者: 安装方式

  通过仔细平衡光纤的旋转节距和控制的双折射水平，光纤可以被设计为克服卷绕过程中弯曲引起的应力的影响，同时仍然对法拉第效应敏感。因此，能够正常的使用更长长度的旋转光纤，从而允许使用更多具有更小线圈直径的光纤线圈，并导致更高的灵敏度。

  例如，光纤在数据链路中的用途是众所周知的，范围从短距离板间和机箱内路径到跨越数千公里的路径。它们不受 EMI/RFI 和外部电子影响，很适合高干扰情况下的数据链路。但它们也用作压力和压力传感器。

  然而，光纤对永恒电磁影响的免疫力仅在正确的环境和特殊的布置下才有效。有一种技术能利用法拉第效应（是的，就是法拉第效应），即光穿过磁场时偏振态的旋转；该场可由电流感应（图 1）。电流越大，磁场越大，因此极化旋转越大。1845 年，迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 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。

  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 ?mile Verdet 的名字命名，他在 1870 年代末研究并量化了这种关系。维尔德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备较强的法拉第效应。

  如果只有必要了解法拉第效应就可以构建可行的电流传感器，那就太好了，但在光学和电磁物理领域，这从来都不那么容易。原则上，只需将光纤缠绕在载流电线上，即可利用费尔德效应来测量电流值。显然，这种实现提供了高电压值电流（欧姆）隔离的重要属性，这在电源相关应用中是一个重要的优势。

  当然，还有一些微妙的细节，例如在使用法拉第效应作为可行的电流传感器的过程中克服现实世界的问题。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态，因此光纤必须与这些影响隔离，但仍保持对场引起的偏振旋转的敏感性。

  该解决方案需要一种与传统数据链路所使用的光纤非常不同的独特光纤。一种称为旋转高双折射 (SHB) 光纤的先进光纤结构可在微观尺度上保持偏振，但在宏观尺度上具有净零双折射；制造这种纤维是一个挑战。

  为此，用来制造光纤的玻璃被旋转，以产生偏振轴的恒定旋转，沿着光纤每隔几毫米旋转一整圈。其结果是，尽管光纤受到机械应力，但光纤结构仍能保持圆偏振，并且仍然对费尔德效应敏感。

  通过仔细平衡光纤的旋转节距和控制的双折射水平，光纤可以被设计为克服卷绕过程中弯曲引起的应力的影响，同时仍然对法拉第效应敏感。因此，能够正常的使用更长长度的旋转光纤，从而允许使用更多具有更小线圈直径的光纤线圈，并导致更高的灵敏度。

  毫不奇怪，构建基于光纤的电流传感器不单单是这一复杂而微妙的步骤（图 2）。输入激光束的圆偏振必须稳定，因此就需要在传感器光纤之前安装偏振控制光纤。这些光纤又需要大量的支持：四分之一波片、保持偏振的延迟线圈、调制器光纤和偏振 Zing 光纤。Fibercore 的 Zing 光纤是一种设计用于在指定波长范围内仅支持一种偏振模式的光纤。

  图 2高灵敏度光纤电流传感器的光学原理图显示 (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m 旋转高双折射 (HiBi) 光纤，以及 (11) 镜子。

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