第八章光纤电磁量传感器

概 述概 述

应用特点：在电力系统中，常会遇到要在强电磁场干扰的情况下测量高压、大电流等电磁参量的问题。由于光纤传感器具有绝缘性好，抗电磁场干扰，灵敏度高等特性，因此在电力系统测量中具有突出的优势。

常用的调制方式：偏振调制和相位调制式。 利用的物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效

应、电致光吸收效应、压电效应等。

电磁量光纤传感器调制方式

某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量 E旋转角与光在物质中通过的距离 l 和磁场强度 H 成正比

11 、法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）、法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）

E

l

H

lHV V ─ 费尔德常量， 1154 Tm 1010~

22 、磁致伸缩效应、磁致伸缩效应

铁磁性材料的磁状态改变时 , 其尺寸也发生相应的改变。例如铁磁材料做成的棒放在方向顺着棒长的磁场内 , 其长度将发生变化 , 这种现象称为磁致伸缩效应 .

磁致伸缩效应是可逆的 , 即在对棒拉伸使之发生形变时 , 其磁化强度也发生变化 .

磁致伸缩引起的形变是相当小的 , 其数量级为 10-6 。不同的铁磁材料其磁致伸缩效应是不同的 , 在铁、钴、镍这三种材料中 , 镍的磁致伸缩效应最明显。

单晶磁畴结构示意图 多晶磁畴结构示意图

在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。

磁致伸缩效应的物理解释 磁致伸缩效应的物理解释

磁畴

H

在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。

磁场增强磁场增强

磁 致 伸 缩 效 应磁 致 伸 缩 效 应

( )c k l n S B

磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化

k －波数； l －光路长度； n －折射率； S(B) －磁场 B 引起的纵向应变

适用于弱磁场： 10 － 16 T （ 1 km ）l

lBS

)(

光纤磁致伸

缩材料

B

33 、电致光吸收效应、电致光吸收效应

外加电场的作用可引起材料吸收系数的变化。尤其是在半导体材料中，外电场作用使能带边发生倾斜，带间电子隧道贯穿势垒降低，致使带间吸收 ( 包括一些激子吸收峰 ) 向低能方向偏移，称为电致光吸收效应。

44 、电致伸缩（压电效应）、电致伸缩（压电效应）

在某些材料上施加电场 , 会产生机械变形 , 而且其应变与电场强度成正比 , 这称为电致伸缩效应。如果施加的是交变电场 , 材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强 , 振动的幅度越大。

• 在空心的压电陶瓷圆柱筒 (PZT) 上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于 PZT 筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。

压电陶瓷圆柱筒 (PZT) 的应用

光纤法拉第磁强计 磁致伸缩效应光纤磁场传感器 电致光吸收光纤电场传感器 压电弹光光纤电场传感器 BSO晶体光纤电场传感器 光纤电流传感器 金属被覆光纤电流传感器 磁致伸缩效应光纤电流传感器 法拉第效应光纤电流传感器 压电弹光效应光纤电流传感器

磁场传感器

电场传感器

电流传感器

光纤电磁量传感器类型光纤电磁量传感器类型

利用法拉第效应制成磁场传感器。

VHl

光纤光纤

激光激光 探测器

一、光纤法拉第磁强计一、光纤法拉第磁强计

V─费尔德常量

P1 P2H

l

传光型光纤法拉第磁强计原理传光型光纤法拉第磁强计原理

P1 P2

l

VHl

1P 2P

0I 2

0 cosII VHl

1P 2P

0Io45

l

l

I

o45

)2sin1(2

)45(cos 0020

III

二、磁致伸缩效应光纤磁场传感器二、磁致伸缩效应光纤磁场传感器

利用磁致伸缩材料所产生的变形作用于光纤，检测磁场是一种高灵敏度的技术。它是在马赫—泽德尔干涉仪上用被覆有磁致伸缩材料的光纤作为测量臂。

干涉仪测量光纤

磁致伸

缩材料

光纤的轴向尺寸将随磁场的强弱而伸缩，使得通过光纤的光程发生变化。信号光与参考光干涉后，得到与磁场成比例的输出信号。这种磁场传感器灵敏度高，分辨率可达 10-12T, 可用于测量磁场、探矿等。

激光激光

探测器

马赫—泽德尔磁场传感器原理

H磁性薄膜磁性薄膜

参考臂

光纤的轴向尺寸随磁场的强弱而伸缩

光纤光纤

HKl

l

3应变 对于镊 K-8.9×10-5 (A/m)1/2

l

磁致伸缩引起的相位变化

nl 2

)(2

)(2

n

n

l

lnlnlln

HKl

l

3其中轴向应变

光纤在磁致伸缩材料作用下，也发生应变，包括纵向应变和径向应变，由于光弹效应折射率发生变化

])[(2 31211211

3

pppn

n (5－ 21)

光弹效应产生的折射率变化为：

1 是径向应变， 21＋ 3 ＝ 0 ， p11, p12 是光

弹系数。

)(2

n

n

l

lnl

31212113 ])(

4

11[

2 pppnnl

HKl

l

3

2/1

0

12/10

2/1103 )1()(

H

HKHHHK

l

l

2/10

12/10

0

12/10 2

)2

11(

H

HKKH

H

HKH

与待测磁场有关

为了提高传感器灵敏度，在被覆材料上偏置一恒定磁场，外加总磁场强度 H 包括两个部分，一部分是作偏置用的直流恒定磁场强度 H0 ， H0 的选定应使应变随磁场的变化率为最大值，以使传感器能工作在最灵敏的区域内；另一部分是待测的随时间在 H0附近上下变化的磁场强度 H1 ，通常 H0 >>H1 。

激光激光

探测器

马赫—泽德尔磁场传感器

1H磁性薄膜磁性薄膜

参考臂

赫姆霍兹线圈产赫姆霍兹线圈产生偏置磁场生偏置磁场 HH00

l

PZTPZT 相位补偿器相位补偿器

光纤

磁致伸缩材料分为结晶金属和金属玻璃两大类。金属类的磁致伸缩材料有铁、钴、镍，以及这三种元素的金属化合物。其中以纯镍的磁致伸缩系数 (负值 ) 最大。同时，由于制造简单和耐腐蚀等原因，常用纯镍作光纤的被覆层。

纯镍金属被覆光纤 , 最佳的偏置磁场 H0=240A/m,

据报道 , 这时镍被覆光纤磁致伸缩灵敏度已达到 1.27×10-7 A/m2 。镍被覆光纤可以有两种制作方法 :一种是把经过退火的体状镍薄壁管粘接到芯径为 80m 的单模光纤上。这种镍被覆光纤长度为 10cm左右。

光纤镍薄壁管

10cm

另一种是通过电子束蒸发的方法，使薄膜直接沉积在裸光纤上，其薄膜厚度在的范围内 0.6~2m 。例如在 80m 芯径的光纤上可沉积 1.5 m厚的镍被覆层。光纤沉积被覆层后要进行退火，消除磁场伸缩护层材料中的残余应变。

裸光纤沉积镍薄膜

几种敏感元件的基本结构几种敏感元件的基本结构

光纤被覆材料

a) 被覆式

b) 心轴式

磁致伸缩材料光纤

磁致伸缩材料光纤

c) 带式

光源

磁场

参考臂

3dB 3dB

耦合器信号处理器 测量参数

光纤马赫—泽德尔磁场传感器光纤马赫—泽德尔磁场传感器

I0

耦合器

磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂

测量臂

三、电致光吸收光纤电场传感器三、电致光吸收光纤电场传感器

3/2

3 *)(

1

2

3Ee

mEg

根据量子力学理论可以导出在电场 E 作用下，半导体材料禁带宽度 Eg 的变化为：

m* 为电子有效质量， 2

h

0.7V

1.9V

0V

0.2m

c

hh Eg

导带

价带

电子的分立能级在电场作用下可发生分裂，这就是斯塔克(Stark) 效应。没有外电场时，如果离子的外层电子从它所占据的能级向相邻的高能级跃迁所需能量 E 大于光子能量 hv, 外层电子就不能吸收这种光子；有外电场时 ,斯塔克效应引起的能级分裂值 E减小，当减小至 E <hv 时，外层电子就可吸收光能跃向相邻的高能级，这意味着外电场能使离子外层电子的吸收谱移动。 E 变化 10Mev 时 ,吸收谱移动距离约 120nm 。所以，只要离子选择适当，处于特定光纤中的离子外层电子吸收谱边缘就可与所用光源频谱对应起来。

Stark 效应 E

斯塔克斯塔克 ((StarkStark)) 效应效应

综上所述，外电场能影响光纤中杂质离子及杂质离子外层电子的吸收光谱，因此能改变掺有适当杂质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器就是根据电场作用使离子与电子的吸收谱线发生偏移，光纤中掺入能产生伏兰茨—克尔德什效应的结晶体，使其吸收率随调制电压而变化。就可用这种光纤测量电场或电压的大小。对于波长处于材料的吸收边外而又靠近吸收边的入射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。

电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器

LED发光光谱材料透射率

E1<E2<E3

E3

E1

E2

相 对 发 光 强 度 吸 收 率

波长

电致光吸收光纤电场传感器电致光吸收光纤电场传感器就是根据电场作用使离子与电子的吸收谱线发生偏移，来测量电场或电压的大小。吸收率随调制电压而变化。对于波长处于材料的吸收边外而又靠近吸收边的入射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。

E

电致光吸收光纤电场传感器原理图电致光吸收光纤电场传感器原理图

LED光源

探测器

掺有杂质离子光纤

电吸收调制器原理电吸收调制器原理利用 Franz-Keldysh 效应和 Stark 效应，工作在调制器材料吸收区边界波长处。当调制器无偏压时，该波长处吸收最小，因而输出光功率最大，处于通状态，或者说输出“ 1” 。随着调制器上电压的增加，调制器对输入光波的吸收边向长波长方向偏移，原来的波长处吸收系数变大，调制器成为断状态，输出功率最小，或者说输出“ 0"

LED发光光谱材料吸收率

E ＝0

相 对 发 光 强 度 吸 收 率

波长

E ＝ Emax 1 0 1 0 1

四、压电效应光纤电场传感器四、压电效应光纤电场传感器

利用压电效应测量电场的光纤传感器，即采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方法。在压电弹光效应中，可以用高分子聚合物 ( 如聚偏二氟乙烯－ PVF2) 作压电材料，高分子聚合物可作为光纤的包皮与光纤合为一体，只要这种形式的光纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。

PVF2光纤

干涉仪测量光纤

压电材料

聚偏二氟乙烯 (PVF2)被覆光纤作为光纤干涉仪的测量臂就可以敏感电压或电场的变化。由于 PVF2 材料在电场的作用下产生延伸现象，引起光纤的应变造成传输光相位的变化，用干涉仪测出这种相位变化就可测量出外加电压的大小。PVF2 的灵敏度较大波长为 633nm 时， PVF2 约有4rad／ (V·m) 的相移，而普通的压电陶瓷波长为 633nm 时，约有 0.39rad ／ (V·m) 的相移。

E

激光激光

探测器

马赫—泽德尔电场传感器E

PVF2

参考臂

lPZTPZT 相位补偿器相位补偿器

相位补偿器可以实现两种运行方式：一种是 /2 相位锁定，使干涉仪获得最大的灵敏度。另一种是相位锁定，干涉仪可得到最大的混频效率。

P1P2

l

U

U

Unl

2

是一种利用电光效应的光纤电场传感器。在高压系统电场的测量中，可以用电光晶体作为传感器探头置于高压系统中。电光晶体可以用硅酸铋（ Bi12SiO20）、铌酸锂（ LiNbO3）。

五、电光效应光纤电场传感器五、电光效应光纤电场传感器

电光晶体4

)2

(sin 2

U

U

I

I

i

o

)2

(sin)2

(sin 22

U

El

U

U

I

I

i

o I

U2

)]sin(1[2

1

U

El

I

I

i

o

P1P2

l

U

电光晶体4

4

把晶体传感探头置于两平行平面电极之间，就可以对外加电场进行测量。图中是一个实测的曲线。可以看出，外加电场 E 与输出电压信号 V 之间具有较好的线性度。

电光晶体

六、金属被覆光纤电流传感器六、金属被覆光纤电流传感器

金属被覆光纤可以分为金属被覆多模光纤和金属被覆单模光纤。由于其类型不同，因而决定了由它们各自组成的电流传感器的原理也不同。

1、金属被覆多模光纤电流传感器

最普通的方式是，将多模光纤被覆上一层厚的铝金属护套。将光纤放置在磁场之中，并使光纤被覆层通以电流。此时，电流与磁场的相互作用引起光纤微弯曲，通过光源所激励的光纤中的各个波导模式，因光纤的微弯曲而产生新的相位差，并使传导模向辐射模转换，引起传导模能量的损耗。通过检测光纤末端射出的光束所形成的干涉图样的变化或能量的变化来反映被测电流的大小，这就是所谓的“光纤自差”测量方法。

光纤

金属护套

光

电流

d dF I l B

光纤光纤

激光激光 探测器

B

70m

175m(7.2/m)

永久磁场作用在圆柱体的轴线方向，其场强约在 0.1T

dF

22 、金属被覆单模光纤电流传感器、金属被覆单模光纤电流传感器

这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤中光的相位，从而实现电流检测的。若把被覆光纤作为马赫—泽德尔光纤干涉仪的测量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。

激光激光 探测器

马赫—泽德尔干涉仪电流传感器原理

金属护套金属护套

参考臂

光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化

光纤光纤

cml 10

nL 2

)(2

LdT

ndL

dT

dn

LdT

d

电流源

I2IRQ

七、磁致伸缩效应光纤电流传感器

利用磁致伸缩材料被覆的单模保偏光纤作为马赫—泽德尔干涉仪的测量臂。当被测电流流过线圈时，将产生磁场并作用在磁致伸缩材料上，产生磁致伸缩效应，引起光纤发生形变，从而使干涉仪的两个臂的光相位差发生变化，通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。

光纤光纤

磁致伸缩材料

电流源

I

测量臂

八、法拉第效应光纤电流传感器八、法拉第效应光纤电流传感器

这种传感器的工作原理示意图如图 8—16所示。其基本原理是利用光纤材料的法拉第效应，即处于磁场中的光纤会使在光纤中传输的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场强度 H 、磁场中光纤的长度 l 成正比

VHl

该种电流传感器的优点：测量范围大，灵敏度高，与高压无接触，电绝缘性好，特别适用于高压大电流的测量，测量范围为 0～ 1000A 。

激光器

起偏器

光纤载流导线

电流I

VHl

r

IH

2电流

I1-I2

I1+I2

2I渥拉斯顿棱镜

1I

0I

光纤电流传感器原理示意图光纤电流传感器原理示意图

光纤电流传感器的优势：既可以测直流电，又可以测交流电不受电磁干扰本身不带电，安全防爆体积小巧，易于安装组网方便，便于维护升级光纤传导信号，实现长距离监测。

光纤电流传感器

习题和思考题习题和思考题

1 、简述光纤法拉第磁强计工作原理，并总结传感器部件的选择上应注意哪些问题。2 、简述磁致伸缩效应在光纤磁场和电流传感器中的应用。3 、设计一个基于马赫—泽德干涉仪的电流传感器，给出系统原理框图，详细说明工作原理。该传感器对光纤有什么要求，为什么？

电光效应（电光效应（电致双折射电致双折射））：某些晶体材料在外加电场作用下产生各向异性的折射率变化。

n ＝ E+kE2

普克尔效应普克尔效应（一次电光效应 ,Pockels ， 1893 ）：当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不对称中心的晶体中）如： ADP （磷酸二氢铵）、 KDP

（磷酸二氢钾）、 KD*P （磷酸二氘钾）

n ＝ E

电光效应电光效应

返回

应力效应磁（场）强（度）计应力效应磁（场）强（度）计

受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化

导电材料

光纤

适用于弱磁场： 10 － 15 T （理论）

电流 Id dF I l B

返回

B

F

温度应变效应电流计温度应变效应电流计

被测电流流过该光纤时产生电阻热效应，使光纤长度和折射率变化，从而测得电流大小。

光纤

干涉仪测量

电流 I

返回

～ I