光学电流传感头内线性双折射课件.ppt

1、论文概要论文概要l 光学电流传感器简介光学电流传感器简介l 论题意义论题意义l 研究系统的数学工具研究系统的数学工具l 理论研究理论研究l 计算机仿真计算机仿真l 结论结论一、光学电流传感器简介一、光学电流传感器简介 光学电流传感器（光学电流传感器（OCSOCS）是指那些利用）是指那些利用光学技术直接或间接地对电流换能或测量，光学技术直接或间接地对电流换能或测量，从而实现对电流传感的装置。从而实现对电流传感的装置。（1 1）传统电流互感器的缺点）传统电流互感器的缺点l 易爆炸易爆炸l 大故障电流导致铁芯磁饱和大故障电流导致铁芯磁饱和l 铁磁共振效应以及滞后效应铁磁共振效应以及滞后效应l 输出端

2、开路导致高压输出端开路导致高压l 体积大、重量大、价格昂贵体积大、重量大、价格昂贵l 精度限于精度限于3%3%l 易受电磁干扰影响易受电磁干扰影响（2 2）OCSOCS的优越性的优越性l测量频带宽测量频带宽l动态范围大动态范围大l绝缘性能好绝缘性能好l无开路导致高压的危险无开路导致高压的危险l不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和、滞后现象不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和、滞后现象l不含油，没有爆炸危险不含油，没有爆炸危险l受电磁干扰影响小受电磁干扰影响小l体积小、重量轻、结构简单体积小、重量轻、结构简单（3 3）OCSOCS的分类的分类v全光纤型光学电流传感器全光纤型光学电流传感器v光学玻璃电流传感器

3、光学玻璃电流传感器v混合式光学电流传感器混合式光学电流传感器v其它类型其它类型（4 4）利用）利用FaradayFaraday效应的效应的OCSOCS的工作原理的工作原理 线偏光在与其传播方向平行的磁场线偏光在与其传播方向平行的磁场H作用下，作用下，偏振面将旋转一定的角度偏振面将旋转一定的角度 ll dHV 二、选题意义二、选题意义v光学电流传感器中，克服线性双折射的影响，光学电流传感器中，克服线性双折射的影响，是其实用化必须解决的关键问题之一。是其实用化必须解决的关键问题之一。v理论意义理论意义 =对于光学玻璃对于光学玻璃OCSOCS设计给出具设计给出具 有指导意义的一般性理论公式有指导意义

4、的一般性理论公式v实际意义实际意义 =指导光学玻璃指导光学玻璃OCSOCS技术开发与技术开发与 工程设计工程设计 三、研究偏振系统的数学工具三、研究偏振系统的数学工具 为描述光学系统中发生的物理过程，琼为描述光学系统中发生的物理过程，琼 斯于斯于19411941年提出了用一个二元复数矢量来描年提出了用一个二元复数矢量来描 述一束光的偏振状态，以及用述一束光的偏振状态，以及用2 22 2矩阵描述矩阵描述 光学器件的方法，即琼斯矢量法。此法可简光学器件的方法，即琼斯矢量法。此法可简 单地处理光路中的光学元件数量很多的情单地处理光路中的光学元件数量很多的情 形。形。四、理论研究四、理论研究（1 1）

5、系统光路）系统光路LED:LED:发光二极管；发光二极管；D1D1、D2D2：PINPIN光检测器；光检测器；Jp：电矢的平行分量；：电矢的平行分量；Js：电矢的垂直分量；：电矢的垂直分量；Uout：输出电压：输出电压（2 2）系统的琼斯矩阵描述）系统的琼斯矩阵描述 归一化的入射光的琼斯矩阵表达式：归一化的入射光的琼斯矩阵表达式：传感头各臂的传输矩阵：传感头各臂的传输矩阵：其中：inoutEFRFRFRFE1122334 sincos）（inE*4321ABBAFFFFF)cos()2sin()2cos(jA)sin()2sin(B )/2arctan(22)2/(2 传感头各反射面的反射矩阵

6、（反射相移不计）传感头各反射面的反射矩阵（反射相移不计）:（3 3）理论研究结果）理论研究结果理想情况（无双折射）输出电压表达式l非理想情况（考虑双折射）输出电压表达式1001321RRRVIUout22)2sin(总总)4sin()2/(sin)sin(2),(2总总总总outU 五、五、计算机仿真结果计算机仿真结果0.050UoutI41 1030I0100200300400500600700800900 100000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05Input current(A)Output voltage(V)0.070.03Uo

7、utI3UoutI4UoutI61 1030I0100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000.030.020.0100.010.020.030.040.050.060.07Input current(A)Output voltage(V)0.0470.022106Uout2Uout4Uout0()2.980.0100.30.60.91.21.51.82.12.42.730.020.02270.02540.02810.03080.03350.03620.03890.04160.04430.047Birefringence(deg/cm)Output volt

8、age(V)0.80.8Uout0.1()Uout0.5()Uout1()Uout3()2000.16 0.31 0.47 0.63 0.79 0.941.11.26 1.41 1.570.80.640.480.320.1600.160.320.480.640.8Prebias angle(rad)Output voltage(V)六、结论六、结论 光学玻璃传感头中存在的线性双折射不仅影响光学玻璃传感头中存在的线性双折射不仅影响 输出曲线的斜率（系统灵敏度），同时也会影响曲输出曲线的斜率（系统灵敏度），同时也会影响曲 线的截距（输出的直流分量），并决定了起偏角对线的截距（输出的直流分量），并决

9、定了起偏角对 输出曲线截距影响的程度；曲线的截距（输出直流输出曲线截距影响的程度；曲线的截距（输出直流 分量）则随起偏角改变呈正弦样变化。因此，在光分量）则随起偏角改变呈正弦样变化。因此，在光 学玻璃电流传感器工程设计中，应采取必要的技术学玻璃电流传感器工程设计中，应采取必要的技术 措施，尽可能地减小玻璃传感头内的线性双折射措施，尽可能地减小玻璃传感头内的线性双折射,并将预偏角设定为并将预偏角设定为4545度。度。附：已投寄出的学术论文附：已投寄出的学术论文 1 王政平，李庆波，刘晓瑜等.线性双折射对 光学电流传感器输出特性影响的理论分析.光子学报 2 Wang Z P,Li Q B,Liu X Y,et al.Effects of the linear birefringence upon the performance of an optical current sensor.Optics&Laser Technology