光學(xué)玻璃電流傳感頭內(nèi)線性雙折射及Verdet常數(shù)的研究_圖文

1、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文光學(xué)玻璃電流傳感頭內(nèi)線性雙折射及Verdet常數(shù)的研究 姓名:歐陽(yáng)春梅申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):光學(xué)工程指導(dǎo)教師:王政平20050501哈爾濱工程火學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要本論文是光學(xué)電流互感器課題中的兩個(gè)子項(xiàng)目,包含陌方面的內(nèi)容:光 學(xué)破璃傳感頭內(nèi)線性雙折射的測(cè)量新方法及費(fèi)爾德(Verdet常數(shù)的波長(zhǎng)積累 效應(yīng)對(duì)寬帶OCS系統(tǒng)的影響。線性雙折射是光學(xué)(含光纖電流傳感頭的重要光學(xué)參數(shù)之,會(huì)明顯 影響光學(xué)電流傳感器的性能。因此,研究測(cè)量光學(xué)傳感頭內(nèi)線性雙折射的方 法對(duì)于光學(xué)電流傳感器的研究、開(kāi)發(fā)、制造與性能提高有重要意義。本文對(duì) 測(cè)量光學(xué)玻璃電流傳感頭內(nèi)線性雙折射的方法進(jìn)行了

2、理論與實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)作 者自己早期工作提出的測(cè)量方法做出了改進(jìn),給出了對(duì)該改進(jìn)方法的理論分 析,用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性與可行性,并給出了應(yīng)用實(shí)例。研究結(jié)果 表明本文提出的方法可明顯地提高測(cè)量精度。Verdet常數(shù)是衡量磁光玻璃材料性能的重要參數(shù)之一,它具有色散特 性,因此在采用寬帶光源的光學(xué)電流傳感系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)積累效應(yīng)。迄今 為止該效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)輸出影響程度如何尚罕見(jiàn)論證,因此有必要予以研究。本 論文求解了zF一7玻璃的Verdet常數(shù)色散特性公式中磁光系數(shù)的大小,對(duì) Vordet常數(shù)的波長(zhǎng)積累效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真。研究結(jié)果表明, Verdet常數(shù)的波長(zhǎng)積累效應(yīng)對(duì)OCS系統(tǒng)影響甚微

3、,因此,在理論研究中若不 考慮其他光學(xué)參量的波長(zhǎng)積累效應(yīng),用單色光模型處理寬帶系統(tǒng)的做法是合 理的與可行的。本論文提供的研究結(jié)果對(duì)從事光學(xué)電流傳感技術(shù)研究的同行具有重要參 考價(jià)值。關(guān)鍵詞:光學(xué)電流傳感器;線性雙折射;Verdet常數(shù);色散特性;Faraday 效應(yīng)哈爾濱21程大學(xué)碩士學(xué)奇:論文;=;=-一=; ;一;,;一;-; AbstractThis paper contains two parts which are two subltems of the study of optical current transforlTlers.0ne of them is the new met

4、hod to measure the 1inear birefringence in the bulk glass optical current sensing head.and the other one is the wavelength accumulation effect of the Verdet constant Oil the broadband OCS system。Linear birefringence is one of the most important parameters of optical (fiber-opticcurrent sensing heads

5、,which call obviously affect the performance of the optical current sensors.Therefore,it is of great importance to research the measurement method of the linear birefringence inside the optical current sensing head for the research,the development,the manufacture and the property enhancement of the

6、optical current sensors.This paper researches the method to measure the linear birefringence inside the bulk glass CUlTent sensing head theoretically and experimentally,and improves the measurement method proposed by the author in the early work.Meanwhile,the theoretical analyses of the improved met

7、hod and all applied example are given in this paper,which verifies this method correct and fcasible.The research result shows that this method can certainly enhance the measurement precision.Verdet constant is one of the prominent parameter showing the property of magneto.optical materialsand it has

8、 dispersion features.Therefore,there will be wavelength accumulation effect in the Systems employingbroadband optical sources.It iS not proved how much this effect Call affect the broadband system up till nOW.Therefore,it is necessary to research into it.This paper calculates the value of the magnet

9、ooptic coefficient in the dispersion formula of Verdet constant of ZF一7glass and gives the theoretical analyze and digital simulate of the wavelengthaccumulation effect of Verdet constant upon a broadband OCS.The results show that the wavelength accumulation effect is less enough.Consequently the tr

10、eatment of using monochromatic model to describe broadband systems is哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文reasonable and feasible,if the wavelength accumulation effects of the other optical parameters of the sensing head are not considered.The results proposed in this paper might be a reference to the colleagues working in

11、 the optical current sensing techniques area.Keywords:0ptical current sensors;Linear birefringence;Verdet constant; Dispersion property;Faraday effect哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:本論文的所有工作,是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下,由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)的引用已在文中指出,并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已 注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已 經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè) 人和集體,均

12、已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到 本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。穆伸 嘛 陽(yáng) 字 錨 趙 /L 靜 期 二 卜. 艙 日哈爾濱r稃人學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1光學(xué)電流傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)電流互感器的優(yōu)點(diǎn)及其分類 光學(xué)電流傳感器(Optical Current Sensors'.OCS是指那些利用光學(xué)技術(shù) 匠接或者間接地對(duì)電流換能或測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流傳感的裝置t”。在我國(guó), 隨著近二十年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大規(guī)?？焖侔l(fā)展,對(duì)電力的需求急劇增加,電力 系統(tǒng)傳輸容量在同益增大,電壓等級(jí)已經(jīng)發(fā)展到500kV并將向更高的電壓水 平發(fā)展。而目前普遍用于電力工業(yè)中的是油浸式電流互感器,隨著輸送電壓 增

13、至甚高壓(EHV、超高壓(UHV,已暴露出下述內(nèi)在的致命弱點(diǎn):(1由爆炸引起的災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn);(2大故障電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和;(3鐵芯共振效應(yīng);(4滯后效應(yīng);(5輸出端開(kāi)路導(dǎo)致高壓;(6體積大、重量大、價(jià)格昂貴:(7精度限于3%;(8易受電磁干擾影響。0CS與傳統(tǒng)電流互感器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)【I】:(1不含油,沒(méi)有爆炸危險(xiǎn);(2不含鐵芯,沒(méi)有鐵磁共振、磁飽和及大電感引起的滯后現(xiàn)象;(3絕緣性能好,用來(lái)做傳感材料的光學(xué)玻璃、傳輸信號(hào)的光纖都是良 好的絕緣材料;(4無(wú)開(kāi)路導(dǎo)致高壓的危險(xiǎn);(5動(dòng)態(tài)范圍大,可在相當(dāng)寬的電流范圍內(nèi)保持良好的線性特性;(6測(cè)量頻帶寬,由于光通過(guò)傳感器部分只需要微秒級(jí)時(shí)間

14、,因而頻帶 寬度完全由信號(hào)處理部分電子線路響應(yīng)速度決定:(7受電磁干擾影響小;(8體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于光學(xué)電流傳感器與傳統(tǒng)的電磁電流互感器相比具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。近年來(lái),此領(lǐng)域的研究獲得許多進(jìn)展,有些研究 單位已進(jìn)行了掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn),有些研究成果正進(jìn)入產(chǎn)品轉(zhuǎn)化階段。盡管目前的研究目標(biāo)主要用于超高壓大電流測(cè)量,但從高壓大電流到微 弱小電流的測(cè)量,從直流到高頻電流的測(cè)量,光學(xué)電流傳感技術(shù)都可獲得廣 泛的應(yīng)用。根據(jù)0CS所依據(jù)的傳感機(jī)理和所用的傳感材料,OCS可分為以下四類:(1以光纖為敏感元件的OCS(全光纖電流傳感器;(2用光學(xué)玻璃作敏 感元件

15、的OCS(光學(xué)玻璃電流傳感器;(3使用光電混合裝置的OCS(混 合式光纖電流傳感器:(4其它類型的,包括利用磁致伸縮效應(yīng)或其它磁場(chǎng) 傳感效應(yīng)的OCS。其中全光纖型OCS主要存在由于光纖中存在線性雙折射 而產(chǎn)生的一系列問(wèn)題,以及Verdet常數(shù)變化對(duì)輸出的影響;塊狀光學(xué)材料 OCS中線性雙折射較全光纖型OCS小,其技術(shù)難點(diǎn)是克服反射相移帶來(lái)的 問(wèn)題以及Verdet常數(shù)變化對(duì)輸出的影響;混合式OCS結(jié)合了傳統(tǒng)電流傳感 器和光纖的優(yōu)勢(shì),是近年來(lái)比較活躍的一個(gè)研究方向,但也存在一些需要解 決的技術(shù)問(wèn)題;磁場(chǎng)傳感器用作OCS的缺點(diǎn)是抗外場(chǎng)干擾能力低。其中第 (1、第(2和第(3OCS類中的大多數(shù)的工作原

16、理為Faraday效應(yīng)。Faraday效應(yīng)是指線偏光在與其傳播方向平行的磁場(chǎng)日作用下,其偏振 面可旋轉(zhuǎn)一定的角度的現(xiàn)象。其中中與日之間的關(guān)系由下式給出:。=吖雷萬(wàn)(t-1式中:V 一Vdrdet常數(shù),rad/AH一磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m,一 光與磁場(chǎng)之間相互作用的距離,m 若積分環(huán)路為閉合的,利用安培環(huán)路定律,(1-1式可寫成:中=VN,(卜2 式中:J 一 光束環(huán)繞導(dǎo)線的環(huán)數(shù), 一 穿過(guò)光介質(zhì)的導(dǎo)線根數(shù), 一電流強(qiáng)度,A 式(1-2通常被認(rèn)為是OCS的工作原理,它表明:線偏光偏振面旋轉(zhuǎn) 角度的大小與光束環(huán)繞導(dǎo)線的環(huán)數(shù)、穿過(guò)光介質(zhì)的導(dǎo)線根數(shù)以及通過(guò)導(dǎo)線的 電流強(qiáng)度成正比。理想的OCS應(yīng)滿足如下條件:

17、(1傳感材料的Verdet常數(shù) 2哈爾濱丁程人學(xué)碩士學(xué)位論文J世較大且受溫度影njjj,J,;(2材料的線性雙折射要小;(3光束環(huán)繞載流導(dǎo)體 成閉合或近似閉合光路,環(huán)路越多靈敏度越高;(4光束在閉合環(huán)路中線偏振 態(tài)保持不變,光損耗很小。我們知道安培環(huán)路定律的使用條件是光束存各 l匈同性的均勻介質(zhì)中傳播。實(shí)際上各種類型的OCS均存在這樣或那樣的缺 憾,其表現(xiàn)在:(1、對(duì)全光纖型OCS而言,由于光纖中存在固有雙折射和 彎致雙折射,破壞了各向同性均勻介質(zhì)的條件;(2、對(duì)于塊狀玻璃OCS而 占,由于在傳感頭的反射面存在反射相移,導(dǎo)致偏振態(tài)的不連續(xù),也破壞了 各向同性均勻介質(zhì)的條件;.(3、對(duì)于利用磁場(chǎng)

18、傳感效應(yīng)的OCS而苦,由于 沒(méi)有閉合回路,無(wú)環(huán)內(nèi)外電流之分,導(dǎo)致抗外場(chǎng)影響能力差。1_2全光纖型電流傳感器自1973年Rogers提出光纖電流傳感思想以來(lái),許多研究者已投入大量 精力研究全光纖型電流傳感器。為了克服光纖線性雙折射對(duì)系統(tǒng)的影響,提 出了很多設(shè)計(jì)方案,這些在先期的綜述性文獻(xiàn)中均已有介紹川。本論文介紹 自94年以后的研究進(jìn)展。1.2.1“串聯(lián)式Sagnac干涉儀”型00S的進(jìn)一步研究Sagnac干涉儀檢測(cè)具有許多優(yōu)點(diǎn):靈敏度高、可采用簡(jiǎn)單的全光纖結(jié)構(gòu) 而不必使用偏振片,對(duì)輸入光無(wú)偏振要求,可采用低相干光源。尤其是利用 其具有共模抑制作用的結(jié)構(gòu)可使其不受任何具有倒易性因素的影響而檢測(cè)出

19、 具有非倒易性的法拉第效應(yīng)。Sagnac干涉儀型OCS分為環(huán)形(100p和串聯(lián)式(in-line兩種。都需要用 到A/4波片,注入圓偏振光。4波片受溫度的影響不能保持高性能的情況 下,將大大影響系統(tǒng)輸出的尺度因子,從而影響系統(tǒng)的實(shí)用化范圍。Lin等人最近報(bào)告了改進(jìn)的被動(dòng)解調(diào)串聯(lián)式Sagnac干涉儀型OCS9j。該 方案在A/4波片和傳輸光纖之間插入旋轉(zhuǎn)角為口的Faraday旋光器,并用高圓 雙折射光纖作為傳導(dǎo)和傳感光纖。實(shí)驗(yàn)表明此種方案在擾動(dòng)和靜態(tài)情況下靈 敏度測(cè)量大約為4.5“rad/A.turns。 Faraday信號(hào)的畸變率小于0.9%,且與 傳統(tǒng)方案相比噪聲電平可降低20dB。Shor

20、t等人研究了串聯(lián)式Sagnac干涉儀型OCS中由雙折射引起的尺度因哈爾濱上欄人學(xué)碩士學(xué)位論文子誤差的產(chǎn)生機(jī)理,并提出將傳感線圈纏繞在螺旋線圈上的方法,來(lái)大量 增加圓雙折射,替代通常比較脆弱的退火光纖。Short等人還研究了.V4波片不完備性引起的尺度因子誤差及其補(bǔ)償技 術(shù)m1。在環(huán)形方案中,當(dāng)兩個(gè)波片的光軸預(yù)置成45。角就可以解決波片不完備 性引入的相移。在串聯(lián)式方案中,提出了將一次諧波信號(hào)除以峰值光竭的處 理方法。結(jié)果表明當(dāng)兩個(gè)列4波片的光軸成45。角時(shí),可補(bǔ)償四分之一波片不 完備性帶來(lái)的尺度因子誤差。費(fèi)爾德常數(shù)(,T受光源波長(zhǎng)及環(huán)境溫度的影響。在抗磁性玻璃材料 葉I:志螋=面dHd n /

21、【 刁 d n d T dT 3y(丸,T、dA、 。d+式中:一一 折射率一一波長(zhǎng),nm,一一溫度,K 式(I-3說(shuō)明礦(A,T相對(duì)于溫度r的變化率是一個(gè)與H,丑,T都有關(guān) 的復(fù)雜關(guān)系式。順磁和鐵磁材料的Verdet常數(shù)隨溫度變化更大。因此Verdet 常數(shù)對(duì)OCS性能的影響不可小視。1.2.3具有閉環(huán)系統(tǒng)的Faraday型OOSt”|圖1.1具有閉環(huán)系統(tǒng)的Faraday 0CS工作原理及試驗(yàn)裝置圖LD HeNe激光器P起偏器L透鏡 F反饋螺線管 S信號(hào)螺線管 Bs分束器 A1和A2檢偏器D1和D2光電探測(cè)器 4哈爾濱上程大學(xué)碩七學(xué)位論文DA芹動(dòng)放人器 LFl帶通濾波器 AM放人器LA鎖定放

22、火器 LF低通濾波器 vI壓控電流源王廷云提出了具有閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方案。從輸出端反饋的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng) 偏振調(diào)制螺線管產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào),從而使傳感器工作于正交狀態(tài),有效消除了 費(fèi)爾德常數(shù)變化給傳感器帶來(lái)的誤差。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.1所示。該傳感器 的電路測(cè)量范圍為:lmA-6,5A;頻率測(cè)量范圍為:10Hz100KHz。具有線 性度好,測(cè)量范圍大,頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。1.2.4利用平衡測(cè)試原理的0CSt,41王廷云等提出采用馬赫一澤德?tīng)柛缮鎯x的平衡測(cè)試電流傳感方案。干涉儀 兩臂之一環(huán)繞被測(cè)大電流,另一臂環(huán)繞已知小電流。線偏振光經(jīng)分柬器后分 為兩路,分別沿兩臂傳播。合束后兩臂干涉光在探測(cè)器上的干涉光強(qiáng)為: I=

23、Il+,24-2112eos(中Fl一毋F24-口,0 (14式中:,.,I, 一第一干涉臂和第二干涉臂光強(qiáng),A巾F1mF2 一被測(cè)大電流和已知小電流引起的Faraday旋角,rad緗 一兩臂靜態(tài)相位差,rad由式(14知:當(dāng)中,.=,時(shí),干涉光強(qiáng)與Faraday效應(yīng)無(wú)關(guān),則由 已知小電流可求出被測(cè)大電流。由于傳感元件屬同一種光纖并在同一環(huán)境中 測(cè)量,由光纖內(nèi)雙折射及外部環(huán)境變化引起Verdet常數(shù)變化而導(dǎo)致對(duì)Faraday 旋角產(chǎn)生的影響可相互抵消。實(shí)驗(yàn)表明這種傳感器測(cè)量范圍寬,線性度精確 度高,最大相對(duì)誤差為±0.25%,并且重復(fù)性好,測(cè)量范圍可從幾安到幾千 安,抗干擾能力優(yōu)于同

24、類僅有一個(gè)單臂的電流傳賭器。Rose等人研究了當(dāng)OCS處在高電場(chǎng)環(huán)境中(如氣絕緣系統(tǒng)受Kerr效 應(yīng)影響的情況m】。表明了當(dāng)電場(chǎng)中光路的長(zhǎng)度約為10m,E1Mv/rrh。時(shí),電 光效應(yīng)所引起的相移不能忽略,此時(shí)高電場(chǎng)引起的電光Kerr效應(yīng)則會(huì)導(dǎo)致被 測(cè)交流電流波形的諧波失真,或是系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性變差。為使Kerr效應(yīng)最小哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文化,OCS需要對(duì)高電場(chǎng)屏蔽。Ferrarl等人提出了使用LD強(qiáng)度調(diào)制進(jìn)行外差信號(hào)檢測(cè)的方法116】。研究 與實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)起偏器和檢偏器的夾角為45。時(shí)系統(tǒng)靈敏度最佳,當(dāng)起偏器 和檢偏器的夾角為90。時(shí),傳感器的對(duì)比度和信噪比增加。劉曄等人提出了一種全新的

25、用一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量三相電流的光學(xué)電流互 感器如圖1.2所示mI,對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真,并對(duì)三相光學(xué)電流傳感器 的線性雙折射問(wèn)題進(jìn)行了研究18Ill。I,提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨竔201121J22。對(duì)于采用扭轉(zhuǎn)光纖的電流傳感器,為了克服溫度變化等因索引起的偏置 漂移,董小鵬等提出一種可補(bǔ)償偏置漂移的信號(hào)處理方法【23】。他們將通常的 差除和信號(hào)處理方案的輸出信號(hào)分為直交流兩部分,分別用下標(biāo)出和aC表 不:S=Sk+S,c(15式中:S女=cos(20日,Sac=sin(20口(2mF,中口中包含了起偏器、渥拉斯 登棱鏡及光纖環(huán)線性雙折射的影響,則僅含由電流引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角m, 的

26、傳感器輸出信號(hào)s?？捎上率接?jì)算:S。=&/扛可=2,(1-6 6哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文由式(16知:所得信號(hào)&將不受偏置點(diǎn)相位變化中。的影響,并可消 除溫度等引起的偏首相位變化而導(dǎo)致的輸出信號(hào)漂移。該研究組還給出了一 種呵補(bǔ)償在任意范圍的偏置漂移的雙渥拉斯登棱鏡方案。王廷云等人提出了可提高光纖電流傳感器的信噪比的、基于小波變換理 論的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)1241,設(shè)計(jì)并完成了基于小波變換的帶通濾波器。該系 統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)帶寬IHz的帶通濾波特性,并能根據(jù)需要改變軟件參數(shù)方便地實(shí)現(xiàn) 不同頻率不同帶寬的信號(hào)提取。塊狀光學(xué)玻璃電流傳感頭的線性雙折射相對(duì)較小,可采用Verdet常數(shù)較 大的光

27、學(xué)玻璃,體積小、重量輕、結(jié)實(shí)耐用、靈敏度較高。為了形成閉合四 路,需要采用反射結(jié)構(gòu),因而引入了反射相穆。為避免反射相移產(chǎn)生不利影 響,已提出了三種解決方案【252e】:(1雙正交反射、(2臨界角反射、(3 保偏全反射。其中第三種又有多層介質(zhì)膜與單層介質(zhì)膜之分。由于塊狀光學(xué) 玻璃電流傳感器的Verdet常數(shù)較大,故Verdet常數(shù)受環(huán)境影響而變化對(duì)系統(tǒng) 的影響也不容忽視。易本順等人提出了幾種新的傳感頭方案m,如圖1.3所示。其中, (a、(b是利用保偏的屋脊棱鏡將單環(huán)路光學(xué)電流傳感頭改變?yōu)?反向雙環(huán)路結(jié)構(gòu)。(c為多環(huán)路結(jié)構(gòu),可以根據(jù)被測(cè)電流大小來(lái)改變傳感頭 高度和尺寸或調(diào)整入射點(diǎn)坐標(biāo)而改變決定其

28、靈敏度的環(huán)路數(shù)。邱靜和等人也提出了類似的塊狀方形雙層光路玻璃光學(xué)電流傳感頭設(shè)計(jì) 7哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文方案f28I,并獲得了在220KV 1000A8000A的電流測(cè)量范圍內(nèi)線性誤差小于 ±0.5%,在一300C40。C溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)不穩(wěn)定性小于±O.5%的結(jié)果。(1溫度補(bǔ)償Niewczas等人將Bragg光柵測(cè)量裝置的輸出信號(hào)直接集成到DSP單元內(nèi) 用以自動(dòng)補(bǔ)償溫度改變對(duì)系統(tǒng)的影響J29】。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在30。c1100C范 圍內(nèi),由溫度引入的誤差可減小到0.3%左右。張新亮等人用雙波長(zhǎng)雙路檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。輸入光纖傳來(lái)的雙波 長(zhǎng)光信號(hào)均經(jīng)過(guò)感溫元件,其中一種波

29、長(zhǎng)的光波強(qiáng)度隨溫度變化而變化,構(gòu) 成測(cè)溫信號(hào);而另一種波長(zhǎng)的光波強(qiáng)度不隨溫度變化,構(gòu)成測(cè)溫參考信號(hào)和 電流測(cè)量信號(hào)。用計(jì)算機(jī)分析出溫度值后,去自動(dòng)補(bǔ)償電流信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng) 在補(bǔ)償后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于O.3%。易本順等人提出了采用高Verdet常數(shù)的材料,同時(shí)不受溫度影響的頻率 分離比較測(cè)量法¨2,。由于OCS的頻帶很寬,可以在傳感頭中加一個(gè)與被測(cè)電 流i,不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)參考電流i。,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換,前置放大后,用兩個(gè)中心頻 率分別與j。,i。相對(duì)應(yīng)的帶通濾波器將信號(hào)分離,則從兩個(gè)交流通道輸出的 信號(hào)之比為:月:魚(yú)生 (17 K2i式中:K。,K2一 ix i (2機(jī)械振動(dòng)補(bǔ)償兩個(gè)通道的放大系

30、數(shù) 被測(cè)電流不同頻率的,A 標(biāo)準(zhǔn)參考電流,ANiewczas等人報(bào)告了一種補(bǔ)償機(jī)械振動(dòng)對(duì)OCS影響的方法曬1。其原理是 基于Faraday效應(yīng)是非互易的而由振動(dòng)導(dǎo)致的光強(qiáng)波動(dòng)是互易的。他們的振 動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可達(dá)到5P20保護(hù)級(jí)電流傳感器水平。(3偏振補(bǔ)償通常塊狀光學(xué)玻璃型OCS中采用多模光纖來(lái)傳光,但多模光纖入射光的哈爾濱丁稃人學(xué)碩士學(xué)位論文刁i穩(wěn)定會(huì)影響系統(tǒng)的性能,單模光纖中又存在著極易受外界環(huán)境(如溫度及 應(yīng)力影響的線性雙折射。為此,何競(jìng)翼等提出用-X,渥拉斯迸棱鏡補(bǔ)償傳 光光纖中偏振態(tài)擾動(dòng)的方案【30】w。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)的偏振靈敏度能控制在 0.05dB以下,比不采用這種補(bǔ)償方案的系

31、統(tǒng)低近20dB。(1輸出特性研究盛瓏等人指出了光學(xué)電流傳感器的適用范圍132,當(dāng)被測(cè)電流峰值小于 1000A時(shí),系統(tǒng)非線性誤差很小。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),電流瞬時(shí)可達(dá)幾 萬(wàn)安培甚至更高,會(huì)使偏振光發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn),此時(shí)由非線性引起的相對(duì)誤 差為:矽。型.三.!.2(183142式中:礦一一 Verdet常數(shù),rad/A ,。 一被測(cè)電流峰值,A (2反射相移對(duì)系統(tǒng)靈敏度、穩(wěn)定性以及抗外電磁場(chǎng)干擾能力的影響 王政平等人研究了反射相移對(duì)系統(tǒng)靈敏度、穩(wěn)定性以及抗外電磁場(chǎng)干擾 能力的影響mm。研究表明,假定傳感頭內(nèi)的線性雙折射可以忽略,要獲得 理論預(yù)期的最大靈敏度,在每個(gè)反射面的反射相移必須被限制在0.

32、24tad以 內(nèi)。對(duì)抗干擾能力的影響研究表明,反射相移會(huì)降低傳感器的抗電磁干擾能 力,因此在OCS的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須設(shè)法減小反射相移。他們還比較了三種信號(hào)處理方案f35】。即單探測(cè)器方案、差除和方案、改 進(jìn)的差除和方案。結(jié)果表明,差除和方案較好,改進(jìn)的差除和方案有最好的 信號(hào)處理能力?！?4其他型李莢英等人提出為高壓側(cè)電路供電的新方案p61。此方案選用高壓母線電 9哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位滄文流作為能量的來(lái)源,設(shè)計(jì)了一種懸浮式電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)這種懸浮式電源可以 在母線5%,120%,范圍內(nèi)保證正常工作,在小于5%,及120%,以卜范 同采取一定措施,也能維持工作。王廷云等人提出了基于相位壓縮原理的有

33、源型OCS方案DT J,如圖1.4所 示。實(shí)驗(yàn)表明:在40A3200A電流測(cè)量范圍內(nèi),比差可以達(dá)到0.2級(jí)的精 度,相位壓縮系數(shù)為218,即在相同線性度條件下,用相位壓縮原理建立的 干涉式光纖電流傳感器比普通干涉式光纖電流傳感器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大了2j8倍。LD激光器 Pcl和Pc2偏振控制器 Cl和C2耦合器 Fcl.Fc3光纖活動(dòng)連接器PZT壓電陶瓷 L光纖延遲線 D光電探測(cè)器1H Rogowski線圈 sP信號(hào)處理電路王廷云等人設(shè)計(jì)了一種基于Fabry-Perot原理的磁致伸縮效應(yīng)光纖電流傳 感器381。傳感光纖作為Fabry.Perot干涉儀的干涉腔,讓參考光纖與傳感光纖 合并為一根光纖,

34、從而有效的消除了環(huán)境變化和光纖內(nèi)線性雙折射對(duì)傳感器 的不良影響。在傳感裝置中,采用偏置電流負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)使傳燎器始終處在 F交狀態(tài)下工作,使傳感器抗干擾能力提高,并可根據(jù)不同尺寸和不同的磁 致材料設(shè)計(jì)出各種電流范圍的傳感器。試驗(yàn)表明,在l120mA的測(cè)量范圍 內(nèi),傳感器的精確度達(dá)O.20%。Chart等人提出了一種新的外(extrinsicSagnae干涉儀型光學(xué)電流傳感器1。如圖1.5所示。睜蚓t I O一咽一I l t l 姆一i|幽I 5外Sagnac T-涉儀型光學(xué)電流傳感器M反射鏡Ol光纖隔離器LD激光二極管 PD光電二極管S信號(hào)處理系統(tǒng) CB電流線 i被測(cè)電流FC光纖準(zhǔn)直儀 FOC光

35、纖耦合器 Bs分束器 Fl Faraday元件 F2Faraday磁鐵元件 F單膜光纖實(shí)驗(yàn)表明,其靈敏度較慣常的Sagnac干涉儀型電流傳感器高lO倍且有 更好的線性響應(yīng)。Heredero等人提出了一種微機(jī)械光纖電流傳感器【40i,如圖1.6所示。圖1.6微機(jī)械(micromachined光纖電流傳感器節(jié)n 甲 垅一 亡 一傳感元件包括一個(gè)正方形的硅膜,有一個(gè)圓柱形的永久磁鐵固定在硅膜 的中間。這種結(jié)構(gòu)使得在由交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度存在的情況下永久磁鐵發(fā) 生振動(dòng)。電流大小和磁鐵振動(dòng)位移之間的線性關(guān)系可用帶有光纖低細(xì)度 Fabry.Perot微小腔的白光干涉計(jì)量法來(lái)測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)論是測(cè)量范圍為O 7

36、0A。當(dāng)硅膜與載流導(dǎo)線的距離為5mm時(shí),最小可探測(cè)電流為20mA。鑒于實(shí)驗(yàn)室的條件,加上導(dǎo)師王政平教授在光學(xué)玻璃電流傳感器方向的 研究以及本人的一些前期工作,所以選擇光學(xué)玻璃電流傳感器作為研究對(duì)象。 本人前期工作已經(jīng)提出了一種測(cè)量光學(xué)玻璃電流傳感頭內(nèi)線性雙折射的方 法,但由于該方法所需的測(cè)量量較多,使得測(cè)量精度不高,這就要求尋求一 種新的測(cè)量方法。同時(shí)考慮到各推導(dǎo)中均假定光源輸出單色光,并未討論寬 帶光源對(duì)系統(tǒng)的影響,這也是目前大多數(shù)關(guān)于0CS的文獻(xiàn)中普遍存在的問(wèn)題 之一。由于實(shí)際0CS多數(shù)采用寬帶光源,因此,有必要研究由于光源存在譜 線寬度從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的波長(zhǎng)積累效應(yīng)。為此,本人選定了“光學(xué)

37、玻璃電流 傳感頭內(nèi)線性雙折射及Verdet常數(shù)的研究”這一課題,作為畢業(yè)設(shè)計(jì)論文研 究的題目。該選題對(duì)0CS的進(jìn)一步研究及改進(jìn)具有一定的參考意義。12哈爾濱T程大學(xué)碩士學(xué)位i宅文第2章塊狀玻璃光學(xué)電流傳感器的基本原理根據(jù)波動(dòng)光學(xué)理論,光波是橫波,其光矢量垂直于傳播方向。按光矢量頂 端運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),光波可分為自然光、偏振光和部分偏振光。自然光或非偏振 光乃是這樣的光,其光矢量作無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng),并且不顯示出任何方向或旋轉(zhuǎn)的 趨勢(shì)。而偏振光中光矢量的術(shù)端,以確定的方向沿著完全確定的簡(jiǎn)單曲線運(yùn) 動(dòng)。根據(jù)光矢量末端運(yùn)動(dòng)的不同曲線類型,可以將偏振光定義為線偏振、圓 偏振和橢圓偏振這三種形式的光。當(dāng)光矢量的末端

38、沿著一條直線運(yùn)動(dòng)時(shí),該偏振光稱為線偏振光。此時(shí)光 矢量隨著時(shí)間改變其量值而不改變其方向。在圓偏振光中光矢量的末端沿一圓周運(yùn)動(dòng),光矢量的量值保持不變,而 它的傾角則在0到2丌之間連續(xù)變化。根據(jù)其旋向的不同,圓偏振光又可分為 右旋圓偏振光和左旋圓偏振光。橢圓偏振光是實(shí)際應(yīng)用中最普遍的一種偏振光形式,光矢量的大小和傾 角都不斷變化。根據(jù)其旋向的不同,橢圓偏振光也可分為右旋橢圓偏振光和 左旋橢圓偏振光。在這種光矢量概念基礎(chǔ)上,利用瓊斯矩陣等數(shù)學(xué)工具,研究者們已成功 地處理了大量有關(guān)偏振光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)涉及的偏振光學(xué)問(wèn)題。為描述光學(xué) 系統(tǒng)中發(fā)生的物理過(guò)程,瓊斯于1941年提出用一個(gè)二元復(fù)數(shù)矢量來(lái)描述一束

39、 光的偏振狀態(tài),及用2×2矩陣描述光學(xué)器件的方法,即瓊斯矢量法14l-。此法 也可簡(jiǎn)單地處理光路中的光學(xué)元件數(shù)量很多的情形。瓊斯矢量是一個(gè)二元復(fù)數(shù)列矢量,它的兩個(gè)元素分別與光矢量口的兩個(gè) 分量口,和口、,相等。橢圓偏振情況下的瓊斯矢量可表示為:鏟阱防=l , 式中22nz”2耐+了當(dāng)省去公共相位因子時(shí),上述矢量還可寫為:e“出卻 江z,當(dāng)對(duì)振幅信息不感興趣時(shí),可將其歸一化,可得出規(guī)范化瓊斯矢量表達(dá) 式:讎COS B s 。 t ; :a 江, 其中:曰=卜刊當(dāng)不考慮光矢?jìng)鞑サ慕^對(duì)相位時(shí),可用上述式子確定與一給定偏振形式 相對(duì)應(yīng)的瓊斯矢量元素。水平線偏振光對(duì)應(yīng)的瓊斯矢量是:嘲 協(xié)4,

40、垂直線偏振光對(duì)應(yīng)的瓊斯矢量是:o協(xié)s, 當(dāng)令氐=0,巧,=萬(wàn)/2時(shí),右旋圓偏振光對(duì)應(yīng)的瓊斯矢量是:出協(xié)s, 當(dāng)令占,=一州2,萬(wàn),=0時(shí),左旋圓偏振光對(duì)應(yīng)的瓊斯矢量是:淵 沼7, 南式(23給m的瓊斯矢量所表示的偏振光柬,其光強(qiáng)度為:14,=口?+t2"1=爿j2+Ay2(2剮因?yàn)橐粋€(gè)線性光學(xué)元件的功能等效于對(duì)入射光束進(jìn)行一次線性變換,所 以任何一個(gè)線性光學(xué)裝置必然由這樣一個(gè)表示線性變換的二乘二復(fù)數(shù)矩陣表 示,此矩陣稱為該裝置的瓊斯矩陣;一個(gè)由數(shù)個(gè)線性光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系 統(tǒng)可用表示各個(gè)光學(xué)元件的璩斯矩陣的連乘來(lái)表示,從而使偏振光學(xué)的求解 得以簡(jiǎn)化。相應(yīng)的運(yùn)算則稱為瓊斯運(yùn)算42I。偏

41、振光通過(guò)偏振元件后,它的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化。如圖所示,入射光的 偏振態(tài)用Ei=i表示,透射光的偏振態(tài)用置=愛(ài)表示。偏振器件GN著E 和E之間的變換作用。假定這種變換是線性的(在線性光學(xué)范圍內(nèi)均可滿 足,也就是說(shuō)透射光的兩個(gè)分量A,、B2是入射光的兩個(gè)分量A。和B,的線性 組合:A2=911A1+912BIB2=92lAl+922B(2_9式中:gg92l,922一一 復(fù)常數(shù)系數(shù)式(29寫成矩陣形式:阱眨球: 或?qū)懗?Et=GE。式中:,g。.g。:拈E 922j(211哈爾濱r程大學(xué)碩十學(xué)位論文因此,一個(gè)偏振器件的特性可以用矩陣G來(lái)描述。而矩陣G稱為該器件 的瓊斯矩陣。與此類似,考慮一個(gè)瓊斯矢量

42、為口。的光束依次進(jìn)入瓊斯矩陣為 L,.,L,:,J。的一系列光學(xué)裝置,那么從這一系列裝置出射的光束之瓊斯 矢量為:這樣,知道一個(gè)光學(xué)裝置的瓊斯矩陣后,從該裝置出射的光束的瓊斯矢 最,就可以簡(jiǎn)單地通過(guò)入射光束的瓊斯矢量乘以該裝置的瓊斯矩陣求得;或 用入射光矢依次與構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的元件矩陣相乘而求得。下面列出常用光學(xué)元器件的瓊斯矩陣:偏振器是最常用的光學(xué)器件之一,它是將入射光束分解為兩個(gè)正交形式 的光束,并使這兩束光以不同強(qiáng)度透過(guò)的一種光學(xué)元器件。其中常用的是線 偏振器。理想線偏振器只允許沿某一方向振動(dòng)的線偏振光完全透過(guò),這個(gè)方 向被稱為透射軸;而振動(dòng)方向與此相垂直的另一線偏振光則被全部截住,稱 這

43、個(gè)與透光軸F交的方向?yàn)橄廨Sm1。透光軸與x軸成0角的理想線偏振器的瓊斯矩陣為:bn:一曲一一J令上式中0=0得透光軸為x軸的理想線偏振器的瓊斯矩陣為:I 1o 1(2-14Lo oJ透光軸為x軸的非理想線偏振器的瓊斯矩陣為:lo 占j其中:g一一 偏振器的特性參數(shù),定義為s=E,/E。式中:E, 一一 透光軸方向通過(guò)光矢量的振幅E,. 與透光軸正交的方向通過(guò)光矢量的振幅通常f2被稱為消光比。 16哈爾濱1=程大學(xué)碩士學(xué)位論文透光軸與x軸成0角的非理想線偏振器的瓊斯矩陣為:COS(-護(hù) sin(-o010f cosO sin0卜sin(-Ocos(一oJLo s業(yè)一sin0cosOJr 1n

44、1:f oOS20+e sin0(1I占sin0?；煽贗 (216 l(1一esinocos0sin口+占cos2目J另一種較常用的光學(xué)器件是延遲器或雙折射片,它使一束入射的單色偏 振光分解為兩束正交偏振形式,并使其中一束光的相位相對(duì)丁.另一束產(chǎn)生+定的滯后。一個(gè)快軸是x軸,滯后量為的線性延遲器的瓊斯矩陣為:第三種常用光學(xué)器件是旋光器 盛:期由第1章的介紹可知,多數(shù)光學(xué)電流傳感器(Optical Current SensorF 面簡(jiǎn)稱OCS是以法拉第效應(yīng)(磁光效應(yīng)為其基本原理的。下面對(duì)法拉第效 應(yīng)作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。在磁場(chǎng)的作用下,物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,這就是所謂的磁光效應(yīng)。 在磁光效應(yīng)中比較

45、重要的是法拉第效應(yīng),即光在通過(guò)磁場(chǎng)作用下的物質(zhì)時(shí)產(chǎn) 牛偏振面旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)。當(dāng)線偏振光入射進(jìn)磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)時(shí),它的兩個(gè)互相正交的分量(左 旋和右旋偏振光將經(jīng)受不同的折射率,于是,光透過(guò)物質(zhì)時(shí),兩個(gè)分量之 間出現(xiàn)相位差,作為它們合成輸出的光,偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),偏振面旋轉(zhuǎn)的 角度m為:J,式中:礦 一材料的Verdet常數(shù),rad/A曰一 磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m哈爾濱工程火學(xué)煩_|=學(xué)位論文r 一 光與磁場(chǎng)之間相互作用的距離,m若積分環(huán)路為閉合的,利用安培環(huán)路定律,式(2.19可寫成:=PMf, (220式中:N, 一 光束環(huán)繞導(dǎo)線的環(huán)數(shù), 一 穿過(guò)光介質(zhì)的導(dǎo)線根數(shù), 電流強(qiáng)度,A式(2-20表明,線偏光

46、偏振面旋轉(zhuǎn)角度的大小與光束環(huán)繞導(dǎo)線的環(huán)數(shù)、穿 過(guò)光介質(zhì)的導(dǎo)線根數(shù)以及通過(guò)導(dǎo)線的電流強(qiáng)度成正比。2.3節(jié)公式(219成立的條件是光在各向同性的均勻介質(zhì)里傳輸。當(dāng) 存在反射相移或線性雙折射時(shí),此條件不成立,需要用瓊斯矩陣描述實(shí)際光 學(xué)過(guò)程。一 lgE 傳警頭 保偏反我們所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.1所示。傳感頭中光路與電流的空間關(guān)系如 圖2.2所示。由LED產(chǎn)生的一束光,首先經(jīng)過(guò)透光軸與水平方向里0角的起 偏器,再經(jīng)過(guò)由Verdet常數(shù)為lO。量級(jí)的光學(xué)玻璃制成的傳感頭,傳感頭的 中心由載流導(dǎo)線穿過(guò)。光束經(jīng)過(guò)傳感頭,受到電流產(chǎn)生的Faraday效應(yīng)的影 響,偏振態(tài)發(fā)生變化,經(jīng)過(guò)渥拉斯登棱鏡檢偏,輸出兩束

47、光,分別為從傳感 13哈爾濱J:程大學(xué)碩士學(xué)位論文頭輸出光矢的垂直分量和平行分量,這兩束光分別進(jìn)入相應(yīng)的PIN光檢測(cè)器, 被轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)入信號(hào)處理電路,經(jīng)差除和的信號(hào)處理后,得到輸出電壓 。此輸出中包含了被測(cè)電流的信息。被測(cè)電流YR1l“ ,。￥2/r4/螂一/1/飛 /9。F1,F2,F3,F4一傳輸矩陣 Rl,R2,R3一一反射矩陣該傳感系統(tǒng)的矩陣可用下式描述:乜。=R3ER2五月l巧P(s,療瓦 (2-21式中:Eo。一出射的光矢量F. 一光在每臂傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的物理效應(yīng)的矩陣 (i=1,2,3,4R, 一一 光在每個(gè)反射面上的反射效應(yīng)的矩陣(i=1,2,3 舷句 一一 起偏器的矩陣,占

48、為起偏器的偏振參數(shù),0為起偏器光 軸與檢偏器光軸的夾角,稱為預(yù)偏角E。 一入射光矢量當(dāng)入射光偏振方向與所選坐標(biāo)X軸重合時(shí),E。成為:弘舊 沼z。, 這里假設(shè)入射光矢量的振幅為1。當(dāng)存在線性雙折射時(shí),F成為: F=匿捌 沼2,19哈力:濱ig大學(xué)碩士學(xué)位論文式中:一4。cos(%/2+jsin(W,/2cos(X, 晝=sin(tP,/2sin(W,Xf=arctan(2妒f67、 q?=2.、/(a?|母+母?式中:J,是第i個(gè)臂的線性雙折射,單位rad;,是電流在第f個(gè)臂產(chǎn)生的法 拉第旋轉(zhuǎn)角,單位rad。R,可以寫為:R,=8:”。,0。j=e口“2:?c,。-,z,s,czz4, 式中:,

49、是光束p分量的反射相移,單位tad;。是光束的J分量的反射相 移,單位rad;A,=。一。是兩分量間產(chǎn)生的反射相移差,單位rad。.在 以下簡(jiǎn)稱“反射相移”。忽略掉絕對(duì)相移量eA,式(224簡(jiǎn)化為:恥K?7“_1,2,3 (2-25在盯回已提到,在起偏器的偏振參數(shù)為s,預(yù)偏角為0時(shí),起偏器的瓊 斯矩陣是:尸(啪:|cos托酊n2(1-e,sin(Oco。s(Oj (2.26 L(1一ssin(Ocos(O6"COS2(目+sin2(目l在理想情況下,線性雙折射為零,于是有:I sin辦 cos卉I在本系統(tǒng)所用傳感頭中,因三個(gè)反射面鍍有單層介質(zhì)保偏反射膜,故反 射相移可忽略,即反射相移

50、為零,則式(2.25可寫為:弘f“乩2,3 (2_28 如果用E,和E。分別代表輸出光矢的p一分量和s-分量,則輸出可表示成:=網(wǎng) 味2, 經(jīng)渥拉斯登棱鏡正交檢偏后,輸出光強(qiáng)分別為:哈爾濱j:程大學(xué)碩十學(xué)位論文,p=E;Ep (230I。=E?E。 (231這罩“+”代表厄米運(yùn)算。經(jīng)過(guò)差除和的信號(hào)處理電路后,系統(tǒng)輸出為Tfl pl。 “一萬(wàn)i 在理想情況下,起偏器的偏振參數(shù)是0, s=0,臼=州4,此時(shí)起偏器矩陣可表示為即,=州將上式代入式(221中,計(jì)算得到:(232且預(yù)偏角剛好被調(diào)整在45。,即經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出式(234的結(jié)果為:U。=sin(20 (2354此處,中=妒,因?yàn)樗孟到y(tǒng)的Ve

51、rdet常數(shù)為105量級(jí),在電流1000安 培以下時(shí),毒的值都很小,有sin(20a29,所以u(píng)o。,*2中,傳感器輸出和 法拉第轉(zhuǎn)角有線性關(guān)系。又根據(jù)式(2.20,法拉第轉(zhuǎn)角和待測(cè)電流有線性關(guān) 系,所以U。t 2中=2V1(這里NI=1,M=1,可以說(shuō)傳感器的輸出和待測(cè)本章首先對(duì)瓊斯矩陣給予簡(jiǎn)單的介紹,并給出了塊狀玻璃光學(xué)電流傳感 器的傳感原理。綜上所述,塊狀玻璃光學(xué)電流傳感器以Faraday效應(yīng)(磁光效應(yīng)為基本原理,用瓊斯矩陣描述實(shí)際光學(xué)過(guò)程。斗1J _2(叫m_en n S S +中 中 S S 0O 00一2|l E哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文第3章測(cè)量傳感頭內(nèi)線性雙折射的新方法本來(lái)是各

52、向同性的介質(zhì),在應(yīng)力的作用下會(huì)表現(xiàn)出各項(xiàng)異性的光學(xué)性質(zhì)。 這就是所謂的光彈效應(yīng)或者應(yīng)力雙折效應(yīng)。對(duì)于線性雙折射的測(cè)量已有一些方法見(jiàn)諸報(bào)道,包括干涉色法、四分之 一波片法等。但這些方法都存在各自的不足之處,例如只能測(cè)得其余弦函數(shù) 值而無(wú)法唯一地確定雙折射值、測(cè)量精度不高等。為此,在前期的研究工作 中就提出了一種測(cè)量線性雙折射的方法:一般延遲片法。但是,該方法引入 的中間測(cè)量量較多,使得測(cè)量不確定度較大,因此需要尋求一種更好的方法。 本文針對(duì)以上給出的不足提出了一種測(cè)量線性雙折射的改進(jìn)方法,其光路設(shè) 臀、工作原理、測(cè)量不確定度、計(jì)算機(jī)仿真、應(yīng)用實(shí)例等如下文。該方法的原理光路如圖3.1所示。光源發(fā)出

53、的光束經(jīng)過(guò)起偏器后形成偏 振化方向與水平坐標(biāo)軸(X軸夾角45度的線偏光。該光通過(guò)被測(cè)元件后,經(jīng) 過(guò)個(gè)延遲片,并由檢偏器檢偏。記錄探測(cè)器的值,經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算即可得到被 測(cè)器件的線性雙折射。傳感頭哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1所示系統(tǒng)的輸出光矢可表示為:E?！?=尸(礦(G(Ein(9 (3一1式中:E。,一 出射光矢量P(cp一檢偏器的瓊斯矩陣,妒為檢偏器光軸與水平坐標(biāo)軸的夾角 E。(占一 透過(guò)起偏器的入射光矢量,9為起偏器光軸與水平坐 標(biāo)軸的夾角,本文中令9=45。矽f甜1一 延遲片的瓊斯矩陣,口為延遲片的快軸與水平坐標(biāo)軸的 夾角G(f一一 傳感頭的瓊斯矩陣,掌是傳感頭內(nèi)線性雙折射與反射相 移

54、的總相移。其中的傳感頭的歸一化矩陣可以表示為】:G=l:。寞l z,式(3-2成立的條件:磁場(chǎng)為零,即不存在法拉第效應(yīng),法拉第偏轉(zhuǎn)角為零。 僅考慮傳感頭內(nèi)存在線性雙折射和反射相移的情況。延遲片的瓊斯矩陣如下:毗,=融;i芝墨薹名-1sina并cos羽a 凈。,式中,占是延遲片的延遲角。檢偏器的瓊斯矩陣司表不為:Pc妒,=。;:莒i三p si:二:苫妒起偏器透光軸與水平坐標(biāo)x軸間的夾角為|9時(shí) 示為:rcos,口1E加(口2A sin口l(3-4透過(guò)起偏器的光矢可表將式(3-2、(3.3、(3.4、(3-5代人式(3-1,得到(3-5哈爾濱一I程人學(xué)碩士學(xué)位論文r一。c。o。s。8洲co。s妒4

55、,羔;=;j鬟-等簍;:囂善二塞:囂善j苗二,1si。n。a。c。o。s。a。s。in。華9 LJb J則輸出光強(qiáng)可以算出其表達(dá)式為:,=+=以;(2一c。s秘in 2(2咖in(2咖in(2趴毗+妻sin(2妒sin(219cos(J+fsin 4盯十cos(Jfc。s 4口j+;sinc。so咖sjnG。9c。sp+臼sjn26t"-COS(萬(wàn)一4cosz e+cosg-ac。s古+;(c。s巧一1sin 2(2口c。s(2妒c。s(2|9一丟(c。s占一1sin(4口sin(2妒c。s(219十+COS 2(acos 219+sin 26p sin 219(3-7式中光矢上標(biāo)“

56、+”表示對(duì)光矢的厄米運(yùn)算。測(cè)量,一時(shí),延遲片的快軸與X軸方向相同,即口為0。,檢偏器透光軸與 x軸夾角p為45。,則輸出光強(qiáng)為:三2爿2(1+sin 2口c。s(亭一萬(wàn)】 (38測(cè)量,2時(shí),延遲片的快軸與y軸方向相同,口為90。,妒仍為45。,則輸 出光強(qiáng)為:,2=三2421+sin219c。s(掌+萬(wàn)】 (39測(cè)量,3時(shí),延遲片的快軸與X軸方向平行,口為0。,調(diào)整檢偏器使 口=一45。,輸出光強(qiáng)為:,3:三2彳21一sin2毋c。s(f萬(wàn)】 (310 由式(3-8、(3-9和(3.10可以得到:和ain(并;×志(3-11 弘一sc措×志,#=(f。+f:/224哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文令19=45。,可以得到測(cè)量原理公式:fI=arcsin(fI=arceos(f=(f.+f, l sin 5 (312 I×一1cOS O 出式(312可以唯一確定一個(gè)值。毒是由傳感頭內(nèi)三個(gè)反射面總反 射相移和線性雙折射,構(gòu)成的總相移。善=A+,=島l±善 (313注入光學(xué)玻璃