全光纤电流传感器温度稳定性研究

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电能是我们生活中最重要的能源之一,所以电能的输送与检测等也具有重大意义。全光纤电流传感器相对于传统的电磁式电流互感器具有抗电磁干扰,无磁路饱和现象,无开路风险以及稳定性好,精度高等优点,并且在直流电测量方面有着传统互感器无法比拟的优势,这让全光纤电流传感器成为了研究与应用的热点。然而,目前全光纤电流传感器(FOCT)主要存在的问题在于长期稳定性不好,表现在受温度变化等环境影响,传感器测量的准确度会有所下降。出现问题的原因主要在两个方面:第一,相位调制器、光源、光电探测器等精密器件长期使用可能会发生老化现象,造成系统传感准确度的下降;第二,传感单元长期暴露在恶劣的环境中,温度等因素的变化会影响传感单元中λ/4波片以及传感光纤的传输特性,从而影响到测量的准确度。本文将从传感单元的温度特性出发,寻找提高系统温度稳定性的方案,主要工作内容包括以下三个方面:(1)建立了FOCT的琼斯矩阵模型,并用该模型分析了系统的输出光强信号与系统中各个元件关键参数之间的关系,并且研究了系统中如光源、起偏器等重要器件的参数以及如保偏光纤熔接角等关键工艺参数等对系统输出信号的影响。(2)实现了开环条件下的全光纤电流传感器系统。首先从理论上介绍了系统调制、解调的原理,并对调制、解调的过程进行了仿真,得到了探测信号、解调过程中的信号以及恢复出的信号的仿真波形,验证了自相干解调算法的可行性,接着从硬件方面介绍了光源、起偏器、双折射相位调制器、光电探测器等器件的选型,最后介绍了用于检测传感单元性能好坏的温度循环实验系统,并且对一批现有的传感单元进行了测试,其中性能较好的全温范围内比差变化范围达到了1.4%。(3)利用琼斯矩阵模型研究了维尔德常数、λ/4波片的温度特性对系统的影响以及两者之间的补偿作用,并且考虑到实际制作中可能会产生的误差等问题,提出用3/4拍长的波片代替1/4拍长的波片的方案,并且改进了λ/4波片的制作工艺、传感环的封装工艺等,然后对其-40℃到70℃范围内的温度特性进行了温度循环实验验证,在未采用温度补偿算法的情况下将系统的比差变化范围从约1.4%降低到了约0.6%。
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