Research progress of high sensitivity all fiber optic current sensor
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摘要: 全光纤电流传感器作为智能电网中的重要设备之一, 具有比传统电磁式互感器更显著的优势, 在高压及超高压环境中有广阔的应用前景。首先阐明了影响全光纤电流传感器灵敏度的主要因素, 综述了近年来国内外学者提高电流传感灵敏度的解决方案和研究成果; 其次着重分析一些改进型结构的全光纤电流传感器消除温度、线性双折射等对传感灵敏度影响的工作原理, 并讨论了各自主要的优缺点; 最后, 结合高灵敏度全光纤电流传感器的研究现状, 指出了其未来发展趋势。Abstract: As one of the important devices in smart grid, all fiber optic current sensor has more significant advantages than traditional electromagnetic transformer, and has broad application prospects in high voltage and ultra-high voltage environment. Firstly, the main factors affecting the sensitivity of all fiber optic current sensor are clarified, and the solutions and research results for improving the sensitivity of current sensor by domestic and foreign scholars in recent years are summarized; Secondly, the working principle of some improved all fiber optic current sensors to eliminate the influence of temperature and linear birefringence on the sensing sensitivity is emphatically analyzed, and their main advantages and disadvantages are discussed; Finally, combined with the research status of high sensitivity all fiber current sensor, the future development trend is pointed out.
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引言
电流测量是电力系统中不可或缺的一环。传统电网中采取电磁式互感器作为电流测量器件，对电力系统进行电流监测、电力分配以及继电保护等。随着电力系统的发展，新一代智能电网已经成为全球各国电网改革和发展的重要领域[1]。它通过先进的传感测量技术能够实现对电力系统的自动监测和控制，同时可以对不同地区进行电力调控，使得电力资源得到合理分配，保障电力的安全、可靠、高效。
传统电磁式互感器在安全性等方面存在着致命缺陷，逐渐不能满足电力系统的测量需求，因此全光纤电流传感器(all fiber optical current sensor, AFOCS)应运而生。全光纤电流传感器是光纤传感技术和法拉第效应结合形成的完美产物，具有抗电磁干扰、高测量动态范围和高精度、低功耗、低成本以及绝缘等显著优势[2-3]，而且可以进行长距离传输，是智能电网中电流监测的主要设备之一[4]。在全光纤电流传感器中利用光纤作为信号的传输媒质和传感元件来获取通电导体的电流信息，它的基本原理是通电导体产生的磁场使绕制在周围的光纤中传输的左、右圆偏振光的传输速度发生变化，通过产生的非互易性相位差实现对电流的测量[5]。因此，影响这种非互易性相位差发生变化的因素就是AFOCS的误差来源，这些误差来源可大致分为光纤内部结构的不稳定性和对外界环境变化的敏感性，包括传感光纤中残余线性双折射[6]、温度[7]、振动、应变等。信号处理模块的算法不是最优也会对最终实验结果造成影响。为了减小或消除这些因素给AFOCS带来的影响，国内外研究人员设计了多种方案，如使用退火光纤[8]、低双折射光纤来消除因光纤自身弯曲产生的线性双折射，或是利用螺旋光纤[9]引入大量圆双折射来抑制线性双折射，还可以通过采用扭转高双折射光纤[10]、法拉第旋光镜[11]等降低AFOCS对温度、振动等因素的敏感性来提高系统的稳定性和灵敏度等等。这些研究方案在一定程度上改善了AFOCS的测量精度和抗干扰能力，具有十分重要的实用价值。
本文中首先论述了影响AFOCS性能的主要因素，在此基础上深入探讨了解决温度、线性双折射等影响因素的国内外研究方案和关键技术，并分析其工作原理和优缺点，最后总结一些改进型的AFOCS，并对AFOCS的未来发展趋势提出展望。
1. 全光纤电流传感器的基本理论和结构分析
全光纤电流传感器基于法拉第效应，采用光纤作为传输媒质和传感元件。法拉第效应是传感光纤中的偏振光受到电流产生的磁场作用发生偏振面旋转的现象(见图 1)，偏振面旋转的角度称为法拉第旋转角。图 1中，E表示偏振光所处的偏振面，H表示磁场强度(A/m), L表示偏振光穿过介质的长度(m)，θ表示法拉第旋转角(rad)。法拉第旋转角的大小和磁场强度以及磁场与光传播方向夹角的余弦值成正比，可描述为[12]：
\mathit{\theta }{\rm{ = }}\mathit{V}\int_{_\mathit{L}} {\mathit{\boldsymbol{H}} \cdot {\rm{d}}\mathit{l}} (1) 式中，V表示费尔德常数(rad/A)。
法拉第效应和自然旋光的原理都是基于菲涅耳旋光性，但是前者具有非互易性，即当偏振光被反射镜反射后在介质中往返一次，偏振面的旋转角度将会加倍，而不是像自然旋光那样转回起始位置。
根据光路结构和信号检测方式不同，AFOCS可分为偏振型和干涉型两大类。两者的区别是：偏振型AFOCS的结构中不存在相位调制器，直接通过检测输出光信号的光强关系得到法拉第旋转角，继而求得待测电流值；而干涉型AFOCS是利用调制器对光信号的相位进行调制，通过检测输出干涉光的相位差得到待测电流大小。
1.1 偏振型AFOCS
偏振型AFOCS的基本结构如图 2所示。光源发出的光经过起偏器形成线偏振光进入光纤环中，出射的线偏振光经检偏器达到信号处理模块，然后对信号进行分析处理，这种结构称为单光路检测[13]。
这种结构虽然结构简单，但是无法对直流进行测量，因此德国学者PAPP和HARMS提出基于Wollaston棱镜的双光路检测方案(如图 3所示)，实现了对直流的测量以及对温度的补偿，目前通常采用光纤偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)代替Wollaston棱镜来降低系统损耗[14]。
它的基本原理是Wollaston棱镜将出射的线偏振光分为两路正交的偏振光，然后由两个探测器分别检测两路光信号的光强，根据这两路偏振光的光强与法拉第旋转角的关系，可以计算出法拉第旋转角的数值：
\mathit{P}{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{L}_\mathit{x}}{\rm{ - }}{\mathit{L}_\mathit{y}}}}{{{\mathit{L}_\mathit{x}}{\rm{ + }}{\mathit{L}_\mathit{y}}}}{\rm{ = sin(2}}\mathit{\theta }{\rm{)}} \approx {\rm{2}}\mathit{\theta } (2) 式中，P定义为偏振度，表示两路光强之间的关系，Lx和Ly分别表示两路正交偏振光的光强。
这种结构虽然有效地提高了系统的灵敏度，但是对外界环境的变化十分敏感[15]，因此一般会采用低双折射光纤、旋转高双折射光纤作为AFOCS的传感光纤，以此提高系统的稳定性，但是这些特殊材料会使得成本增加。
1.2 干涉型AFOCS
干涉型AFOCS是通过检测输出光信号相位的变化来获取被测对象的相关信息，可以从结构上分为Sagnac型和反射式两种结构。
1.2.1 Sagnac型AFOCS
图 4所示是Sagnac型AFOCS的基本结构示意图[16-17]。光源发出的光信号经起偏器起偏后形成线偏振光，再由耦合器分成两路相同的信号，分别被λ/4波片转换为圆偏振光以相反的方向进入光纤环中进行循环，然后携带待测电流信息的两路光信号在起偏器处发生干涉，最终由探测器进行接收。
根据法拉第效应中的非互易性原理，这种结构测得的法拉第旋转角是偏振型AFOCS的两倍，因此它对外界的敏感性远低于偏振型结构。但是从图中可以看出，Sagnac型AFOCS使用了两个λ/4波片，由于λ/4波片对外界变化十分敏感，同时它对制造工艺的要求比较高，所以导致成本增加。
1.2.2 反射式AFOCS
反射式是干涉型AFOCS的另一种结构，又被称为in-line结构[18]，常用的反射镜主要是正交共轭反射镜(orthogonal conjugate reflector，OCR)和法拉第旋转镜(Faraday rotation mirror，FRM)。反射式AFOCS的基本结构如图 5所示。光源发出的光经起偏器形成线偏振光，被45°熔接点分为两束相互垂直的偏振光，再由λ/4波片转化为左右圆偏振光进入光纤环中。当两束圆偏振光达到光纤环末端时被反射镜反射后以相反的方向再次通过光纤环，最后在起偏器处发生干涉，再由探测器将信息采集[12]。由于光信号在光纤环中经历了两次法拉第旋转，因此测得的法拉第旋转角是偏振型结构的4倍。
反射式AFOCS可以将互易性旋光相互抵消，大大降低了系统对温度、振动等因素的影响，同时这种结构用到的光学器件相对较少，避免了一些不必要的损耗，因此灵敏度和稳定性要远高于以上两种基本结构的AFOCS。但由于两束左右圆偏振光需要进行同时调制，而一般的相位调制器很难实现双轴调制，所以这种结构的输出信号会受到一定的影响[19]。
2. 关键技术的研究进展
AFOCS的发展自20世纪70年代持续至今，但是仍不能被大规模实用的主要原因是灵敏度低以及长期运行中稳定性差，以下主要针对温度、线性双折射以及数据处理算法等影响因素进行分析讨论。
2.1 温度补偿方案
AFOCS的灵敏度对外界温度的变化(-40℃~70℃)十分敏感[20]，它主要通过3种方式对灵敏度造成影响：直接影响光源输出的波长[21]；引起传感光纤中产生线性双折射[22]；λ/4波片的相位延迟也会受到温度变化的影响[23]。
2.1.1 光源补偿方案
AFOCS要求光源必须是恒温和恒流，一般采用半导体激光器温控电路，应用在分布反馈(distributed feedback，DFB)可调谐二极管激光器上进行实际测量，得到输出波长标准偏差为0.2×10-6、输出功率标准偏差为0.02mW[24]；还有一种模拟温度控制方案，利用运算放大器、单结晶体管等元器件控制电源的输出功率，在实际测试中当温度为750℃以下时，可以将精度控制在±3℃以内[25]。
2.1.2 传感光纤补偿方案
为了消除AFOCS的传感光纤中残余线性双折射，采用手征光子晶体光纤替代普通单模光纤作为传感线圈[26]。通过模拟结果表明，将晶格常数、空气填充率和旋光率分别设计为4.5m, 0.42和2.9×10-4rad/m时，手性光子晶体光纤不仅具有更好的保偏性能，而且测量精度也提高了一个数量级。还可以采取一种带有隔热腔的新型光纤延迟线圈[27]。这种新型线圈可以通过改变结构参数对不同温度变化误差进行补偿，在光学电流传感器、光纤陀螺等传感领域具有一定的参考价值和实际意义。此外，合理选择光纤延迟器也可以使AFOCS在40℃~80℃的温度变化范围内具有良好的温度补偿[28]。
2.1.3 λ /4波片补偿方案
使用具有负温度系数的λ/4波片可以有效地补偿费尔德常数发生的正变化[29]，继而大幅度改善温度对AFOCS的影响，在实际使用中展现出了良好的性能。还可以通过设计λ/4波片补偿器对温度进行补偿，实验证实在-40℃~85℃之间的输出误差小于0.2%[30]。
2.2 抑制线性双折射
AFOCS中的光纤既是信号传输载体又是传感元件，因此线性双折射的影响必须尽可能减小。一般产生线性双折射的原因是光纤结构的非理想化对称以及弯曲、外力的挤压等，因此, 需要采取合理的方案对其进行抑制。
2.2.1 采用新型特殊光纤
经过特殊工艺加工的光纤可以有效地抑制线性双折射，如多边形保偏光子晶体光纤[31]、退火光纤、扭光纤等，但是退火光纤的机械强度过低、扭光纤对温度和应力特别敏感，因此, 一些新型特殊光纤成为研究人员的研究重点之一。通过设计一种扭转高双折射光纤[5]，利用“8”字型特殊绕制方式将这种光纤绕制在骨架上，可以降低对振动、应变等因素的敏感性，也可以采用旋转高双折射(spun high birefringence，SHB)光纤替代普通单模光纤作为AFOCS的传感光纤，通过结合法拉第旋光镜，只需合理设置λ/4波片的初始相位延迟、温度系数以及SHB光纤的旋转比，就可以对线性双折射进行补偿。一种新型正五边形保偏光子晶体光纤也可以用作传感光纤来抑制线性双折射[32]，实验表明，当温度的变化范围在-50℃~80℃时，它的线性双折射变化仅为氢光子晶体光纤的1/10，而且热稳定性和偏振稳定性都优于普通单模光纤，在AFOCS中具有潜在的应用价值。但是由于这些新型特殊光纤制作工艺比较复杂、成本较高，所以不能普遍应用在AFOCS中。
2.2.2 改进传感头结构
通过改进传感头的结构可以抑制线性双折射，如使用法拉第旋光镜或正交共轭反射镜放置在传感光纤末端，或者通过不同的绕制方式将传感光纤绕制在骨架上等方案都可以有效地抑制线性双折射，提高AFOCS的灵敏度和抗干扰能力。
2.3 数据处理算法的改进方案
AFOCS可以通过数据处理算法的改进来补偿系统误差。比如通过误差反向传播(back propagation, BP)神经网络算法可以对温度进行补偿[33]，实现了非线性温度误差校正，结果表明，这种补偿效果优于最小二乘法的补偿效果，用全温条件下进行反复验证得出，在-5℃~50℃之间的温度误差小于0.5%。通过在原始补偿算法中增加一个基于调制频率二次谐波幅度的误差补偿单元也可以达到补偿的效果[34]，这种补偿方式实现了AFOCS信号处理模块的算法优化，与未补偿的输出相比具有低于10倍的误差，在提升系统可靠性和灵敏度的同时降低了成本。
3. 全光纤电流传感器的改进型结构
近年来，国内外学者在AFOCS的研究上已经取得了较大的进展，在交直流稳态电路中实现了精确测量[35]。为了更有效地改善AFOCS的性能、提高系统的稳定性和灵敏度，研究人员提出了一些新型结构的AFOCS。
为解决灵敏度低和系统稳定性不足的问题，将单偏振单模(single-polarization single-mode，SPSM)耦合器和光纤环结构[36]进行结合形成一种新型AFOCS[37]，由于SPSM耦合器只允许慢轴的偏振光通过，因此在光路中可以用作起偏器和检偏器，具体结构如图 6所示。基本原理是光源发出的光经耦合器进入三口环形器中，然后由端口2进入光纤环中进行循环，被末端的正交共轭反射镜反射后以相反的方向回到三口环形器，再由端口3返回至光路中。光信号每次经过耦合器B时都会有一小部分被耦合到探测器，最终探测器收到一系列被称为衰荡光谱的脉冲信号。
实验表明，这种新型AFOCS在10℃~80℃的温度变化范围内，受温度的影响减小了约17dB；在振动实验中，振幅为1mm时可以减小10dB、振幅为10mm时可以减小20dB以上。因此，这种新型结构不仅能显著降低温度和振动对系统的干扰，而且简化了结构、提高了灵敏度和稳定性。
基于环形腔结构的AFOCS因高灵敏度和实用性受到了较多的关注，为增加传统环形腔的循环次数，在其基础上利用光开关来控制光信号的循环[38]，结构如图 7所示。光纤激光器(fiber laser，FL)发出的光经过偏振控制器(polarization controller，PC)进入声光调制器(acoustooptic modulator，AOM)成为脉冲光，然后从端口1进入光开关中，出射光由端口2经PBS到达光电探测器(photodetector，PD)中，最后由数据采集卡(data acquisition card，DAQ)将采集来的信号收集。任意波形发生器(arbitrary waveform generator，AWG)是用来产生光开关和AOM的两路控制信号，通过设置这两路控制信号之间的相位差就可以控制光开关的通断状态，使脉冲光在指定的时刻从端口2耦合出去，实现了循环次数可调。
在实验中测得当光源功率设定为25mW、循环7次时，AFOCS的灵敏度达到7.6°/A；当光源功率为35mW、循环9次时，灵敏度是11.5°/A。对不同的循环次数进行实验发现，当循环次数低于10次，灵敏度会随着循环次数的增加而提高；当高于10次以后，输出的波形发生严重的形变，这是因为环境变化等因素已经影响了AFOCS的稳定性，因此需要合理选择循环次数。
通过将反射式结构和集成光学偏振分束器(integrated-optic polarization splitter，IOPS)相结合形成一种新型偏振AFOCS[39]，图 8显示这种新型结构的配置。超发光二极管发出的光通过单模光纤发送至1×3的IOPS，经薄偏振板P1后达到λ/4波长光纤延迟片转化为左右圆偏振光进入传感光纤中，被反射镜反射后沿相反方向以正交线偏振光的形式在P1和P2处发生干涉，再送到两个探测器进行检测，最后由信号处理器进行处理。
通过具体实验数据得出，这种简单的偏振型AFOCS在温度变化范围为45℃~85℃之间能够将交流电的测量精度控制在0.1%内，可以媲美于高性能干涉型AFOCS，而且这种结构对外部应力变化不敏感，能实现长距离的传输。
目前，AFOCS的研究重点主要放在光路结构的改进和误差补偿[40]，对高频电流和暂态电流的研究相对较少，于是提出一种耦合法拉第旋光器的新型AFOCS[41]，具体结构如图 9所示。在偏振型AFOCS的基础上，将法拉第旋光镜耦合在传感光纤中点处，并采取双线绕制的方式形成对称结构，根据互易性和非互易原理可知，传输过程中传感光纤前半段和后半段产生的互易性相位差相互抵消，保留了法拉第效应产生的非互易性相位差。
实验证明，这种新型结构AFOCS具有良好的线性拟合优度；在10Hz~10kHz的频响实验中幅值误差和相位误差分别在2.3%和2°以内；频带测量范围可达54.7kHz，远大于现有AFOCS的频带；在-20℃~60℃的温度范围内，输出电压相对误差小于4.3%。整体结构有效地提高了灵敏度和稳定性，在暂态电流测量领域具有广阔的应用前景。
4. 结束语
综上所述，AFOCS在大电流检测以及超高压测量领域中已经获得了大量的研究，各种新型的传感方案层出不穷，传感灵敏度的稳定性不断提升。但是环境变化给传感器带来的影响始终无法避免，因此，未来需要设计新的结构来减小甚至消除这种影响。利用时分复用、波分复用等技术通过一种结构对同一变量的不同位置进行测量、或者对不同变量进行同时检测也是未来发展的重要方向。此外，随着新技术的成熟和新材料的应用，AFOCS不再局限于工作在智能电网中，它还可以在航空航天等领域发挥重要作用。
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