基于Bi-GdYIG薄膜的全光纖電流互感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的電流檢測中的最終發(fā)展目標是全光纖電流互感器，因能夠彌補電磁式電流互感器的諸多缺點而迅速得到廣泛的關(guān)注。但是，全光纖電流互感器也存在一些問題使其尚無法實用化，論文針對促進其實用化的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。
　　本論文聚焦于全光纖電流互感器關(guān)鍵的理論和技術(shù)，針對解決阻礙其實用化的測量靈敏度低和長期運行穩(wěn)定性差這兩個主要問題展開研究。對于提高測量靈敏度，論文通過改善傳感頭磁光介質(zhì)的性能進行解決;對于長期運行穩(wěn)定性差，設(shè)計了

2、薄膜型傳感頭結(jié)構(gòu)、引入了非環(huán)繞法監(jiān)測電流方案、實現(xiàn)了光纖環(huán)形腔式光路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)真正意義上的全光纖化，提高了運行穩(wěn)定性。論文在上述方面開展了較全面而系統(tǒng)的理論與實驗研究工作，探索從本質(zhì)上解決這些問題的方法。工作的主要內(nèi)容包括三個方面:
　　首先，針對解決全光纖電流互感器測量靈敏度低的本質(zhì)途徑—改善傳感介質(zhì)的磁光性能出發(fā)，提出并實現(xiàn)了利用Bi-GdYIG作為磁光傳感介質(zhì)的方案。通過第一性原理計算出在摻雜原子百分比Bi為30％

3、、Gd為15％的釔鐵石榴石(Y3Fe5O12,YIG)情況下，摻雜材料光學(xué)性質(zhì)的變化與純YIG有相同的規(guī)律，為在Bi-GdYIG靶材與薄膜的制備中摻雜比例的選擇提供了理論依據(jù)。
　　其次，實現(xiàn)了摻雜比Bi為30％、Gd為15％的Bi-GdYIG磁光材料在玻璃襯底上鍍膜的實驗方法，在此基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了一種基于微納光纖結(jié)構(gòu)的磁光薄膜型傳感頭方案，解決了全光纖電流互感器由于受到外界震動等因素造成的長期運行穩(wěn)定性差的問題。該方案從傳感頭

4、結(jié)構(gòu)改進出發(fā)，結(jié)合目前全光纖電流互感器中普遍采用的傳感光纖多次環(huán)繞待測電流帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，提出并實現(xiàn)了一種基于微納光纖設(shè)計和磁光薄膜型結(jié)構(gòu)進行改進傳感頭方案。該方案基于光的全反射理論，以光信號多次通過磁光薄膜的形式，使傳感頭一次經(jīng)過待測電流，避免了傳感光纖多次環(huán)繞待測電流帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。在該方案實現(xiàn)過程中，通過在微納光纖的纖芯上鍍膜Bi-GdYIG之后，再鍍膜金屬粒子的方式，實現(xiàn)光信號多次通過磁光介質(zhì)Bi-GdYIG，代替?zhèn)鞲泄饫w環(huán)

5、繞待測電流。方案達到了非環(huán)繞法監(jiān)測電流的目的，進而提高了系統(tǒng)抗外界震動等干擾的能力，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。并且，光信號多次通過傳感介質(zhì)的方式，彌補了薄膜型傳感頭由于磁光介質(zhì)厚度減小帶來的測量靈敏度降低的問題。同時，基于實現(xiàn)的Bi-GdYIG磁光材料鍍膜在玻璃襯底上的實驗結(jié)論，完成了Bi-GdYIG磁光材料鍍膜在微納光纖上的傳感頭制作，該傳感頭結(jié)構(gòu)使光纖電流互感器真正實現(xiàn)了全光纖化，進一步保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　最后，在薄膜型Bi-G

6、dYIG微納光纖傳感頭的基礎(chǔ)上，提出了環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)全光纖電流互感器系統(tǒng)方案。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)的引入，在保證薄膜型傳感頭測量穩(wěn)定性的同時，進一步提高了測量靈敏度。在該方案中，首先基于瓊斯矩陣的方法系統(tǒng)的分析了直通式、反射式結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)理論模型，并利用Optisystem軟件建立了這兩種結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，分析了不同光路結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的測量靈敏度，并進行了實驗驗證。通過分析表明，直通式結(jié)構(gòu)具有長期運行穩(wěn)定性好的優(yōu)點、反射式結(jié)構(gòu)具有

7、測量靈敏度高的優(yōu)勢。基于理論和實驗得出的直通式結(jié)構(gòu)長期運行穩(wěn)定性好但測量靈敏度低、反射式結(jié)構(gòu)測量靈敏度高但穩(wěn)定性低的特點，改進性提出了光纖環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在直通式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過引入光纖環(huán)，既具有直通式的傳輸特點，又通過光纖環(huán)實現(xiàn)了與反射式相同的傳輸規(guī)律。最后，通過實驗驗證了該光纖環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器系統(tǒng)的可行性。
　　論文從理論和技術(shù)角度出發(fā)，證實了以Bi-GdYIG薄膜的微納光纖為傳感頭、光