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(cè)中的最終發(fā)展目標(biāo)是全光纖電流互感器，因能夠彌補(bǔ)電磁式電流互感器的諸多缺點(diǎn)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(wèn)題使其尚無(wú)法實(shí)用化，論文針對(duì)促進(jìn)其實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)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(duì)解決阻礙其實(shí)用化的測(cè)量靈敏度低和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差這兩個(gè)主要問(wèn)題展開(kāi)研究。對(duì)于提高測(cè)量靈敏度，論文通過(guò)改善傳感頭磁光介質(zhì)的性能進(jìn)行解決;對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差，設(shè)計(jì)了

2、薄膜型傳感頭結(jié)構(gòu)、引入了非環(huán)繞法監(jiān)測(cè)電流方案、實(shí)現(xiàn)了光纖環(huán)形腔式光路系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)真正意義上的全光纖化，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。論文在上述方面開(kāi)展了較全面而系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，探索從本質(zhì)上解決這些問(wèn)題的方法。工作的主要內(nèi)容包括三個(gè)方面:
　　首先，針對(duì)解決全光纖電流互感器測(cè)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(shí)現(xiàn)了利用Bi-GdYIG作為磁光傳感介質(zhì)的方案。通過(guò)第一性原理計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)方法，在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)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(dòng)等因素造成的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差的問(wèn)題。該方案從傳感頭

4、結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(cè)電流帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于微納光纖設(shè)計(jì)和磁光薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)傳感頭方案。該方案基于光的全反射理論，以光信號(hào)多次通過(guò)磁光薄膜的形式，使傳感頭一次經(jīng)過(guò)待測(cè)電流，避免了傳感光纖多次環(huán)繞待測(cè)電流帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定。在該方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)多次通過(guò)磁光介質(zhì)Bi-GdYIG，代替?zhèn)鞲泄饫w環(huán)

5、繞待測(cè)電流。方案達(dá)到了非環(huán)繞法監(jiān)測(cè)電流的目的，進(jìn)而提高了系統(tǒng)抗外界震動(dòng)等干擾的能力，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。并且，光信號(hào)多次通過(guò)傳感介質(zhì)的方式，彌補(bǔ)了薄膜型傳感頭由于磁光介質(zhì)厚度減小帶來(lái)的測(cè)量靈敏度降低的問(wèn)題。同時(shí)，基于實(shí)現(xiàn)的Bi-GdYIG磁光材料鍍膜在玻璃襯底上的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了全光纖化，進(jìn)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(cè)量穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步提高了測(cè)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(cè)量靈敏度，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)分析表明，直通式結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)、反射式結(jié)構(gòu)具有

7、測(cè)量靈敏度高的優(yōu)勢(shì)?；诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)得出的直通式結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性好但測(cè)量靈敏度低、反射式結(jié)構(gòu)測(cè)量靈敏度高但穩(wěn)定性低的特點(diǎn)，改進(jìn)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(guò)引入光纖環(huán)，既具有直通式的傳輸特點(diǎn)，又通過(guò)光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)了與反射式相同的傳輸規(guī)律。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)了以Bi-GdYIG薄膜的微納光纖為傳感頭、光