基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法与流程

本发明涉及电力系统电流测量技术领域，特别涉及一种基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法。采用牛顿环金属光栅实现对法拉第磁致旋光角线性测量。

背景技术：

电流互感器是反映电力系统运行状态的重要设备，是连接一、二次设备的重要纽带，其准确度和可靠性是保证系统测量准确性和继电保护装置动作可靠性的重要前提。目前电力系统中采用的电流互感器绝大部分都是基于电磁感应原理，随着电压等级和传输容量的不断提升，电磁式电流互感器暴露出一些难以忽视的缺陷，如绝缘难度大、易磁饱和、模拟信号输出、使用频带窄、铁芯剩磁影响、响应速度慢、不能测量直流电流等问题，严重阻碍了智能电网的发展。

随着电子技术和光学传感技术的兴起，光学电流互感器受到了国内外的重视并得到了快速的发展。相对于传统的电磁式电流互感器，光学互感器具有以下优点：(1)优良的绝缘性能和性价比。(2)无磁饱和以及铁磁谐振等问题。(3)测量频带宽、动态范围大。(4)实现了高低压之间的彻底隔离，可靠性和安全性高。(5)体积小、重量轻、经济性好。

光学电流互感器的测量原理基于磁光晶体的法拉第效应，即在磁场作用下，线偏振光通过磁光晶体，其偏振面发生旋转，旋转的角度正比于磁场的大小。通常采用偏光干涉解调方法测量输出光强，但这一测量模式具有光功率相关性，易受光功率波动的影响；利用正弦函数小角度时的近似线性变换测量法拉第旋转角，导致动态测量范围和测量谐波的能力有限；此外，温漂和线性双折射产生的随机噪声降低了互感器长期运行的稳定性与可靠性，制约了其实用化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明采用光源和偏振片产生线偏振光源，磁光薄膜将待测磁场大小转换为线偏振光偏振面的旋转角度，扩束镜用于放大光束的截面，牛顿环金属光栅将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光偏振面方向严格垂直，暗纹的旋转角度等于法拉第旋转角，最后通过四象限探测器测量光斑暗纹的旋转角可以实现法拉第旋转角的线性测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法，偏振片2的一侧设置光源1，另一侧设置磁光薄膜3，扩束镜4置于磁光薄膜3与牛顿环金属光栅5之间，牛顿环金属光栅5的另一侧设置四象限探测器6；光源1经过偏振片2起偏后得到线偏振光，线偏振光通过磁光薄膜3后，偏振面平行于竖直方向，偏振面旋转的角度正比于磁场的大小；扩束镜4将出射偏振光束放大，经过牛顿环金属光栅5，形成具有暗纹的圆形光斑；暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直；通过四象限探测器6检测中暗纹的方向，计算线偏振光偏振面的旋转角度从而得到待测电流。

所述的牛顿环金属光栅5的光栅刻槽为等间距的同心圆，光栅周期即金属条纹的间距小于入射光波长；同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为16mm；光栅周期为150nm，厚度为100nm，占空比为0.5。线偏振光进入牛顿环金属光栅5，被分解为偏振方向互相垂直的tm波与te波，仅有偏振方向与金属条纹垂直的tm波可以透过牛顿环金属光栅传播，偏振方向为径向；出射光为具有暗纹的圆环形光斑，暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直，通过四象限探测器6检测暗纹的方向实现对偏振旋转角度的测量。

本发明的有益效果在于：通过牛顿环将法拉第旋转角转换为光斑的同步旋转，并通过四象限探测器检测光斑信号，完成了电流的线性测量。本发明突破了偏光干涉解调模式非线性测量的限制，实现了大范围的法拉第旋转角测量，提高了电流的测量范围；这一测量方法具有光功率无关性，消除了光强波动等因素的影响；并使用磁光薄膜作为敏感元件，基本解决了线性双折射问题。提高了测量的准确度，实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的牛顿环金属光栅的结构示意图；

图3为牛顿环光栅相邻金属条的夹角和间隔距离示意图；

图4为光强分布计算坐标图；

图5为线偏光通过牛顿环金属光栅后形成的光斑图像。

图中：1、光源；2、偏振片；3、磁光薄膜；4、扩束镜；5、牛顿环金属光栅；6、四象限探测器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法，包括光源1、偏振片2、磁光薄膜3、扩束镜4、牛顿环金属光栅5、四象限探测器6，所述偏振片2的一侧设置光源1，另一侧依序设置有磁光薄膜3、扩束镜4、牛顿环金属光栅5及四象限探测器6；光源1经过偏振片2起偏后得到线偏振光，线偏振光通过磁光薄膜3后，偏振面平行于竖直方向，偏振面旋转的角度正比于磁场的大小；扩束镜4将出射偏振光束放大，经过牛顿环金属光栅5，形成具有暗纹的圆形光斑；暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直；通过四象限探测器6检测光斑图像中暗纹的方向，可以得出线偏振光偏振面的旋转角度，计算出待测电流。

参见图2所示，线偏振光进入牛顿环金属光栅检偏，被分解为偏振方向互相垂直的tm波与te波。其中te模式沿切向偏振，其透过率接近0，仅允许沿径向偏振的tm模式透过。该结构的光栅周期和金属线宽不会沿径向改变，消光比恒定。为了兼顾光栅的偏振特性和加工的难易度，选择光栅设计参数为：周期150nm，高度100nm，占空比为0.5，光栅圆环区域的内半径为8mm，外半径为16mm。

参见图3所示，为了防止光栅圆环结构的金属线坍塌，每间隔一定角度和距离，在相邻圆环处加入径向金属线，对结构进行加固，其高度与环形金属线相同。相邻圆环的径向金属条交错排列。其中相邻金属条的夹角和间隔越小，加固效果越好，间距角α和间隔距离d的定义如图3所示。但径向金属条间距过小，会产生切向起偏效果，影响光栅的偏振特性。表1为三种宽度的径向金属条在不同间隔角和间隔距离下的消光比。消光比越接近1，对牛顿环形光栅的偏振特性的影响越小。从表1可以看出，铝线的宽度为500nm，间隔角为0.5度，环中心线的间隔距离为31.4μm，消光比为1.003，对光栅偏振特性的影响可以忽略。

表2消光比与金属条夹角和宽度的依赖关系

本发明的基于牛顿环金属光栅实现的电流测量方法，光源1经过偏振片2起偏后得到线偏振光，线偏振光通过磁光薄膜3后，在磁场作用下线偏振光偏振面发生旋转，且旋转的角度正比于磁场的大小，偏振面平行于竖直方向；扩束镜4将出射偏振光束放大，使其与牛顿环光栅5的尺寸匹配，偏振光束经过牛顿环金属光栅5时，形成具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直；通过四象限探测器6检测光斑图像中暗纹的方向，得出线偏振光偏振面的旋转角度从而得出待测电流值。测量结果与光功率的大小无关，仅与光强的分布有关。

牛顿环光栅在极坐标系下的琼斯矩阵为

由于切向偏振分量的透过率可以忽略，即tφ为0，则在xy坐标系下的琼斯矩阵为

其中为光斑的方位角。设入射偏振光的振幅为a，偏振方向与系统x坐标的夹角为θ，如附图4所示，其电矢量可表示为

当入射偏振光经过金属光栅后，输出光的电矢量为

则输出光强为

当时，输出光强最大；时，输出光强最小，出射光斑如图5所示。因此，通过四象限探测器检测光斑暗纹的位置，即可确定从而得到θ。根据法拉第磁光效应，待测磁场h与θ可通过式(6)进行计算

θ＝vhl(6)

式中：v为磁光材料的费尔德(verdet)常数；h为电流磁场的强度；l为通光长度。由于h与电流成正比，通过测量θ实现电流测量。

本发明的四象限探测器检测原理：

理论上四象限探测器的定位精度为0.01μm，假设光斑圆点半径r＝1mm，光功率w均匀分布在光斑上，k是四象限探测器从光功率到电压信号的总放大增益，dr为沿y轴上的光强积分，则在四象限探测器中1，2象限测量的信号总和为

同理，3，4象限测量的信号总和为

则四象限检测器的输出为

则dr为

若四象限检测器的模拟信号由16位adc采样，且总电压信号u1+u2+u3+u4是16位adc的满量程电压。则当1，2象限和3，4象限之间的信号差为满量程的1/216时，dr是探测器可以解析的最小位移

当环形光斑照射在fqd的光敏表面上时，每个象限产生的光电流与接收到的光功率成正比，即

由式(10)和式(12)得四象限的输出值x为

则θ可表示为

实施例：

实验系统的额定电流为300a；采用单横模ld光源，工作波长为808nm；采用lpvis050偏振片，波长范围为550-1500nm；采用bi-gd-yig磁光薄膜，厚度为400um，费尔德常数为1.5deg/cm.oe；采用gbe05-b扩束器，波长范围为650-1050nm；采用的牛顿环的圆环内径为8mm，外径为16mm，光栅周期为150nm，厚度为100nm，占空比为0.5；采用osq100-ic四象限探测器，波长范围为400-1100nm。

通过nt700电子式互感器校验仪对本发明进行对比测量，结果如表1所示，满足0.2级电子式电流互感器准确度要求。

表1基本准确度实验数据

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。