一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电流测量技术领域，具体地说是一种利用磁光材料测量导体电流的装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 电流测量，尤其是大电流测量，是电力系统、供电系统和大型生产企业在电力保障 方面的一项重要工作。目前该领域普遍采用的是电磁式互感测量方式，运种方式的测量技 术非常成熟，但存在着一些严重的缺点：一、设备笨重（因为存在线包和铁忍）；二、在互感过 程中耗能高;Ξ、为了防止过热，需要将设备发热部分浸入到油中，带来极大的公共安全及 正常生活秩序的隐患。
[0003] 近些年，采用光传感技术进行电流测量日益受到重视。目前主流技术是利用法拉 第磁光效应。利用法拉第磁光效应测电流又分为两类，一类是采用光纤环绕在电流导体的 周围，通过测量电流产生的磁感应强度，从而实现电流的测量;另一类是采用磁光材料，将 磁光材料放在导体附近，通电导体产生的磁场会改变通过磁光材料的光的偏振态，通过测 量光的偏振态随着磁场的变化情况，实现对导体的电流测量。
[0004] 如图1所示，图1是采用磁光材料测量导体电流的原理图。当一束偏振光通过一个 处于磁场当中的磁光材料时，其偏振方向由于法拉第磁光效应而发生改变，在磁光材料长 度一定的情况下，偏振方向改变的角度β随磁感应强度B的增加而增加。而在导体中有电流 通过的时候，在导体周边就会产生随着电流的增加而增加的磁场，利用图1长度为D的磁光 材料，通过测量偏振光由于磁场变化产生的偏转角度，从而计算出导体中的电流强度。
[0005] 在使用磁光材料测量导体电流的系统上，磁光材料作为一种传感介质，通常是将 其放置在导体附近或者紧贴导体，从而实现电流测量。如图2所示，图2中示出了磁光材料、 导体、光输入和光输出路径(光输入和光输出路径均采用光纤来实现)等的侧视图（图2(a)) 及端视图（图2(b))。
[0006] 前普遍采用的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图如图3所示。其中光源产 生一束光，通过一个起偏器变成偏振光，再通过放置在电流导体下图示中图4~图11所 示的导体均为导体横截面)附近的磁光材料，由于电流磁场的作用，磁光材料使得通过的 偏振光的偏振方向发生偏转，在另一端输出的光就是一个与之前输入偏振光偏振方向不 一致的偏振光。运个输出偏振光再通过一个检偏器(或叫偏振片，运个检偏器的偏振化方 向是已知的，比如和前面的起偏器的偏振化方向一致）；运时候通过检偏器的光强就会减 弱，因为光的偏振方向发生了偏转，只有平行于检偏器偏振轴方向的偏振光分量能够通 过。而且电流越大周边磁场越强，磁光材料对通过的偏振光偏振方向的偏转就越大，通过 检偏器的光强就越小（运里选定磁光材料使偏振光偏振方向发生偏振的偏转角不超过 90° )。使用一个光探测器接收检偏器的输出光，并产生一个电信号，通过一个信号处理电 路与光源输出光光强进行比较、计算即可测出电流导体中的电流强度。
[0007] 图4是在图3基础上改进的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图，其中光源发 出的光经过起偏器变成偏振光w后进入磁光材料，在导体电流产生的磁场作用下，通过磁 光材料的偏振光的偏振方向发生偏转，之后进入一个偏振分束器，被分束成两束偏振方向 相互垂直的偏振光。通过测量运两束偏振光的光强并进行比较，即可计算出磁光材料对光 的偏振程度，从而计算出电流强度。比如偏振分束器的一个偏振轴a与起偏器的偏振化方向 一致，那么在接收到通过磁光材料的受磁场影响发生偏转的偏振光时，随着磁场的增强，通 过偏振轴a的光强度就会减小，通过偏振分束器另外一个偏振轴b的光强就会增强。图4所示 系统与图3相比的区别在于，只需要比较偏振分束器两个输出光的光强大小即可测量电流， 而最重要的是运种系统不受光源输出功率波动和传输过程中光衰减的影响。
[0008] 但是，在放置磁光材料过程中，通常磁光材料相对于导体的位置会有不确定性。比 如电流导体会有不同厚度的外包绝缘层;或者由于安装条件限制，测量电流用的探头无法 紧贴导体等；另一个位置不确定性的重要来源是在实际使用中不可避免的机械震动。磁光 材料是通过感受导体周边磁感应强度来测量电流的，而导体周边的磁场，是随着距离导体 的位置而有变化的，距离导体越近，磁感应强度越大，距离越远，磁感应强度越小。运种情况 就为采用磁光材料测量导体电流带来了不便，会因为磁光材料与导体之间位置的微小变化 而产生测量误差。因此，磁光材料与导体之间位置的不确定性是采用非环绕磁光材料测量 导体电流形成测量误差的最重要来源之一。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的之一就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的方法，该方法能够 在磁光材料摆放距离不受限制的情况下准确测量导体的电流。
[0010] 本发明的目的之二就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的装置，采用该装置 测量导体电流，可消除现有技术中由于磁光材料与导体之间位置距离的不确定性而造成的 测量误差。
[0011] 本发明的目的之一是运样实现的：一种利用磁光材料测量导体电流的方法，包括 如下步骤：
[0012] a、使第一磁光材料和第二磁光材料分别相对导体而放置，且两个磁光材料的相对 位置固定，第一磁光材料距导体的距离小于第二磁光材料距导体的距离；
[0013] b、设置光源;使光源发出的光转变为两束偏振光，分别为第一偏振光和第二偏振 光;使第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料；
[0014] C、测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角&， 测量第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角
[0015] d、根据如下公式计算导体内的电流：
[0016]
[0017]上述公式中，μ〇为真空磁导率，A R为两个磁光材料之间的距离，Vi和D汾别为第一 磁光材料的维尔德系数和长度，V2和化分别为第二磁光材料的维尔德系数和长度，θι为导体 内电流在第一磁光材料处产生的磁场的方向与第一偏振光在第一磁光材料内的传输方向 之间的夹角，θ2为导体内电流在第二磁光材料处产生的磁场的方向与第二偏振光在第二磁 光材料内的传输方向之间的夹角。
[0018] 本发明通过设置两个相对放置的磁光材料(例如为磁光晶体或磁光玻璃等)来同 时作为电流传感器件，测量导体电流过程中，保证两个磁光材料的相对位置固定不变，W使 两个磁光材料内传输光路距导体中屯、的距离差A R固定不变;两个磁光材料距离导体的位 置没有特别限制，可W近些，也可W稍远些;两个磁光材料距离导体一远一近，如图5~图8 所示，一个磁光材料内传输光路距导体中屯、之间的距离为Ri，另一个磁光材料内传输光路 距导体中屯、的距离为R2，且Ri<R2，Ri+ Δ R = R2。使每一个磁光材料内通入一束偏振光，由于 法拉第效应，偏振光在经过磁光材料后偏振方向发生了偏转，偏振方向改变的角度正比于 磁感应强度。由于两个磁光材料距导体的距离不同，因此两个磁光材料处的磁感应强度不 同，故两束偏振光通过两个磁光材料后偏振方向改变的角度不同。本发明通过分别测量两 束偏振光通过各自对应的磁光材料后偏振方向改变的角度&和阮(偏振方向改变的角度可 根据光强的变化而求出），再根据公式
即可求出 导体内的电流。公式中：Vi和V2分别为两个磁光材料的维尔德系数，Di和化分别为两个磁光 材料的长度，θι和θ2分别为两个磁光材料内的光传输方向与导体内电流在各自磁光材料处 产生的磁场方向之间的夹角；在测量电流过程中，￥1、￥2、〇1、〇2、01和02运些参数都是已知或 可测量的，因此，通过上述公式就能计算出导体的电流。且上述计算公式中不设及磁光材 料与导体之间的距离，因此，测量过程中不受两个磁光材料摆放位置的限制，消除了现有技 术中因为磁光材料与导体之间位置的不确定性而造成的测量误差。
[0019] 本发明的目的之二是运样实现的:一种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括：
[0020] 第一磁光材料；
[0021] 第二磁光材料;所述第二磁光材料和所述第一磁光材料的相对位置固定，且所述 第一磁光材料距导体的距离小于所述第二磁光材料距导体的距离；
[0022] 光源，用于产生一束测量光；
[0023] 偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光，两束 偏振光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料；
[0024] 第一检偏器，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光；
[00巧]第二检偏器，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光；
[00%] 第一光探测器，用于接收来自所述第一检偏器的检偏输出光，并产生一个第一电 信号；
[0027] 第二光探测器，用于接收来自所述第二检偏器的检偏输出光，并产生一个第二电 信号；W及
[0028] 信号处理电路，分别与所述第一光探测器和所述第二光探测器相接，用于接收所 述第一电信号和所述第二电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
[0029] 上述装置中，所述偏振分束单元包括起偏器和分束器;所述起偏器用于接收所述 光源产生的测量光并输出一束偏振光，所述分束器用于将来自所述起偏器的一束偏振光分 束为两束偏振光。
[0030] 上述装置中，所述偏振分束单元包括分束器、第一起偏器和第二起偏器;所述分束 器用于将所述光源产生的一束测量光分束为两束测量光;所述第一起偏器用于接收来自所 述分束器的其中一束测量光并输出一束偏振光，所述第二起偏器用于接收来自所述分束器 的另一束测量光并输出一束偏振光。
[0031] 上述装置中，所述偏振分束单元为偏振分束器，所述偏振分束器用于将所述光源 产生的一束测量光分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光。
[0032] 本发明还提供了另一种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括：
[0033] 第一磁光材料；
[0034] 第二磁光材料;所述第二磁光材料和所述第一磁光材料的相对位置固定，且所述 第一磁光材料距导体的距离小于所述第二磁光材料距导体的距离；
[0035] 光源，用于产生一束测量光；
[0036] 偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光，两束 偏振光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料；
[0037] 第一偏振分束器，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束偏 振方向相互垂直的偏振光；
[0038] 第二偏振分束器，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束偏 振方向相互垂直的偏振光；
[0039] 第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第一偏振分束器的两束偏 振光，并分别产生第一电信号和第二电信号；
[0040] 第Ξ光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第二偏振分束器的两束偏 振光，并分别产生第Ξ电信号和第四电信号；W及
[0041] 信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第Ξ光探测器 和所述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第Ξ电信号和 所述第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
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