光纤直接雷电测量技术研究

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1、1.3.2光纤电流传感器研究现状光源调制器入射光纤出射光纤输出光谱、化偏振态学、荧光、多普勒强度遮挡射线等图1.2光纤传感器原理图[3][11][12][14]光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤通信技术的发展而产生的一种新技术，与传统的传感器不同，它是在以光纤作为信息的传输媒质，光作为信息载体的一种传感器，是光纤在非通信领域的重要应用。迄今，已经证明光纤传感器可以应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、流量、浓度、PH值等70多个物理量的测量。在光纤通信技术中，人们千方百计避免光信号受外界因素的影响，千方百计

2、地使光信号不随外界因素变化，而在光纤传感器中，却正是利用这一变化，使光纤中的光波参数如光强I、频率ω,波长λ、相位φ以及偏振态等随外界被测参数变化而变化，通过检测光纤中光波参数的变化达到检测外界被测物理量的目的，其基本原理图见图1.2所示。其中光纤电流传感器是基于法拉第磁感应旋光效应来测量电流的。近三十年来国外在60年代就已经开始对光纤电流传感器进行研究。美国、日本以及西欧的一些国家的研究机构和一些电气仪器公司都在此领域做了大量工作，如美国的AT&T公司的贝尔实验室、美国国家标准和技术研究所，日本的中央研究所、NEC公司以及东芝、松下等公司，瑞典的皇家技术学

3、院等等。到80年代初期，光纤电流传感器进行工业试用阶段，研究工作主要集中在法拉第磁光材料、传感器结构、信号传输和检测电路几个方面。到80年代，光纤电流传感器的研究与应用集中于高压大电流的5测量与监控等领域。美国国家标准与技术研究所的Deeter小组长期以来一直致力于光纤电流传感器的研究，在80年代初就有产品问世，到90年代初，他们开始着手提高灵敏度和频率响应的研究。目前，国内相关电流传感技术落后于国外，国内开展此项研究工作的单位主要有：清华大学、华中科技大学、厦门大学、燕山大学和安徽大学等。这些单位的研究也都取得了一定的进展。国内的研究工作主要还是集中在原理

4、性实验性样机的实现上，包括检测方案、信号处理方面来，还真正没有触及到如何保持光纤电流传感头性能的环境稳定性问题上，在AFOCS(全光纤电流传感器)的研究上我国是远远落后于国外。由于AFOCS是OCS的最终发展趋势，因此，对AFOCS的研究很有意义。根据光纤电流传感器的发展现状以及市场需求，大电流传感应用的低成本光纤电[3][11]流传感器的技术趋势包括以下几个方面:(1)全光纤化；(2)高精度；(3)适用于较大温度范围的应用；(4)向更高的电流测量范围发展，使之能适应电力系统高压大电流传感应用的要求。1.4论文的主要工作和章节安排本文用光学方法对雷电直击电流

5、进行测量研究，涉及到多领域的相关背景知识，是光纤传感技术在雷电测量领域新应用，主要工作为根据研究对象特性，研制一套可适用于不同地区，测量雷电发生时的大电流实时测量装置。本文介绍了相关领域的基本原理如雷电形成、特性，光纤电流传感器的基本原理、分类等，对已有的各种不同光路方案进行对比分析，选定合适的光路方案，简单设计了完整的系统方案。重点对光路部分建立了数学模型，用琼斯矩阵关于器件性能的不完备因子对测量准确度的影响进行了详细的计算分析，从理论上得到了反映影响规律的曲线和典型尺度因子误差影响规律。具体章节内容安排为：(1)第2章主要对雷电流的特性进行初步研究，介绍

6、了雷电的相关基础知识，对雷电流振幅的频谱和能量的累积频谱进行分析，为确定系统设计要求，测量范围、系统6带宽和响应速度等提供理论依据。(2)第3章本章介绍了光纤电流传感器（FOCS）的理论基础，确定选用全光纤型传感头设计。对单模光纤的双折射效应和解决方案进行分析。(3)第4章结合前二章的分析和系统需求，确定了系统整体测量方案，分别对光路方案、供电方案、信号处理方案进行了简单设计。(4)第5章重点对系统光路方案进行了较深入的研究，利用琼斯矩阵建立了光路理论模型，分析了理想情况下的系统输出、分析了系统功能器件的作用和输出检测原理。(5)第6章对光路模型中的各种参量

7、对测量准确度的影响进行了仿真研究，从理论上得到了反映影响规律的曲线。讨论了系统最佳工作条件，根据系统要求提出一系列结构改进方案为后续实验平台的搭建提供参考。72雷电流的特性研究雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地的自然放电引起的，它会对建筑物或设备产生严重破坏。只有对雷电的形成过程、其放电条件及雷电流的特性有所了解，才能设计出可靠的测量装置，本章重点分析了雷电流的特性，为方案选择提供理论基础。2.1雷电的形成2.1.1积雨云的发展过程雷电是发生在雷雨云中的电学现象,雷雨云的存在是雷电发生的先决条件。产生雷电的同时还伴随着降水的雷雨云被称为积雨云。只有

8、发展成熟并伸展得很高的积雨云才有雷电现象出现。[1]