不均匀磁场磁致旋光效应及其电流传感技术研究

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1、博士学位论文不均匀磁场磁致旋光效应及其电流传感技术研究THEORETICALRESEARCHONMAGNETOOPTICALROTATIONEFFECTININHOMOGENEOUSMAGNETICFIELDANDAPPLICATIONTOOPTICALCURRENTSENSINGTECHNOLOGY肖智宏哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TM451学校代码：10213国际图书分类号：621.31密级：公开工学博士学位论文不均匀磁场磁致旋光效应及其电流传感技术研究博士研究生：肖智宏导师：郭志忠教授申请学位：工学博士学科：电力系统及其自动化所在单位：电气

2、工程及自动化学院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM451U.D.C:621.31DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHEORETICALRESEARCHONMAGNETOOPTICALROTATIONEFFECTININHOMOGENEOUSMAGNETICFIELDANDAPPLICATIONTOOPTICALCURRENTSENSINGTECHNOLOGYCandidate：XiaoZhihongSupervisor：Prof.GuoZhizhong

3、AcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PowerSystemandAutomationAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要光学电流互感器在原理上测量准确、天然绝缘，是公认的高品质电子式电流互感器。在世界范围长达半个多世纪的共同努力下，光学电流传感技术取得了重大的实用化突破，光学

4、电流互感器已经挂网运行，但测量精度和运行可靠性尚未达到预期，距普及应用尚有差距。为进一步推进实用化进程，高精度的光学电流传感技术不仅需要解决抗外部磁场干扰问题，还需要解决本体不均匀磁场传感问题。本文以提高光学电流传感技术的测量精度为目标，围绕不均匀磁场磁致旋光效应的不等价非互易现象，开展感应不均匀传感理论与电流测量技术研究工作。论文的主要研究成果如下。首先，实验发现与探究了法拉第磁致旋光效应的“等价非互易性破缺现象”。不均匀磁场空间分布环境下，直通式光学电流传感单元水平位置通光对调前后，输出光强感应分量不相同，出现了“等价非互易性破缺现象”。常规法拉第磁致旋光效应

5、理论无法解释这种等价非互易的“破缺”现象。随后的反复实验证实了“等价非互易性破缺现象”的真实性。表明客观上法拉第磁致旋光效应存在不等价非互易现象，原因是不均匀分布的磁场。其次，建立了感应不均匀介质微元相移模型。空间分布不均匀的磁场是一种不均匀物理场。不均匀物理场产生的感应张量沿光程分布不均匀。采用三元参数微元琼斯矩阵刻画这种不均匀性，形成了感应不均匀介质的微元相移模型与级联琼斯矩阵模型。感应不均匀介质微元级联琼斯矩阵的非对角元素是实部、虚部兼有的复数，具有四元参数属性。复数型非对角元素完好解释了法拉第磁致旋光效应的不等价非互易现象。第三，提出了完备的感应不均匀介质

6、琼斯矩阵与光路模型体系。微元级联琼斯矩阵存有冗余。采取本征分析的数学手段，对微元级联琼斯矩阵进行酉变换，得到以介质感应角、介质相移差和介质不均匀角为基本物理参量的感应不均匀介质三元参数琼斯矩阵模型。与以往的二元参数琼斯矩阵不同，三元参数模型出现了刻画不均匀物理场作用的新物理参量：介质不均匀角。基于三元琼斯矩阵，形成了由介质张量、琼斯矩阵、光矢量方程和光强公式组成的感应不均匀介质光路模型体系。第四，揭示了不等价非互易法拉第磁致旋光效应的机理。指出介质不均匀角是互易物理量，是法拉第磁致旋光效应表现为不等价非互易性的关键。不均匀磁场产生的互易介质不均匀角，致使感应不均匀

7、磁光介质的介质张量、琼斯矩阵、光矢量方程和输出光强感应分量等都具有了不等价非互易性，从而出现-I-摘要了“等价非互易性破缺现象”。指出不等价非互易法拉第磁致旋光效应光路感知的是等值磁场，即不均匀磁场沿光程的加权积分。最后，形成了等价非互易光学电流传感技术。利用互易物理量具有正反向传输合成为零的特征，采取全反射技术，以直通式光学电流传感单元正反向传输复用为手段，形成了具有等价非互易属性的光学电流传感技术。研制了等价非互易光学电流互感器。试验结果表明，研制的光学电流互感器屏蔽了磁场不均匀性对测量精度的影响，具有测量准确和运行可靠的优点，具备了挂网运行的条件。关键词：磁

8、致旋光效应