光电子互感器

4 电子传感器原理

Rogowski线圈电流传感器

       早在1912年，洛高夫斯Rogowski基通过对电力系统测量的研究，发明了洛高夫斯基线圈测量原理。洛高夫斯基线圈是一个均匀缠绕的线圈，它具有一个非磁性的芯，最基本形状是一个环形的空气芯线圈，现在有人把它叫作洛高夫斯基线圈，有人叫作空心线圈，也有一些文章中叫作微分电流传感器。{dy}种称呼是尊重它的发明人Rogowski，写出来比较神秘而且洋气，可以吓唬人，第二种叫法是突出它的结构特点，比较通俗，一看就“档次”不够高，第三种则是表明它的原理特点，好象是有点学问的样子。下面的叙述就采用洋气点的。

      Rogowski线圈由导线绕在非磁性骨架上构成（μ=μ_n）。线圈放在一次导体的周围，一次导体的电流测量如图所示。

Rogowski线圈的输出电压正比于被测电流随时间的变化率。若线圈的匝数密度n及截面积S均匀，Rogowski线圈输出的信号e与被测电流i有如下关系：

       e(t)=-(dΦ/dt)=-μ₀nS·(di/dt)

Rogowski线圈由于采用非磁性的线圈芯，故没有任何非线性饱和效应。它允许隔离的电流测量，并具有较宽的带宽，{zd0}可达1兆赫兹，比较适合现在基于小波理论的微机保护，如行波测距、无通道保护等等。正是因为这个di/dt，所以才有人将它称作微分传感器。

      Rogowski线圈没有饱和问题，自然就具有良好的线性特性，且体积小而轻，可以认为是理想的电流传感器，我国目前的研究大多集中于此。但是由于Rogowski线圈的灵敏度正比于线匝面积和线匝密度，当环境温度变化时，骨架、铜线的热胀冷缩效应导致线圈几何参数变化，进而改变输出电压，影响测量精度。Rogowski线圈在工作中也会受到外界电磁场的干扰。

Faraday磁光效应电流传感器

      这种光学电流传感器是利用法拉第Faraday磁光效应测量电流的，如图所示。

      LED(发光二极管)发出的光经起偏器后为一线偏振光，线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。据法拉第磁光效应及安培环路定律可知，线偏振光旋转的角度θ与载流导体中流过的电流i有如下关系：

式中，V 为磁光材料的Verdet常数。角度θ与被测电流i成正比，利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流i。它的好处是传输和接收都只用光纤，不需要铜线，也不需要工作电源。

      这种原理最主要的影响是双折射效应，对光学电流传感器的影响主要是使入射到磁光材料的线性偏振光变成椭圆偏振光，从而使检偏器的输出光强度变化不与被测电流成正比。这大大影响了光学电流传感器的灵敏度和测量精度。为了提高光学电流传感器的测量精度和灵敏度，应该对产生双折射效应的途径进行具体的研究，从而找到相应的解决办法。

Pockels电光效应电压传感器

      光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的，如图所示。

      LED发出的光经起偏器后为一线偏振光，在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射，双折射两光束的相位差δ与外加电压V有如下关系：

式中，n₀为BGO的折射率；γ₄₁为BGO的电光系数；l为BGO中光路长度；d为施加电压方向的BGO厚度；λ为入射光波长；V_π为晶体的半波电压。相位差δ与外加电压V成正比，利用检偏器将相位差δ的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。与Faraday磁光效应一样，它的优点是传输和接收都只用光纤，不需要铜线，也不需要工作电源。

     影响光学电压互感器温度稳定性的关键原因是BGO电光晶体存在实际上的温度双折射。理论上纯净的BGO晶体没有温度双折射现象，但实际的BGO晶体提拉不纯，内含杂质，以及加工过程中存在残余应力。双折射在整个晶体内是随机分布的，并对温度敏感。当温度变化时，光纤电压传感器的输出就会发生变化，产生严重的非线性失真，使电压测量精度下降。因此，必须采取有效措施，抑制温度的影响。

研发思路：

      对于光电子互感器的研究开发和产品化，我已经有了比较实用的方案和思路，其传感器难点问题已经解决，现在面临的问题是做出什么样的产品，怎样市场化？谁领跑？