CN109521243A - 基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法 - Google Patents

基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，属于电力系统电流测量技术领域。由光源、偏振片、磁光晶体、扩束镜、圆锥布儒斯特棱镜、CCD图像传感器组成。圆锥布儒斯特棱镜是由两种折射率不同的介质堆叠形成的圆锥结构。其锥角经过特殊设计，使得水平入射光的入射角等于布儒斯特角。入射光通过该棱镜后，角向偏振分量几乎完全反射，透射光中仅含有径向偏振光。圆锥布儒斯特棱镜可以将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑。其暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直。通过定位暗纹，可对磁光薄膜的法拉第旋转角进行线性测量，且测量结果与光功率无关。

Description

基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法
技术领域
本发明涉及电力系统电流测量技术领域，特别涉及一种基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，采用圆锥布儒斯特棱镜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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于圆锥布儒斯特棱镜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，圆锥布儒斯特棱镜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CCD图像传感器定位暗纹，可对磁光薄膜的法拉第旋转角进行线性测量。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，包括用于产生线偏振光源的光源1和偏振片2、将待测磁场的大小转换为线偏光偏振面旋转的角度的磁光薄膜3、用于放大光束的截面的扩束镜4、将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑的圆锥布儒斯特棱镜5、CCD图像传感器6，所述光源1设置在偏振片2的一侧，磁光薄膜3设置在偏振片2的另一侧，扩束镜4置于磁光薄膜3和圆锥布儒斯特棱镜5之间，CCD图像传感器6设置在圆锥布儒斯特棱镜5的另一侧；所述光源1发出的光束经过偏振片2后得到线偏振光，偏振面平行于竖直方向；通过磁光薄膜3后，线偏振光偏振面发生旋转，旋转角度正比于磁场大小；线偏振光经过扩束镜4扩束后，经过圆锥布儒斯特棱镜5形成具有暗纹的圆形光斑；通过CCD图像传感器6检测圆形光斑中的暗纹的方向，实现对线偏振光偏振面的旋转角度的测量，从而得到待测电流。
所述的暗纹的方向与线偏振光的偏振面方向垂直。
所述的圆锥布儒斯特棱镜5是由两种折射率不同的介质，即第一种介质7和第二种介质8堆叠形成的圆锥结构，所述第一种介质7、第二种介质8的界面层数一致，且层数越高，角向偏振分量的透射率越低；圆锥锥角为2(90°-θb)，θb为第一种介质7、第二种介质8的布儒斯特角；水平入射光经过圆锥布儒斯特棱镜5后，出射光仅含有径向偏振分量，角向偏振分量完全反射，即光以水平方向入射时，入射角θi等于θb。
所述的第一种介质7、第二种介质8为透明的光学介质。
本发明的有益效果在于：
通过圆锥布儒斯特棱镜将法拉第旋转角转换为光斑的同步旋转，并通过CCD图像传感器检测光斑信号，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。
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、图3为本发明的圆锥布儒斯特棱镜的示意图；
图4为光强分布计算坐标图。
图中：1、光源；2、偏振片；3、磁光薄膜；4、扩束镜；5、圆锥布儒斯特棱镜；6、CCD图像传感器；7、第一种介质；8、第二种介质。
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4所示，本发明的基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，包括用于产生线偏振光源的光源1和偏振片2、将待测磁场的大小转换为线偏光偏振面旋转的角度的磁光薄膜3、用于放大光束的截面的扩束镜4、将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑的圆锥布儒斯特棱镜5、CCD图像传感器6，所述光源1设置在偏振片2的一侧，磁光薄膜3设置在偏振片2的另一侧，扩束镜4置于磁光薄膜3和圆锥布儒斯特棱镜5之间，CCD图像传感器6设置在圆锥布儒斯特棱镜5的另一侧；所述光源1发出的光束经过偏振片2后得到线偏振光，偏振面平行于竖直方向；通过磁光薄膜3后，线偏振光偏振面发生旋转，旋转角度正比于磁场大小；线偏振光经过扩束镜4扩束后，经过圆锥布儒斯特棱镜5形成具有暗纹的圆形光斑；通过CCD图像传感器6检测圆形光斑中的暗纹的方向，实现对线偏振光偏振面的旋转角度的测量，从而得到待测电流。
所述的暗纹的方向与线偏振光的偏振面方向垂直。
所述的圆锥布儒斯特棱镜5是由两种折射率不同的介质，即第一种介质7和第二种介质8堆叠形成的圆锥结构，堆叠方式如附图2所示，所述第一种介质7、第二种介质8的界面层数一致，且层数越高，角向偏振分量的透射率越低；圆锥锥角为2(90°-θb)，θb为第一种介质7、第二种介质8的布儒斯特角；水平入射光经过圆锥布儒斯特棱镜5后，出射光仅含有径向偏振分量，角向偏振分量完全反射，即光以水平方向入射时，入射角θi等于θb。
所述的第一种介质7、第二种介质8为透明的光学介质。
本发明的圆锥布儒斯特棱镜的测量原理是：
圆锥布儒斯特棱镜由两种折射率不同的介质堆叠形成，其剖面图如图2所示，其锥角等于2(90°-θb)。光以水平方向入射时，其入射角θi等于布儒斯特角θb，如图3所示。径向偏振光的偏振方向平行于入射面，以双箭头线段表示；角向偏振光的偏振方向与入射面垂直，以圆点表示。根据布儒斯特定律，入射光通过一层介质界面后，径向偏振光的反射率为0，而部分角向偏振光被反射。经过多层界面后，角向偏振分量几乎完全反射，透射光中仅含有径向偏振光。
根据菲涅尔公式，可以计算出圆锥布儒斯特棱镜对径向和角向偏振光的透射率和反射率。令入射角为θi，折射角为θt，两种介质的折射率分别为n1和n2。入射光通过一层介质界面后，径向偏振光和角向偏振光的反射率为
布儒斯特角的计算公式为
当入射光以布儒斯特角θb入射时，反射角与折射角的夹角为90度，则满足
将式(3)代入式(1)，可求得单层界面的反射率为
透射率为
若入射光经过N层界面，则两种偏振光的透射率为：
设折射率n1＝1.46，n2＝2.15，界面层数N＝8。根据式(2)计算θb为55.8度，则锥角为68.4度。经过单次界面的角向透射率为0.8640，经过8次界面后的角向透射率为0.3105。表1列出了角向透射率与层数的关系。
表1角向透射率与层数的关系
N 10 20 30 40 50
T<sub>Φ</sub> 0.2318 0.0537 0.0125 0.0029 6.69E-4
圆锥棱镜在自身径向角向坐标系下的琼斯矩阵为：
由式(6)可知，径向偏振分量的透射率为1，而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，圆锥棱镜的琼斯矩阵为：
其中为光斑的方位角，且
如附图1所示，本发明的光源1的一侧依序设置偏振片2、磁光薄膜3、扩束镜4、圆锥布儒斯特棱镜5及CCD图像传感器6，所述光源1发出的光束经过偏振片2后得到线偏光，偏振面平行于竖直方向；通过磁光薄膜3后，线偏光偏振面发生旋转，旋转角度正比于磁场大小；线偏光经过扩束镜4扩束后，经过圆锥布儒斯特棱镜5形成具有暗条纹的圆形光斑；通过CCD图像传感器6检测圆形光斑中的暗条纹的方向，实现对线偏光偏振面的旋转角度的测量，从而得到待测电流。
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
经过圆锥布儒斯特棱镜后，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。因此，通过CCD图像传感器检测光斑暗纹的位置即可确认方位角即可得到θ。根据法拉第磁光效应，待测磁场H与θ可通过式(11)进行计算：
θ＝VHl (13)
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。
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；采用的圆锥布儒斯特棱镜的两种介质折射率分别为1.46和2.15，界面层数为20，则角向偏振光的透射率为0.0537；采用的DALSA出产的CCD图像传感器，型号为S3-20-02K40。
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0.5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。

Claims (4)

1.一种基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，其特征在于：包括用于产生线偏振光源的光源（1）和偏振片（2）、将待测磁场的大小转换为线偏光偏振面旋转的角度的磁光薄膜（3）、用于放大光束的截面的扩束镜（4）、将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑的圆锥布儒斯特棱镜（5）、CCD图像传感器（6），所述光源（1）设置在偏振片（2）的一侧，磁光薄膜（3）设置在偏振片（2）的另一侧，扩束镜（4）置于磁光薄膜（3）和圆锥布儒斯特棱镜（5）之间，CCD图像传感器（6）设置在圆锥布儒斯特棱镜（5）的另一侧；所述光源（1）发出的光束经过偏振片（2）后得到线偏振光，偏振面平行于竖直方向；通过磁光薄膜（3）后，线偏振光偏振面发生旋转，旋转角度正比于磁场大小；线偏振光经过扩束镜（4）扩束后，经过圆锥布儒斯特棱镜（5）形成具有暗纹的圆形光斑；通过CCD图像传感器（6）检测圆形光斑中的暗纹的方向，实现对线偏振光偏振面的旋转角度的测量，从而得到待测电流。
2.根据权利要求1所述的基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，其特征在于：所述的暗纹的方向与线偏振光的偏振面方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，其特征在于：所述的圆锥布儒斯特棱镜（5）是由两种折射率不同的介质，即第一种介质（7）和第二种介质（8）堆叠形成的圆锥结构，所述第一种介质（7）、第二种介质（8）的界面层数一致，且层数越高，角向偏振分量的透射率越低；圆锥锥角为，为第一种介质（7）、第二种介质（8）的布儒斯特角；水平入射光经过圆锥布儒斯特棱镜（5）后，出射光仅含有径向偏振分量，角向偏振分量完全反射，即光以水平方向入射时，入射角等于。
4.根据权利要求3所述的基于圆锥布儒斯特棱镜实现的电流测量方法，其特征在于：所述的第一种介质（7）、第二种介质（8）为透明的光学介质。
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