测量脉冲大电流的集成光波导电流传感器研究

论文摘要

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是现代科技的开路先锋。随着现代测量、控制和自动化技术的发展,传感器在各个领域中的作用日益显著,并成为决定系统质量的关键性器件。以晶体材料为基底制作的各类波导光学器件在通信与光信息处理方面有着蓬勃的发展,光波导传感器是其中一个重要的分支部分,由于它独特的优势,不仅在光纤通信与传感方面获得了应用,在应力、压力、温度、电流和化学气体传感方面的应用也越来越广泛。本论文就是研究集成光波导传感器在高压电力系统中大电流测量方面的工作。电力工业是我国经济建设的基础工业,在国民经济中占有举足轻重的地位,随着经济的迅速发展,对电需求日益扩大。特别是向高电压大电流发展,传统的充油式电流互感器已经不能很好地适应工业发展需要,因而国内外都致力于研制价格低、结构简单、安全可靠的新型高压电流测试系统。研究光学混合型电流传感器就是一种很好的选择。本文研究的混合型光学传感器有两部分组成,一是Rogowski线圈电路,另一部分是Mach-Zehnder干涉型光波导调制器,Rogowski线圈电路的输出端连接到光波导调制器的电极上。Rogowski线圈套在被测的大电流导体周围,线圈感应的电压与被测电流成线性关系,然后电压作用到调制器的电极上对入射的激光信号进行调制,输出端连接光电二极管进行接收,由得到的输出光功率可以分析导体中的被测大电流的特性,这就是光波导电流传感器的基本原理。对于Rogowski线圈,分析了矩形和圆形截面两种结构,分别得出了线圈中感应电压和被测电流的比例系数,也就是互感系数的计算公式。针对不同的电压和电流关系研究了简单电路结构和积分电路结构两种等效电路,分析了电路的稳态和瞬态响应,得出了他们适用于不同的测量情况。选取适当的电流和频率大小对给定参数的电路模型做了仿真分析,结果与分析完全符合。另一部分Mach-Zehnder干涉型光波导调制器则首先分析了它的基本原理,进而引出了所设计的光波导电流传感器的原理,推导出了被测电流和光波导的输出光功率的理论计算公式,同时分析了采用折射率非对称结构来实现相位偏置,仿真得出的偏置相位是76.93°,基本符合要求,得出输出光功率与被测电流近似成线性关系。随后介绍了整个系统的连接,分析了调制器的参数,对系统的灵敏度和频率特性做了分析计算,最后使用仿真软件模拟电极上的电压对调制器进行分析,仿真结果验证了前面理论推导的正确性。本文主要对光波导型电流传感器进行了理论计算与设计,对使用的结构分别进行了分析与仿真,得到了适合于高压环境中脉冲大电流的测量,测量范围为10 A到8000 A,频率范围为0 Hz到5000 Hz。为下一步进行实验研究提供了依据,这些研究结果具有重要的理论与实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 脉冲大电流的测量
• 1.2 集成光波导传感器
• 1.3 基于Rogowski线圈的电流互感器
• 1.4 基于Rogowski线圈的光电电流传感器的发展动态
• 1.5 本论文的主要工作及结构安排
• 第二章 集成光波导电流传感器
• 2.1 引言
• 2.2 Mach-Zehnder铌酸锂电光调制器的基本原理
• 2.2.1 电光调制器的线性电光效应
• 2.2.2 电光调制器的晶体切向选取
• 2.2.3 M-Z型电光调制器的基本原理
• 2.3 集成光波导电流传感器的基本原理
• 2.4 电流传感器的偏置
• 2.4.1 偏置问题
• 2.4.2 折射率非对称M-Z结构设计与仿真
• 第三章 Rogowski线圈的基本理论
• 3.1 Rogowski线圈与传统电流互感器的比较
• 3.2 Rogowski线圈的基本原理
• 3.2.1 圆形截面Rogowski线圈传感原理分析
• 3.2.2 矩形截面Rogowski线圈传感原理分析
• 3.3 Rogowski线圈传感头电路分析
• 3.4 Rogowski线圈测量电流的基本形式
• 3.4.1 简单的Rogowski线圈等效电路
• 3.4.2 带积分环节的Rogowski线圈等效电路
• 3.5 Rogowski线圈测量电流的仿真分析
• 3.5.1 采用简单等效模型
• 3.5.2 采用积分等效模型
• 3.6 屏蔽问题
• 第四章 系统的仿真设计
• 4.1 系统的连接
• 4.2 调制器参数选取
• 4.3 灵敏度分析
• 4.4 电极的频率响应
• 4.5 量程范围
• 4.6 系统分析
• 4.7 调制器的仿真分析
• 4.8 总结分析
• 第五章 全文总结及展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表论文