ZF-7玻璃线性双折射对光学电流传感器输出性能的影响

论文摘要

线性双折射是制约光学电流传感器实用化的重要因素之一,光学玻璃电流传感器相较于全光纤型光学电流传感器,可以在很大程度上降低线性双折射对系统的不良影响,但依然无法完全克服。考虑到目前绝大多数光学玻璃电流传感头系用ZF-7玻璃制成,故本文以“ZF-7玻璃线性双折射对光学电流传感器输出性能的影响”为中心,详尽的推导出了单环路光学玻璃电流传感器、法拉第镜式折返光路光学玻璃电流传感器、直接反射式折返光路光学玻璃电流传感器以及屋脊棱镜式折返光路光学玻璃电流传感器四种系统的输出对线性双折射依赖关系的表达式,给出了相应的计算曲线,并对其进行了比较与分析。结果表明:在入射光以0°,45°,90°…起偏的情况下,以现有单环路光学玻璃电流传感器系统为基准,法拉第镜式折返光路光学玻璃电流传感器传感方案可在不加大线性双折射对系统影响的前提下,将系统灵敏度提高一倍;直接反射式折返光路光学玻璃电流传感器传感方案在提高系统灵敏度的同时也将增大线性双折射对系统的影响;而屋脊棱镜式折返光路光学玻璃电流传感器传感方案对系统灵敏度的改变程度依赖于系统中存在的线性双折射的大小:当线性双折射为零时,系统输出也为零;当线性双折射增大时,在系统输出随之增大、灵敏度相应提高的同时,稳定性将随之变差。这一结论从理论上否定了由Laming等提出的并在业界广为流传的“光纤电流传感器或光学玻璃电流传感器可通过折返式光路设计消除线性双折射对系统的影响,同时使Faraday效应加倍”这一未曾提供理论依据的说法。鉴于折返光路的传感方案只能不同程度地改变系统灵敏度而不能彻底抑制线性双折射对系统的影响这一结果,课题组抛却了光学玻璃传感头,提出了利用法拉第镜作为一次传感元件的正交共轭反射光学电流传感器设计方案。本论文推导出了该方案系统输出对线性双折射依赖关系的表达式,并给出了相应的计算曲线。结果表明:当入射光以0°,45°,90°…起偏的情况下,正交共轭反射光学电流传感器系统的输出受到法拉第镜预偏振角以及线性双折射的双重影响,两者均可在不同程度上影响系统输出特性曲线的斜率以及截距。希望此研究结果能为正在探索如何改进传感头设计以进一步抑制线性双折射对系统影响的同行们提供相应的理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究光学电流互感器的意义
• 1.2 光学电流传感技术的发展现状及存在问题
• 1.2.1 全光纤型电流传感器
• 1.2.2 光学玻璃电流传感器
• 1.2.3 其他型
• 1.2.4 新型光学电流传感器
• 1.3 本论文选题的意义和内容
• 第2章 光学电流传感器原理及研究偏振系统的数学工具
• 2.1 光学电流传感器原理
• 2.2 研究偏振系统所用的数学工具
• 2.2.1 琼斯矩阵介绍
• 2.2.2 常用光学元器件及其琼斯矩阵
• 2.3 本章小结
• 第3章 线性双折射对单环路光学玻璃电流传感器的影响
• 3.1 单环路光学电流传感器系统琼斯矩阵
• 3.2 单环路光学电流传感器的输出特性
• 3.3 单环路光学电流传感器输出特性计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 线性双折射对折返光路光学玻璃电流传感器的影响
• 4.1 线性双折射对法拉第镜式光学电流传感器输出的影响
• 4.1.1 法拉第镜式光学电流传感器系统琼斯矩阵
• 4.1.2 法拉第镜式光学电流传感器的输出特性
• 4.1.3 法拉第镜式光学电流传感器输出特性计算
• 4.1.4 结论
• 4.2 线性双折射对直接反射式光学电流传感器输出的影响
• 4.2.1 直接反射式光学电流传感器系统琼斯矩阵
• 4.2.2 直接反射式光学电流传感器的输出特性
• 4.2.3 直接反射式光学电流传感器输出特性计算
• 4.2.4 结论
• 4.3 线性双折射对屋脊棱镜式光学电流传感器输出的影响
• 4.3.1 屋脊棱镜式光学电流传感器系统琼斯矩阵
• 4.3.2 屋脊棱镜式光学电流传感器的输出特性
• 4.3.3 屋脊棱镜式光学电流传感器输出特性计算
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 线性双折射对光学玻璃电流传感器影响的比较
• 5.1 理想情况（线性双折射为零）时各系统的输出比较
• 5.2 非理想情况（线性双折射不为零）时各系统的输出比较
• 5.3 分析讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 线性双折射对正交共辆反射光学电流传感器的影响
• 6.1 正交共轭反射光学电流传感器系统琼斯矩阵
• 6.2 正交共轭反射光学电流传感器的输出特性
• 6.3 正交共轭反射光学电流传感器输出特性计算
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历