如何使用光纤作为隔离式电流传感器

看到科学家和工程师如何利用——从积极的意义上讲——有点晦涩的基本物理原理来创造创新的传感器，总是很有趣的。

例如，光纤对数据链路的有用性是众所周知的，从短距离的板间和机箱内路径到跨越数千公里的路径。它们不受EMI/RFI和外部电子影响，非常适合高干扰情况下的数据链路。但它们也被用作压力和压力传感器。

然而，光纤对永恒电磁影响的抗扰度只有在适当的环境和特殊的安排下才是正确的。有一种技术可以利用法拉第效应（是的，同样的法拉第效应），即光通过磁场时偏振状态的旋转;该磁场可由电流感应（图 1）。电流越大，磁场越大，因此极化旋转越大。迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在1845年研究磁场对平面偏振光波的影响时首次观察到了这种效应。

图1这是光纤电流传感器中由于电流通过导体而导致的光偏振旋转的表示。来源：光纤芯/人文

法拉第效应

将磁场强度与旋转角度联系起来的比例常数被称为Verdet常数，以法国物理学家Marcel Émile Verdet的名字命名，他在1870年代后期研究和量化了这种关系。Verdet 常数是衡量特定材料中法拉第效应强度的指标，值较大表示该材料具有很强的法拉第效应。

如果了解法拉第效应是构建可行的电流传感器所需的全部内容，那就太好了，但在光学和电磁物理学领域，这绝非易事。原则上，只需将光纤缠绕在载流线上，即可使用Verdet效应来测量电流值。显然，这种实现提供了高电压值的电流（欧姆）隔离的重要属性，这在电源相关应用中具有重要优势。

当然，还有一些微妙的细节，比如克服现实世界的问题，使用法拉第效应作为可行的电流传感器。正如预期的那样，任何振动或热波动都会影响沿光纤的偏振状态，因此光纤必须与这些影响隔离开来，同时仍保持对场引起的偏振旋转的敏感性。

该解决方案需要一种独特的光纤，与传统数据链路中使用的光纤非常不同。一种称为旋转高双折射（SHB）光纤的高级光纤结构在微观尺度上保持偏振，但在宏观尺度上具有净零双折射;制造这种纤维是一项挑战。

为此，用于制造光纤的玻璃被精确旋转以产生偏振轴的恒定旋转，沿光纤每隔几毫米旋转一次。结果是纤维结构，尽管光纤上存在机械应力，但仍能保持圆极化，并且仍然允许对Verdet效应敏感。

用于电流检测的光纤

通过仔细平衡光纤的自旋节距和精确控制的双折射水平，可以设计出光纤来克服卷取过程中弯曲引起的应力的影响，同时仍然对法拉第效应敏感。因此，可以使用更长长度的纺丝纤维，允许使用更多线圈直径更小的纤维卷，从而提高灵敏度。

毫不奇怪，构建基于光纤的电流传感器不仅仅是这个复杂而微妙的步骤（图 2）。输入激光束的圆偏振必须稳定，因此需要在传感器光纤之前使用偏振控制光纤。反过来，这些光纤需要相当大的支持：四分之一波片、保持极化的延迟线圈、调制器光纤和偏振 Zing 光纤。Fibercore的Zing光纤是一种设计用于在指定波长范围内仅支持一种偏振模式的光纤。

图2高灵敏度光纤电流传感器的光学原理图显示（1）宽带掺铒光源，（2）耦合器，（3）光电探测器，（4）偏振片，（5）45o熔接， （6） 光纤调制器， （7） 900 m 长延迟线圈， （8） 45o接头，（9）四分之一波板，（10）16m纺高双折射（HiBi）光纤和（11）镜子。来源：光纤芯/人文

基于光纤的传感器功能

通过仔细控制信号链中的每个阶段并优化每个元件，传感器可以提供高灵敏度和精度。1989年发表在IEEE光波技术杂志上的一篇详细的技术论文“采用旋转高双折射光纤的电流传感器”提供了基本的光学物理理论和必要的方程，还包括实际的竣工示例。

这似乎是一个不错的实验室项目，但这些光纤电流传感器（FOCS）是否在现场安装或测试过？作为这些传感器的领先供应商，总部位于英国的Fibercore表示，它们已经在中国的全国配电网络中使用，其他装置正在其他地方进行。该公司认为，其中的优点是固有的电流隔离，并且大多数光学器件和电子设备可以远距离放置和操作，而只有传感器头需要靠近载流线。

这并不是光纤唯一超越数据链路的迷人用途。Fibercore的网站对这些光纤还有许多其他用途，其中许多基于高度专业化的制造技术，能够控制和管理光波长，偏振，反射和许多其他属性，以创建针对专业挑战的传感器。我“有点”知道其中一些其他用途，但也有许多我没有意识到存在。

高纯度、超精密光纤技术的适应和发展最初是为数据链路设计的，以服务于非常不同的应用，这是科学家和工程师如何看待“其他地方”的先进并弄清楚如何以新的创新方式利用它们的另一个例子。

你见过的最“抽象”或最奇怪的物理原理是什么，用于传感装置或传感器本身？必须识别和克服哪些限制因素和错误来源才能实现必要的性能？首先是谁想出这些想法的？毕竟，即使理论存在，许多根本不明显。

编辑：黄飞