克帕依吐·吐?tīng)栠d 李 明 汪 齊 廖 凱

(1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院 烏魯木齊 830011； 2. 國(guó)網(wǎng)新疆物資公司 烏魯木齊 830011； 3. 國(guó)網(wǎng)新疆檢修公司 烏魯木齊 830011)

1 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)和電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)電流監(jiān)測(cè)提出了更高的要求，研制一種適用于高壓的高精度、高穩(wěn)定性的電流傳感器勢(shì)在必行。光學(xué)電流互感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全且耗能低，具有無(wú)磁飽和以及鐵磁諧振，具備較大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、良好的絕緣性能，且測(cè)量的輸出信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)信息化和數(shù)字化，必將取代傳統(tǒng)電流傳感器在電力系統(tǒng)中的位置。但是在實(shí)用化的道路上，光學(xué)電流傳感器還面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，其主要問(wèn)題是溫度變化以及線性雙折射對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響以及其長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。采用在石榴石磁光材 料[1-2]表面鍍上一層條狀相間的釹鐵硼永磁薄膜作為傳感器的敏感元件，永磁薄膜能夠強(qiáng)化偏振光傳播方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得磁場(chǎng)的方向和線偏振光在石榴石材料中的傳播方向平行度變得更好，并且使得偏振光經(jīng)過(guò)固定在通電導(dǎo)體附近的石榴石模塊后，產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)角變大，提高傳感器的測(cè)量精度，永磁薄膜的存在能夠使石榴石內(nèi)部磁疇有序分布，解決了因石榴石磁光材料內(nèi)部磁疇擾動(dòng)帶來(lái)的零失散問(wèn)題，便于安全監(jiān)控高壓線路和測(cè)量高壓線路的電流。另外，永磁薄膜層的存在提高了傳感裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了雙折射對(duì)光學(xué)電流互感器(Optical current transducer，OCT)的影響[3-5]。

本文研究主要內(nèi)容有如下幾個(gè)方面。

(1) 針對(duì)我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的全面推進(jìn)，特別是特高壓直流輸電工程中電壓等級(jí)越來(lái)越高，傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式的電流互感器已不能滿(mǎn)足電網(wǎng)中電流檢測(cè)的需求，提出基于偏磁矯正的直流光學(xué)電流互感器的模塊化設(shè)計(jì)方案，解決了因石榴石磁光材料中磁疇擾動(dòng)帶來(lái)的零失散問(wèn)題，降低系統(tǒng)抖動(dòng)以及溫度變化引起石榴石磁光材料磁疇改變而帶來(lái)的 誤差。

(2) 通過(guò)薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)在石榴石磁光材料表面制備一層脊部和溝槽間隔的釹鐵硼永磁薄膜，并分析了石榴石材料表面的釹鐵硼永磁薄膜磁滯回線，試驗(yàn)驗(yàn)證了釹鐵硼永磁薄膜具有良好的磁性能。

(3) 設(shè)計(jì)了基于鐵硼永磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流互感器的兩種光路結(jié)構(gòu)，通過(guò)簡(jiǎn)化互感器的光路結(jié)構(gòu)來(lái)提高互感器的運(yùn)行穩(wěn)定性。分析OCT在實(shí)用化道路上存在的問(wèn)題以及影響OCT運(yùn)行穩(wěn)定性的實(shí)際因素。理論分析影響OCT的測(cè)量線性誤差、測(cè)量靈敏度的因素。

(4) 理論分析理想狀態(tài)下導(dǎo)線附近直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，并在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

(5) 設(shè)計(jì)了直流光學(xué)電流互感器光電測(cè)試系統(tǒng)并在實(shí)驗(yàn)室中搭建，采用大電流發(fā)生器產(chǎn)生低壓大直流電流模擬電網(wǎng)中直流，并將制備好的永磁薄膜厚度分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作為敏感核心的傳感器進(jìn)行性能測(cè)量分析。通過(guò)試驗(yàn)得到基于偏磁矯正的直流光學(xué)電流互感器的法拉第旋轉(zhuǎn)角度和外部直流大小的關(guān)系，并分析其輸出線性度、靈敏度、線性誤差等參數(shù)。試驗(yàn)表明，采用鍍上釹鐵硼永磁薄膜的石榴石磁光材料作為直流光學(xué)互感器的敏感元件，其測(cè)量的線性度高、線性誤差明顯降低。

2 傳感器敏感元件制備以及光路設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)傳感器中常用的磁光材料

磁光材料是在可見(jiàn)和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料，按照其在外加磁場(chǎng)作用下磁化狀態(tài)的不同，大致可分為順磁性磁光材料、逆磁性磁光材料、鐵磁性磁光材料、反鐵磁性磁光材料以及亞鐵磁性磁光材料[6]。圖1所示為不同磁性的磁結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 磁結(jié)構(gòu)示意圖

順磁性磁光材料和鐵磁性磁光材料的內(nèi)部存在離子磁矩或原子，而這種結(jié)構(gòu)使得材料在外部磁場(chǎng)的作用下，其電磁性能會(huì)發(fā)生改變，并改變偏振光在這些材料中傳播時(shí)的傳播特性；逆磁性磁光材料內(nèi)部不存在離子磁矩或原子，但在外部磁場(chǎng)作用下其內(nèi)部的電子軌道產(chǎn)生拉莫進(jìn)動(dòng)。而拉莫進(jìn)動(dòng)具備相應(yīng)的角動(dòng)量和磁矩也能改變偏振光在這些磁光材料中傳播時(shí)的傳播特性。OCT通常采用逆磁性磁光材料或順磁性磁光材料作為法拉第效應(yīng)的敏感元件，這兩種磁光材料的費(fèi)爾德常數(shù)可由下面的公式推算得到

圖2 法拉第磁光材料溫度特性圖

逆磁性磁光材料的費(fèi)爾德常數(shù)一般較小且受外界溫度變化影響較小，線偏振光通過(guò)該性質(zhì)的磁光材料后法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，通常應(yīng)用于螺線管聚磁結(jié)構(gòu)的傳感頭中，可以提高OCT的測(cè)量精度以及抗干擾能力。實(shí)際測(cè)量中很難使其發(fā)生飽和，但是該性質(zhì)的磁光材料受雙折射影響較大。順磁性材料的費(fèi)爾德常數(shù)相對(duì)較大但受外界溫度變化影響較大，線偏振光通過(guò)該性質(zhì)的磁光材料后法拉第旋轉(zhuǎn)角相對(duì)較大。在光學(xué)電流互感器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的磁光材料主要有摻雜各種稀土元素的石榴石磁光材料以及磁光玻璃，本文采用石榴石磁光材料設(shè)計(jì)直流光學(xué)電流互感器的敏感元件。

2.1.1 稀土石榴石磁光材料

稀土元素原子結(jié)構(gòu)的最外層電子層上的電子沒(méi)有填滿(mǎn)，當(dāng)稀土元素?fù)饺牍鈱W(xué)玻璃、石榴石等光學(xué)材料中時(shí)，最外層電子產(chǎn)生的磁矩使得光學(xué)材料表現(xiàn)出強(qiáng)磁光效應(yīng)。稀土鐵石榴石材料是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、研究最透徹也最具發(fā)展前景的磁光材料之一，而釔鐵石榴石磁光材料(簡(jiǎn)稱(chēng)YIG)是11種單一稀土鐵石榴石中最典型的[7]。YIG磁光材料在近紅外波段透過(guò)率好，偏振光在材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)角度大并且YIG磁光材料具備良好的物理和化學(xué)性能，現(xiàn)有的1 310 nm和l 550 nm近紅外波長(zhǎng)的基于YIG的光隔離器性能優(yōu)良，在大容量光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。將離子摻入稀土石榴石中可以極大增強(qiáng)石榴石材料在近紅外波段的磁光效應(yīng)并提高磁光材料的居里溫度[8-9]。摻系列稀土鐵石榴磁光材料相對(duì)通用YIG材料擁有更低的溫度系數(shù)、更大的法拉第旋轉(zhuǎn)角度以及低的光吸收損耗，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的新型法拉第旋轉(zhuǎn)磁光材料之一。研究表明，在相同波長(zhǎng)以及相同離子取代條件下，摻系列稀土鐵石榴磁光材料的法拉第旋轉(zhuǎn)角是通用YIG材料的6倍[10]，在光顯示器、光隔離器等方面應(yīng)用廣泛。

2.1.2 磁光玻璃

由于可見(jiàn)光波段和紅外波段光波在磁光玻璃材料中的透光性能良好，并且磁光玻璃可以制備成不同的形狀，塊狀玻璃式光學(xué)電流互感器一般將其作為敏感元件，隨著光纖傳感以及通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁光玻璃越來(lái)越受到研究學(xué)者的關(guān)注。在外部磁場(chǎng)調(diào)制下，按偏振光通過(guò)后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角的偏轉(zhuǎn)方向的不同，磁光玻璃可分為順磁性磁光玻璃和逆磁性磁光玻璃兩類(lèi)。磁光玻璃的磁性能可以通過(guò)摻入不同的稀土離子來(lái)實(shí)現(xiàn)，如摻入Dy3+、Tb3+、Pr3+等稀土離子，磁光玻璃表現(xiàn)出順磁性；摻入Bi3+、Sb3+、Pb2+等稀土離子，磁光玻璃表現(xiàn)出逆磁性[6]。針對(duì)磁光玻璃的研究，不同國(guó)家的研究學(xué)者通過(guò)不同的制備方法，往磁光玻璃中摻入不同的稀土離子，用以提高磁光玻璃的費(fèi)爾德常數(shù)，同時(shí)保證磁光玻璃具備良好的光學(xué)性能，表1列出一些常用磁光玻璃的費(fèi)爾德常數(shù)。

表1 幾種磁光玻璃的費(fèi)爾德常數(shù)對(duì)比

2.2 直流光學(xué)電流互感器的敏感元件制備

本文設(shè)計(jì)的互感器采用石榴石磁光材料作為敏感元件，并通過(guò)磁控濺射的方法在其表面生長(zhǎng)一層間隔均勻的條狀釹鐵硼永磁薄膜，并用充磁機(jī)對(duì)永磁薄膜進(jìn)行充磁。釹鐵硼磁性材料由鐠釹金屬、硼鐵等合金構(gòu)成，其能量密度高且具有極高的磁能積和矯頑力[11-12]。永磁薄膜能固定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在石榴石材料中的方向，提高傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。釹鐵硼永磁薄膜的制作流程如下所示。

(1) 采用超聲波清洗器清洗石榴石材料，烘干后將兩片不銹鋼掩模版分別壓貼于石榴石材料的兩面進(jìn)行固定。

(2) 將固定好的石榴石材料放入薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)磁控濺射儀中，并開(kāi)始抽真空。

(3) 當(dāng)薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中的真空度優(yōu)于1.010?4Pa時(shí)，開(kāi)始加熱石榴石材料使其表面溫度穩(wěn)定在200～500 ℃，將工作氣壓調(diào)整到0.2～5 Pa；分別開(kāi)始生長(zhǎng)緩沖層、釹鐵硼永磁薄膜，并保溫1 h。

(4) 薄膜生長(zhǎng)完畢后，將石榴石表面溫度升溫至550～800 ℃進(jìn)行二次回火；隨后冷卻至室溫，開(kāi)始在永磁薄膜表面生成一層保護(hù)層。

(5) 將石榴石材料從薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中取出，并利用充磁機(jī)對(duì)永磁薄膜進(jìn)行垂直充磁。

通過(guò)薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)成功在石榴石材料表面制備好一層釹鐵硼永磁薄膜，即本文所設(shè)計(jì)的直流光學(xué)互感器的敏感元件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可以看出，釹鐵硼永磁薄膜在石榴石磁光材料表面為脊部和溝槽間隔分布。敏感元件以石榴石磁光材料為基底，在其表面依次生長(zhǎng)條狀間隔分布的緩沖層、永磁薄膜層和保護(hù)層。其中緩沖層的可選厚度范圍為5 nm～100 μm，本文制備的敏感元件緩沖層厚度為50 nm；永磁薄膜的可選厚度范圍為10 nm～1 cm。為研究不同厚度的永磁薄膜對(duì)OCT性能的影響，本文制備了厚度分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的敏感元件，其制備材料為釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷中的一種或多種；保護(hù)層的厚度范圍為1 nm～10 μm，本文制備的敏感元件保護(hù)層厚度為50 nm，其制備材料為SiO2、SiN、Cr、Ta中的一種或多種，將制備好的石榴石材料放入偏光顯微鏡觀察，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在石榴石材料表面生成一層釹鐵硼永磁薄膜能夠固定外部電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在石榴石中的磁場(chǎng)方向，并強(qiáng)化了偏振光傳播方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得磁場(chǎng)方向和線偏振光的傳播方向平行度更好。偏振光通過(guò)置于通電導(dǎo)線附近的鍍膜石榴石磁光材料后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角變大，傳感器的測(cè)量精度提高，永磁薄膜的存在能夠使石榴石內(nèi)部磁疇有序分布，解決了因石榴石磁光材料內(nèi)部磁疇擾動(dòng)帶來(lái)的零失散問(wèn)題，便于安全監(jiān)控高壓線路和測(cè)量高壓線路的電流。另外，偏磁薄膜層的存在提高了傳感裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了雙折射對(duì)OCT的影響。

2.3 傳感模塊及其系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究表明，減少互感器傳感頭的光學(xué)元件個(gè)數(shù)以及縮短光程能夠有效地降低外界環(huán)境溫度變化以及系統(tǒng)抖動(dòng)等因素對(duì)互感器的影響，并且使得光路易于耦合。另外，縮短磁光材料的長(zhǎng)度能夠降低外界擾動(dòng)對(duì)磁光材料費(fèi)爾德常數(shù)的影響，提高輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性，提高互感器的測(cè)量精度[13]。本文采用具有較高透過(guò)率、高費(fèi)爾德常數(shù)、較低的溫度系數(shù)，并且光學(xué)性能優(yōu)良的石榴石磁光材料作為互感器的敏感元件，并在其表面生長(zhǎng)一層釹鐵硼永磁薄膜，圖5為所設(shè)計(jì)的傳感模塊結(jié)構(gòu)。

圖5 傳感模塊結(jié)構(gòu)示意圖

傳感頭結(jié)構(gòu)采用直通式光路結(jié)構(gòu)，光學(xué)器件少，整個(gè)傳感頭結(jié)構(gòu)僅由起偏器、石榴石磁光材料及檢偏器構(gòu)成，光路簡(jiǎn)單易于耦合。石榴石磁光材料厚度為0.46 mm，能夠有效降低溫度變化對(duì)石榴石材料費(fèi)爾德常數(shù)的影響，使得通過(guò)傳感頭后的偏振光光強(qiáng)穩(wěn)定性加強(qiáng)。

直流光學(xué)電流互感器是基于法拉第效應(yīng)的光學(xué)測(cè)量原理，間接對(duì)直流電流進(jìn)行測(cè)量的裝置。本文采用鍍了釹鐵硼永磁薄膜的石榴石磁光材料作為互感器的核心，并設(shè)計(jì)了反射式和透射式兩種直流光學(xué)電流互感器的光路結(jié)構(gòu)，如圖6、7所示。

圖6 反射式直流光學(xué)互感器光路結(jié)構(gòu)圖

圖7 透射式直流光學(xué)互感器光路結(jié)構(gòu)圖

由圖6、7可以看出，該直流光學(xué)電流互感器的光路結(jié)構(gòu)主要由激光器、準(zhǔn)直器、分束器、起偏器、保偏光纖、石榴石傳感頭、TXP偏振計(jì)等部分組成。激光器產(chǎn)生的光入射到分光器后，分解成振動(dòng)面平行入射平面的P偏振光和振動(dòng)面垂直于入射平面的S偏振光，設(shè)計(jì)反射式和透射式兩種光路結(jié)構(gòu)主要是為了研究偏振光的不同分量對(duì)直流光學(xué)電流互感器的影響。在外磁場(chǎng)的作用下，振動(dòng)面不同的偏振光通過(guò)磁光材料后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，TXP偏振計(jì)有一個(gè)內(nèi)置的檢偏器用于檢測(cè)入射偏振光的光強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)的直流光學(xué)電流互感器光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)器件少易于封裝耦合。采用的石榴石敏感元件長(zhǎng)度短，能夠有效地降低溫度變化對(duì)其費(fèi)爾德常數(shù)的影響，提高OCT的測(cè)量精度。根據(jù)線性雙折射理論可知，線性雙折射對(duì)系統(tǒng)的影響與磁光材料長(zhǎng)度成正比，磁光材料越短，環(huán)境溫度變化對(duì)互感器的影響越小。偏振光在通過(guò)該結(jié)構(gòu)的傳感器后，基本光強(qiáng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后沒(méi)有出現(xiàn)明顯衰減，可知其運(yùn)行穩(wěn)定性良好。

3 直流電流檢測(cè)試驗(yàn)與分析

3.1 永磁薄膜磁性能檢測(cè)

為了確認(rèn)釹鐵硼永磁薄膜的磁性能，本文采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)石榴石樣品的磁滯回線進(jìn)行測(cè)量。將石榴石樣品放入振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的線圈，通過(guò)正弦振動(dòng)改變通過(guò)石榴石樣品的磁通量，檢測(cè)線圈中的電壓信號(hào)也隨之改變，而電壓信號(hào)與磁矩成一定比例，通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)的變化即可間接測(cè)得石榴石樣品的磁滯回線。圖8所示為測(cè)得的永磁薄膜厚度5 μm的樣品在垂直方向和面內(nèi)方向的磁滯回線。

圖8 永磁薄膜垂直方向及面內(nèi)方向的磁滯回線

磁滯回線表征磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度與外部變化磁場(chǎng)的關(guān)系，而矯頑力是磁性材料表現(xiàn)磁性能的一個(gè)重要參數(shù)，試驗(yàn)測(cè)得厚度5 μm釹鐵硼永磁薄膜的垂直方向矯頑力為18 000 Oe(1 Oe=79.577 5 A/m)，面內(nèi)方向矯頑力為15 000 Oe，這說(shuō)明銣鐵硼永磁薄膜在垂直方向和面內(nèi)方向具備高矯頑力，且具備良好的磁性能。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為了測(cè)試制備好的石榴石敏感元件性能，實(shí)驗(yàn)室搭建了直流光學(xué)電流互感器的測(cè)試系統(tǒng)。將不同永磁薄膜厚度并已充磁的石榴石樣品放置于測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)滑軌上的光學(xué)器件使得激光光源產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)起偏器轉(zhuǎn)化成線偏振光，隨后能夠通過(guò)置于電流導(dǎo)體下方的石榴石敏感元件。電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生一個(gè)平行于光傳播方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度B，偏振光經(jīng)電流調(diào)制后入射到偏振計(jì)的外置傳感器中，TXP偏振計(jì)采集帶有不同電流調(diào)制信號(hào)的光信號(hào)數(shù)據(jù)，表2所示為部分采集的偏振光偏振態(tài)信息數(shù)據(jù)。

表2 TXP偏振計(jì)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)

本測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)大電流發(fā)生器控制導(dǎo)電板上的直流電流大小，大電流發(fā)生器能夠在回路中實(shí)現(xiàn)區(qū)間精度為1的電流控制，使得直流導(dǎo)線中電流大小分別為0 A、100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A，通過(guò)TXP5000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同永磁薄膜厚度(分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm)、不同電流值的直流調(diào)制下，偏振光在邦加球中斯托克斯矢量、離焦量、方位角、橢圓度、偏振度等數(shù)據(jù)。Pax5710IR3-T-TXP偏振計(jì)的采集速率為333 sample/s，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)平均值求得1 s內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，能夠有效降低振動(dòng)等外界因素的干擾。另外為了校準(zhǔn)直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將特斯拉計(jì)的探頭固定在直流導(dǎo)電板下方，使其離導(dǎo)電板的距離和石榴石敏感元件離導(dǎo)電板的距離相同，測(cè)量不同電流值下產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度以驗(yàn)證OCT的測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

使用TXP5000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集永磁薄膜厚度分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm時(shí)，偏振光在外部直流電流大小分別為0 A、100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A調(diào)制下，偏振光在邦加球中斯托克斯矢量、離焦量、方位角、橢圓度、偏振度等信息。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并分析不同的永磁薄膜厚度對(duì)直流光學(xué)電流互感器性能的影響。

3.3.1 直流光學(xué)電流互感器靈敏度分析

偏振光的偏振態(tài)在邦加球中用方位角和橢圓率表示[14]，如圖9所示，p點(diǎn)表示偏振光的某一偏振狀態(tài)，方位角表征偏振光在邦加球上的經(jīng)度，用p點(diǎn)在XOY平面上投影與X軸的夾角表示，橢圓率表征偏振光在邦加球上的緯度，用OP與XOY平面夾角表示。

圖9 偏振光邦加球表示圖

采用斯托克矢量表征偏振光的偏振態(tài)則方位角，可由下式得出 式中，ψ表示偏振光在45°上的光強(qiáng)，S1和S2分別表示豎直、水平方向上的偏振光光強(qiáng)。由此可得，偏振光發(fā)生法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度可以通過(guò)邦加球上方位角的變化間接表示。

對(duì)采集到的各個(gè)厚度的永磁薄膜方位角數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4)求得平均值，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。使用Origin對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖10所示為偏振光方位角和電流關(guān)系曲線。

表3 不同厚度永磁薄膜在電流調(diào)制下的方位角大小 (°)

圖10 偏振光方位角和電流關(guān)系曲線

圖10a為采用反射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)互感器在試驗(yàn)中測(cè)得的方位角隨電流變化曲線，圖10b為采用透射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流互感器的測(cè) 量結(jié)果得關(guān)系曲線圖。由圖10可以看出，不同厚度的樣品在經(jīng)過(guò)3 000 A電流調(diào)制后的偏振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角改變了約10°，由試驗(yàn)可得，通過(guò)改變敏感元件到導(dǎo)線的距離可以改變直流互感器的靈敏度。不同光路結(jié)構(gòu)的互感器的方位角的起始角度不同，并且不同厚度的敏感元件樣品的方位角預(yù)置角度也不同，但是由圖中可以看出采用同一光路結(jié)構(gòu)的互感器的不同敏感元件樣品在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中方位角與電流大小關(guān)系的斜率基本相同且線性度高。

為直觀顯示偏振光在電流調(diào)制下偏振方向的改變，本文通過(guò)TXP Polarimeter軟件采集了電流從0 A上升到3 000 A過(guò)程中，電流大小分別為100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A時(shí)偏振光在邦加球中的位置，并將采集到的圖片進(jìn)行疊加處理，如圖11所示為偏振光在邦加球中經(jīng)電流調(diào)制后的遷移圖。

圖11 偏振光偏振態(tài)隨電流遷移示意圖

圖11中的粗線展示了偏振光在邦加球中的遷移過(guò)程，由此可以看出偏振光經(jīng)電流調(diào)制后偏振態(tài)在邦加球赤道附近沿著經(jīng)線遷移，即偏振光的方位角大小隨電流的改變而改變，而緯線代表的橢圓率基本不變，即光的偏振態(tài)變化不大。為了準(zhǔn)確分析方位角和電流響應(yīng)曲線，將永磁薄膜厚度為4 μm的直流光學(xué)電流互感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到的線性擬合曲線如圖12所示。

圖12 永磁薄膜厚度為4 μm時(shí)偏振光方位角與 電流響應(yīng)曲線

通過(guò)線性擬合得到的偏振光和電流的響應(yīng)曲線的關(guān)系表達(dá)式如下所示

由式(5)可知，4 μm厚度的敏感元件樣品在試驗(yàn)中的偏振光的方位角的預(yù)偏角度79.577°，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得出敏感元件在試驗(yàn)中所固定位置的互感器偏振光的方位角對(duì)電流的靈敏度為?2.95°/kA，由理論分析可知傳感頭在該固定位置的測(cè)量范圍。由擬合曲線可以看出，該直流光學(xué)電流互感器在范圍內(nèi)測(cè)得的偏振光的方位角變化與導(dǎo)線上電流大小呈良好線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量分析表明采用鍍永磁薄膜的石榴石磁光材料作為直流光學(xué)互感器的敏感元件，其偏振光經(jīng)過(guò)電流調(diào)制后的旋轉(zhuǎn)角度與電流保持良好的線性度，采用Origin對(duì)方位角和電流大小的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，擬合度高達(dá)99.953%，測(cè)量誤差小于0.4%，并且多次測(cè)量的擬合曲線的重復(fù)性表現(xiàn)良好。

3.3.2 直流光學(xué)電流互感器誤差分析

邦加球中的偏振度(Degree of polarization，DOP)表征入射偏振光中線偏振光光強(qiáng)占總光強(qiáng)的比重，在采用光強(qiáng)探測(cè)法測(cè)量法拉第旋轉(zhuǎn)角中DOP的改變會(huì)影響最后的測(cè)量精度。其計(jì)算公式如下所示

式中，S0、S1、S2、S3為斯托克矢量，在邦加球中S0=1。由第2節(jié)的理論分析可知，磁光材料的各向異性導(dǎo)致線偏振光通過(guò)置于導(dǎo)電板附近的石榴石磁光材料時(shí)其偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變，而這種偏振態(tài)的改變使得線偏振光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光，這使得TXP偏振計(jì)采集到的偏振光中線偏振光的比重降低，影響了OCT的測(cè)量精度以及長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，為此我們有針對(duì)性地對(duì)采集了兩種不同光路結(jié)構(gòu)且采用不同厚度永磁薄膜的石榴石磁光材料作為敏感元件的直流光學(xué)電流互感器的DOP隨電流改變的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，圖13為偏振光通過(guò)不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料的偏振度隨電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變而改變的曲線圖。

圖13a為采用透射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流互感器的DOP隨外部磁場(chǎng)變化曲線，由圖13a可以看出，透射式光路結(jié)構(gòu)下互感器在試驗(yàn)過(guò)程中DOP的隨電流增大基本保持不變，采用不鍍膜的石榴石材料以及鍍厚度為2 μm永磁薄膜的石榴石作為敏感元件時(shí)，測(cè)量過(guò)程中DOP基本不變，而偏振光在通過(guò)厚度分別為100 nm、500 nm、1 μm、4 μm以及5 μm的石榴石材料后偏振度會(huì)有輕微改變，但是幅度都控制在1%之內(nèi)，這表明互感器在運(yùn)行過(guò)程中雙折射引起的誤差非常小，基本可以忽略。圖13b為采用反射式光路結(jié)構(gòu)的直流光學(xué)電流互感器的DOP隨外部磁場(chǎng)變化曲線。由圖13b可以看出，反射式光路結(jié)構(gòu)下互感器在試驗(yàn)過(guò)程中DOP的隨電流變化有一定的改變，剔除環(huán)境中自然光、擾動(dòng)等因素的影響，其改變幅度相對(duì)較小，改變幅度都控制在1%之內(nèi)[15-17]。

圖13 偏振光通過(guò)不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光 材料的偏振特性

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中采集的不同厚度的釹鐵硼永磁薄膜石榴石材料作為直流光學(xué)電流互感器的敏感元件的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可以發(fā)現(xiàn)在石榴石磁光材料表面生長(zhǎng)一層脊部和溝槽相間的永磁薄膜對(duì)石榴石偏振特性產(chǎn)生了影響，但是卻沒(méi)有改變偏振特性的變化趨勢(shì)。偏振光在通過(guò)石榴石磁光材料后其偏振度基本穩(wěn)定，即線偏振光的偏振態(tài)在通過(guò)石榴石磁光材料后沒(méi)有發(fā)生大的變化。這表明采用厚度較小、費(fèi)爾德常數(shù)較高且溫度影響系數(shù)相對(duì)較低的石榴石材料作為直流光學(xué)電流互感器的敏感元件，能夠有效抑制線性雙折射對(duì)其測(cè)量精度的影響。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)石榴石磁光材料中存在的零失散問(wèn)題，提出基于釹鐵硼永磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流互感器的模塊化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在石榴石材料表面鍍上一層脊部和溝槽相間的永磁薄膜，解決了因石榴石磁光材料中磁疇擾動(dòng)帶來(lái)的零失散問(wèn)題，降低系統(tǒng)抖動(dòng)以及溫度變化引起石榴石磁光材料磁疇改變引入的誤差。

(2) 設(shè)計(jì)了基于銣鐵硼永磁薄膜矯正的直流光學(xué)電流互感器的透射式和反射式兩種光路結(jié)構(gòu)，傳感頭部分本文采用直通式光路結(jié)構(gòu)，減少光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件使之易于耦合。并且分析了OCT在實(shí)用化道路上存在的問(wèn)題以及影響OCT運(yùn)行穩(wěn)定性的實(shí)際因素。

(3) 分析了不同磁性能的磁光材料在OCT應(yīng)用中存在的問(wèn)題，采用瓊斯矩陣分析了線性雙折射對(duì)OCT測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)制備了直流光學(xué)電流互感器的石榴石敏感元件并設(shè)計(jì)了互感器的系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)。

(4) 理論上分析了理想狀態(tài)下通電導(dǎo)線附近電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，從理論上分析了采用法拉第效應(yīng)測(cè)量原理的直流光學(xué)電流互感器的靈敏度以及測(cè)量范圍，表明其靈敏度和測(cè)量范圍可以通過(guò)改變敏感元件到導(dǎo)線中心的距離來(lái)調(diào)整。

(5) 通過(guò)薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)在石榴石磁光材料表面制備一層脊部和溝槽間隔的釹鐵硼永磁薄膜，并測(cè)量了釹鐵硼永磁薄膜的磁化曲線以及磁滯回線，試驗(yàn)驗(yàn)證了其具有良好的磁性能。

(6) 設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)室搭建了直流光學(xué)電流互感器光電測(cè)試系統(tǒng)，采用大電流發(fā)生器控制導(dǎo)線板上的電流，并將制備好的永磁薄膜厚度分別為1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作為敏感元件放入測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行性能測(cè)量。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析偏振光的方位角和電流的線性關(guān)系以及偏振度隨外部電流的改變趨勢(shì)，結(jié)果表明，該傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍可以通過(guò)調(diào)節(jié)敏感元件離導(dǎo)線中心的距離來(lái)調(diào)節(jié)，并且該傳感器測(cè)量的輸出線性度高，測(cè)量誤差小于0.4%，并且多次測(cè)量的擬合曲線的重復(fù)性表現(xiàn)良好。試驗(yàn)證明了在石榴石磁光材料鍍上一層永磁薄膜能夠提升石榴石的偏振特性，并提高直流光學(xué)電流互感器測(cè)量的精度。