使用光纖作為隔離電流傳感器？

通過仔細平衡光纖的旋轉節(jié)距和控制的雙折射水平，光纖可以被設計為克服卷繞過程中彎曲引起的應力的影響，同時仍然對法拉第效應敏感。因此，可以使用更長長度的旋轉光纖，從而允許使用更多具有更小線圈直徑的光纖線圈，并導致更高的靈敏度。

例如，光纖在數(shù)據鏈路中的用途是眾所周知的，范圍從短距離板間和機箱內路徑到跨越數(shù)千公里的路徑。它們不受 EMI/RFI 和外部電子影響，非常適合高干擾情況下的數(shù)據鏈路。但它們也用作壓力和壓力傳感器。

然而，光纖對永恒電磁影響的免疫力僅在正確的環(huán)境和特殊的布置下才有效。有一種技術可以利用法拉第效應（是的，就是法拉第效應），即光穿過磁場時偏振態(tài)的旋轉；該場可由電流感應（圖 1）。電流越大，磁場越大，因此極化旋轉越大。1845 年，邁克爾·法拉第 (Michael Faraday) 在研究磁場對平面偏振光波的影響時首次觀察到了這種效應。

使用光纖作為隔離電流傳感器？

圖 1是光纖電流傳感器中由于電流通過導體而引起的光偏振旋轉的示意圖。

法拉第效應

將磁場強度與旋轉角度聯(lián)系起來的比例常數(shù)稱為 Verdet 常數(shù)，以法國物理學家 Marcel ?mile Verdet 的名字命名，他在 1870 年代末研究并量化了這種關系。維爾德常數(shù)是衡量特定材料中法拉第效應強度的指標，數(shù)值大表明該材料具有較強的法拉第效應。

如果只需要了解法拉第效應就可以構建可行的電流傳感器，那就太好了，但在光學和電磁物理領域，這從來都不是那么容易。原則上，只需將光纖纏繞在載流電線上，即可利用費爾德效應來測量電流值。顯然，這種實現(xiàn)提供了高電壓值電流（歐姆）隔離的重要屬性，這在電源相關應用中是一個重要的優(yōu)勢。

當然，還有一些微妙的細節(jié)，例如在使用法拉第效應作為可行的電流傳感器的過程中克服現(xiàn)實世界的問題。正如預期的那樣，任何振動或熱波動都會影響沿光纖的偏振態(tài)，因此光纖必須與這些影響隔離，但仍保持對場引起的偏振旋轉的敏感性。

該解決方案需要一種與傳統(tǒng)數(shù)據鏈路所使用的光纖非常不同的獨特光纖。一種稱為旋轉高雙折射 (SHB) 光纖的先進光纖結構可在微觀尺度上保持偏振，但在宏觀尺度上具有凈零雙折射；制造這種纖維是一個挑戰(zhàn)。

為此，用于制造光纖的玻璃被旋轉，以產生偏振軸的恒定旋轉，沿著光纖每隔幾毫米旋轉一整圈。其結果是，盡管光纖受到機械應力，但光纖結構仍能保持圓偏振，并且仍然對費爾德效應敏感。

用于電流傳感的光纖

通過仔細平衡光纖的旋轉節(jié)距和控制的雙折射水平，光纖可以被設計為克服卷繞過程中彎曲引起的應力的影響，同時仍然對法拉第效應敏感。因此，可以使用更長長度的旋轉光纖，從而允許使用更多具有更小線圈直徑的光纖線圈，并導致更高的靈敏度。

毫不奇怪，構建基于光纖的電流傳感器不僅僅是這一復雜而微妙的步驟（圖 2）。輸入激光束的圓偏振必須穩(wěn)定，因此需要在傳感器光纖之前安裝偏振控制光纖。這些光纖又需要大量的支持：四分之一波片、保持偏振的延遲線圈、調制器光纖和偏振 Zing 光纖。Fibercore 的 Zing 光纖是一種設計用于在指定波長范圍內僅支持一種偏振模式的光纖。

圖 2高靈敏度光纖電流傳感器的光學原理圖顯示 (1) 寬帶摻鉺光源、(2) 耦合器、(3) 光電檢測器、(4) 偏振器、(5) 45° 接頭、(6) 光纖調制器，(7) 900 米長延遲線圈，(8) 45 °接頭，(9) 四分之一波片，(10) 16m 旋轉高雙折射 (HiBi) 光纖，以及 (11) 鏡子。