使用光纖作為隔離電流傳感器？

通過仔細(xì)平衡光纖的旋轉(zhuǎn)節(jié)距和控制的雙折射水平，光纖可以被設(shè)計(jì)為克服卷繞過程中彎曲引起的應(yīng)力的影響，同時(shí)仍然對(duì)法拉第效應(yīng)敏感。因此，可以使用更長長度的旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致更高的靈敏度。

例如，光纖在數(shù)據(jù)鏈路中的用途是眾所周知的，范圍從短距離板間和機(jī)箱內(nèi)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(jù)鏈路。但它們也用作壓力和壓力傳感器。

然而，光纖對(duì)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(shù)可以利用法拉第效應(yīng)（是的，就是法拉第效應(yīng)），即光穿過磁場時(shí)偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)；該場可由電流感應(yīng)（圖 1）。電流越大，磁場越大，因此極化旋轉(zhuǎn)越大。1845 年，邁克爾·法拉第 (Michael Faraday) 在研究磁場對(duì)平面偏振光波的影響時(shí)首次觀察到了這種效應(yīng)。

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(dǎo)體而引起的光偏振旋轉(zhuǎn)的示意圖。

法拉第效應(yīng)

將磁場強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)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(xué)家 Marcel ?mile Verdet 的名字命名，他在 1870 年代末研究并量化了這種關(guān)系。維爾德常數(shù)是衡量特定材料中法拉第效應(yīng)強(qiáng)度的指標(biāo)，數(shù)值大表明該材料具有較強(qiáng)的法拉第效應(yīng)。

如果只需要了解法拉第效應(yīng)就可以構(gòu)建可行的電流傳感器，那就太好了，但在光學(xué)和電磁物理領(lǐng)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(fèi)爾德效應(yīng)來測量電流值。顯然，這種實(shí)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(guān)應(yīng)用中是一個(gè)重要的優(yōu)勢。

當(dāng)然，還有一些微妙的細(xì)節(jié)，例如在使用法拉第效應(yīng)作為可行的電流傳感器的過程中克服現(xiàn)實(shí)世界的問題。正如預(yù)期的那樣，任何振動(dòng)或熱波動(dòng)都會(huì)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(duì)場引起的偏振旋轉(zhuǎn)的敏感性。

該解決方案需要一種與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路所使用的光纖非常不同的獨(dú)特光纖。一種稱為旋轉(zhuǎn)高雙折射 (SHB) 光纖的先進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)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(gè)挑戰(zhàn)。

為此，用于制造光纖的玻璃被旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生偏振軸的恒定旋轉(zhuǎn)，沿著光纖每隔幾毫米旋轉(zhuǎn)一整圈。其結(jié)果是，盡管光纖受到機(jī)械應(yīng)力，但光纖結(jié)構(gòu)仍能保持圓偏振，并且仍然對(duì)費(fèi)爾德效應(yīng)敏感。

用于電流傳感的光纖

通過仔細(xì)平衡光纖的旋轉(zhuǎn)節(jié)距和控制的雙折射水平，光纖可以被設(shè)計(jì)為克服卷繞過程中彎曲引起的應(yīng)力的影響，同時(shí)仍然對(duì)法拉第效應(yīng)敏感。因此，可以使用更長長度的旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致更高的靈敏度。

毫不奇怪，構(gòu)建基于光纖的電流傳感器不僅僅是這一復(fù)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(diào)制器光纖和偏振 Zing 光纖。Fibercore 的 Zing 光纖是一種設(shè)計(jì)用于在指定波長范圍內(nèi)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(xué)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(diào)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(zhuǎn)高雙折射 (HiBi) 光纖，以及 (11) 鏡子。