磁光式电流传感器：原理与应用

磁光式传感器是利用法拉第磁光效应制作新型电流传感器，实现非接触光测量大电流。电流传感器以其高绝缘性、抗高电磁噪声、高线性度响应等诸多优点，在电力电子领域中的电流的测量及保护中受到广泛的重视和研究。目前就种类而言，已有光学块状玻璃电流传感器、混合式光纤电流传感器和全光纤传感器。

法拉第于1864年发现在强磁场作用下，原本不具有旋光性的物质产生了旋光性，即线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场作用下通过磁光材料时，其偏振面要发生偏转。如图5-27所示，线偏光通过磁场中具有磁光特性的物质时，其旋转角为θ，此效应又称Faraday效应。根据量子理论的解释，可以得到线偏光在通过有外磁场的磁光物质后，偏振面的偏转角θ为

式中，为电子的荷质比；c为真空中的光速；λ为光波长；n为材料折射率；L为磁场与样品介质的有效相互作用长度；B为磁感应强度。

图5-27 磁致旋光效应原理图

令（称为韦尔代（Verdet）常数，它代表磁光物质的特性，与介质属性和光波的波长相关），则

θ＝VLB （5-13）

由安培环路定理可知，距通流长直导线r处产生磁场强度可由式（5-12）得到。同时B＝μ₀H（r，t），于是结合式（5-13）可得到

其中是电流穿过闭合光路的有效次数，韦尔代常数V在磁光材料和入射光波波长给定以后就是一个定值。从式（5-14）可以看出只要确定了偏转角就可以得出电流的大小，而θ值可以通过测量偏振后出射光强求得。因此，通过检测光信号的强度就可以测量电流I（t）的大小，故利用磁光材料的Faraday效应可以制成测量电流用的高性能电流互感器。

磁光效应测量大电流时，针对不同的测试对象和测试要求，系统的设计有所不同，大体上有单光路、双光路以及四光路系统，这几种系统的设计在不同的测试要求下各有其自身的优缺点。

单光路测量脉冲电流系统如图5-28所示，磁光材料置于电流产生的磁场之中，光源发出的光经光纤传输到起偏器变为线偏振光并在通过磁光材料时偏振面发生偏转，然后传输到检偏器，被检测出相应的光强变化，进而得出偏转角。设置检偏器和起偏器的夹角为45°，则根据马吕斯定律可得：(www.xing528.com)

图5-28 单光路系统示意图

式中，P_i为通过检偏器前的初始光强；P_o为探测器探测到的出射光强。可以利用模拟电路把输出光强转换为具有线性对应关系的电流信号，并把直流分量I_dc和交流分量I_ac分开做除法运算，可得

从式（5-15）可以看出通过除法运算，消去了光强，从而很好地解决了光源不稳定性带来的测量误差。但是当被测脉冲电流较小时，对应的输出信号较小时，交流和直流信号分开的误差将较大，而当被测脉冲电流较大时，对应的偏转角可能会超过sin2θ对应的单调区间，无法由J来惟一地确定偏转角，进而无法得出其对应的被测电流。

利用双光路系统（见图5-29），不需要将信号的交流分量与直流分量分开，从而克服了单光路系统在测量较小脉冲电流的不足，但是它仍然要受制于sin2θ单调区间的限制，不能使用于测量过大的电流脉冲。

图5-29 双光路系统

而利用四光路系统（见图5-30）测量大电流时，输出信号中是既含偏转角的正弦项，又含偏转角的余弦项，两者可以确定任意大小的偏转角，从而克服了双光路系统不能测量过大电流的缺点，在实际应用中有着更为广阔的前景。

图5-30 四光路系统