磁光式传感器测量浪涌电流

卢仁军1李东红2

摘要：利用Bi4Ge3O12（BGO）晶体作为磁光材料，制成了一套无源磁光式传感器，用来测量浪涌电流。浪涌电流的波形为8/20标准波形，幅值最高达到200kA。实验结果表明该传感器对浪涌电流幅值的测量呈现很好的线性关系，灵敏度具体值为0.3727°/kA。该传感器可用来测量雷电流、等离子实验中的脉冲电流和其他高功率脉冲装置中的电流。

关键词：法拉第效应；偏振；浪涌电流测量

在强激光技术、脉冲功率技术、高压技术和冲击大电流技术上常常需要测量脉冲大电流（幅值可以达到几百千安），浪涌保护器性能测试中使用的浪涌电流是一种典型的脉冲电流。传统的脉冲电流测量有小电阻分流法和电磁互感法。

磁光式电流传感器是利用磁光材料中的法拉第效应发展起来的一种无源传感器，它通过测量偏振光受到电流产生的磁场后偏振面的偏转来确定电流的大小和波形。磁光法使用光作为测量浪涌电流的唯一介质，所以它具有绝缘性好、抗电磁干扰和抗高压的优点。磁光法测量浪涌电流时，具体有三种不同的系统设计，分别为单光路系统、双光路系统和四光路系统。在本文中，我们使用BGO磁光材料，制成了一套紧凑的单光路浪涌电流测量系统。

2原理及仿真

3实验结果和讨论

实验中，光源是一个工作波长在660nm的超发光二级管光源。传感头具体由两个准直镜（L1，L2），一个起偏器（POL），一块BGO晶体（ROD，圆柱体，直径为10mm，长度为30mm）和一个检偏器（ANA）组成。组成传感头所有原件（L1，L2，POL，ROD，ANA）被封装在一个铝制外壳中。BGO晶体是一种具有较大维尔德常数（31.36rad/Tm在633nm时[16]）的各向同性的磁光材料。

为了提高L2和POF之间的耦合效率，本次实验选用纤芯直径为980，数值孔径为0.5的塑料光纤。传感头被嵌入到一个3D打印制造的ABS外壳中，提供额外的机械保护和电气绝缘。封装之后的传感头的直径为25mm，长度为150mm。

实验测量的8/20浪涌电流波形由上海防雷中心防雷产品测试中心型号为SSG200-180的浪涌电流发生器产生，T1为波前时间，T2为半峰值时间。传感头紧贴着通电铜排，并垂直于铜排固定。示波器（DPO3014）记录光电探测器输出的电压波形。由于系统中的电子设备没有放在电磁干扰屏蔽箱中，在大约0和13时刻，捕获的电压波形上出现剧烈的干扰信号，使得电压变为负电压。如果进行有效的电磁干扰防护，可以得到更加干净的波形。如公式(4)所示，当浪涌电流流经导体时，捕获的电压波形呈现波谷形状，与理论一致。

环境中的噪声使得采到的电压信号变粗，所以需要对信号进行去噪处理得到平滑的波形。在本文中，采用平滑滤波去噪方法。平缓滤波具有易实现、适合工程应用的优点。对于信号s，窗口长度为L的平缓滤波，将以某个数据点为中心的窗口中所有数据的平均值作为该数据点的平滑结果。具体表达为：

4.结论

作为一门正在持续发展的科学技术，光学传感技术正引起很多科学领域，特别是一些恶劣环境物理量测量领域的重视。浪涌电流作为一种应用广泛的脉冲电流，其测量技术备受人们的关注和研究。本文对传统浪涌电流测量技术的优缺点进行了介绍，提出了一种具有紧凑结构的单光路磁光式浪涌电流测量系统，并对100kA、150kA和200kA浪涌电流进行了测量实验。实验结果验证了该系统的可行性，证明其具有良好的线性度和较高的传感灵敏度。

参考文献

1张建永,贾云涛,岳伟.一种测量脉冲大电流的改进分流器设计[J].电子测量技术,2013,36(06):25-28+63.

2崔绍颖,王书强,马志毅.脉冲分流器的发展现状研究[J].宇航计测技术,2016,36(06):82-88.

3刘金亮,徐启福,李士忠,殷毅,冯加怀,周相.测量ns级脉冲大电流的折带式分流器[J].高电压技术,2006(05):57-59.