光纤电流传感器偏转角及线性双折射研究摘要：光纤电流传感器中由于光纤的弯曲以及自身特性，会同时存在线性双折射和法拉第效应，致使法拉第效应的偏转角无法被准确测量出来，这是造成光纤电流传感系统测量误差的一个重要因素。利用MATLAB模拟了线偏振光转化为圆偏振光和椭圆偏振光以及法拉第效应，并对法拉第效应中左右旋圆偏振光相位差设定了不同参数，利用MATLAB得出最终合成的线偏振光，观察其偏转角为所设左右旋圆偏振光相位差的1/2，之后进行了理论推导，验证了上述结论，为后续的线性双折射补偿研究奠定良好的基础。关键词：光纤电流传感器；线性双折射；法拉第效应；偏转角：TN253文献标志码：A：1672-1098（2014）04-0056-05光纤电流传感器是以法拉第效应为理论基础的一种电流测量装置[1-2]，由于采用光纤传感技术，相对于传统的电磁式电流传感器，具有抗电磁干扰能力强，体积小，可靠性强等优点，有着广泛的应用前景，在被提出的近二十年中，一直广受关注，大量的资金以及人力被投入到这方面的研究当中。目前已有少量的这种传感器被投入到试运行当中，大规模的实用化仍然还有许多问题需要解决。光纤电流传感系统中电流引起的法拉第效应与传感头中的线性双折射混杂在一起，导致法拉第效应所产生的法拉第偏转角无法被准确测量出来，这是影响其实用化的一个重要因素[3-4]。目前在这方面的研究也已出现了许多进展，如在传感光纤中加入大量圆双折射可以有效抑制线性双折射，以及对光纤环进行退火以消除线性双折射[5-6]。然而仍无法完全消除线性双折射对法拉第效应的影响。本文利用MATLAB对线性双折射和法拉第效应进行了模拟，有助于发现两者的区别，为系统的实用化设计和线性双折射与法拉第效应的分离提供一定的参考，且发现经过法拉第效应后所得的线偏振光偏转角为左右旋圆偏振光相位差的一半，并进行了理论推导。1全光纤电流传感器基本原理光纤电流传感器依据的理论基础是法拉第效应，即线偏振光通过位于磁场中的介质时，其偏振的角度会发生偏转，由光源发出的光经过起偏器形成线偏振光，进入45°熔接点分解为相互正交的X，Y线偏振光，分别经过λ/4波片，转换为左右旋圆偏振光，进入传感光纤，在电流产生的磁场环境中会发生法拉第效应，造成左右旋圆偏振光的光速不一致，产生相位差，经反射镜反射继续以全反射方式在光纤中传播，再次发生法拉第效应，由于法拉第效应的非互易性，左右旋圆偏振光产生的相位差不会抵消，会进行累积，最后再次经过λ/4波片会转变为两道线偏振光，两正交偏振光所合成的线偏振光相对于初始的线偏振光，其偏振角度会发生偏转，偏转的角度与产生磁场的电流以及材料的菲尔德常数有关[7]。通过测量输出偏振光的偏转角度从而得到所测电流大小，其偏振面偏转的角度公式为θ=VBd（1）式中：θ为偏转角，V为费尔德常数，B为电流产生的磁场，d为偏振光通过磁场中的介质长度。2线性双折射由光源产生一束自然光，经起偏器形成线偏振光进入传感光纤，以全反射方式在光纤中传输，当光纤中局部处由于受到应力或弯曲因素影响，光纤此处由各向同性特性转变为各向异性特性，形成单光轴[8]，介质对于x，y方向偏振光的折射率以及传播速度不同，造成此正交偏振光产生相位差，就会发生线性双折射。假设x、y方向折射率分别为nx和ny，真空中的原始波长为λ，则x方向的介质波长为λ/nx，y方向介质波长为λ/ny，发生双折射长度为L，则x偏振光在介质L长度中发生了ω0角度传播ω0=2πLnxλ（2）同时间点y偏振光在光纤中传输距离为Ly=ω0×λny=Lnxny（3）x，y在x偏振光传输完L距离时间点具有ΔL位移差ΔL=L-Lnxny=Lny-nxny（4）相对相位差δδ=2πΔLλny=2πLny-nxny×nyλ=2πL（ny-nx）λ（5）用以下方程对发生线性双折射后所得线性偏振光进行描述E=Excos（ωt+δx）Eycos（ωt+δy）（6）我们设置光纤中形成的光轴方向与入射线偏振光的偏振方向成45°，则Ex=Ey（7）且两束正交的偏振光由其折射率差在传输L距离后产生的相位差为π/2，（2n+1）π/2时，即δ=δx-δy=2n+12π（8）其最终会形成圆偏振光，利用MATLAB软件进行编程，设置Ex=Ey，两正交偏振光相位差为π/2，所得结...