單片機(jī)控制的光學(xué)電流互感器偏振調(diào)制效應(yīng)

摘要 帶有永磁薄膜的石榴石是光學(xué)電流互感器的敏感元件。文中介紹了帶有永磁薄膜的石榴石和未帶膜的石榴石分別在單片機(jī)的控制下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中同時(shí)觀察和記錄DOP的值，而DOP(偏振度)是光束中偏振部分的光強(qiáng)度和整個(gè)光強(qiáng)度之比。實(shí)驗(yàn)得出：無(wú)鍍膜的石榴石對(duì)入射激光的偏振性沒有影響，但帶有薄膜的石榴石不僅可調(diào)制入射光的偏振特性，且調(diào)制的DOP值域范圍相對(duì)于光通過(guò)無(wú)序介質(zhì)等方法更大，研究結(jié)果為石榴石型光電式電流互感器的測(cè)量精度及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

電流互感器是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制的重要環(huán)節(jié)。但是隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和普及，電網(wǎng)的電壓等級(jí)和容量不斷提高，現(xiàn)有的傳統(tǒng)電磁式電流互感器逐漸暴露出不足。因此新式電流互感器的研究與開發(fā)迫在眉睫。光電式電流互感器是以法拉第效應(yīng)為基礎(chǔ)，間接對(duì)大電流進(jìn)行測(cè)試的器件。與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、體積小、重量輕、運(yùn)輸和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。光電式電流互感器原理略有不同，但總的來(lái)看，制約其發(fā)展的主要問(wèn)題還是磁光介質(zhì)的特性。光纖偏振調(diào)制技術(shù)可用于溫度、壓力、振動(dòng)、機(jī)械形變、電流和電場(chǎng)等檢測(cè)，主要應(yīng)用于強(qiáng)電流檢測(cè)。

本文在一種石榴石型光電式電流互感器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分析和討論了石榴石介質(zhì)和永磁薄膜(Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(500 nm)/Ta(50nm)，Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(1000 nm)/Ta(50 nm)grooved films)的光學(xué)偏振特性，具體研究了帶有不同厚度條狀永磁薄膜的石榴石的偏振特性，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)旋轉(zhuǎn)石榴石樣品樣品，不僅可調(diào)制DOP(偏振度)，且其值域范圍相比傳統(tǒng)方法更大。

1 偏振調(diào)制原理和單片機(jī)控制原理

1.1 偏振調(diào)制原理

當(dāng)光束穿過(guò)一種媒介時(shí)，反射光(R)，透射光(T)，吸收光(A)和散射光(Sc)的關(guān)系是

Sc=1-T-R-A (1)

石榴石的斯托克斯矢量：DOP，DOLP，DOCP，可由以下公式得到

其中，S0表示光波的總光強(qiáng);S1給出光波水平方向線偏振分量與垂直方向線偏振分量的光強(qiáng)差;S2表示光波+π/4方向線偏振分量與-π/4方向線偏振分量的光強(qiáng)差;S3表示光波右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量的光強(qiáng)差。DOLP是線性偏振光強(qiáng)度和總光強(qiáng)度之比，DOCP是圓偏振光強(qiáng)度和總光強(qiáng)度之比。當(dāng)出射光的DOP小于入射光時(shí)，具備偏振調(diào)制條件。激光與帶有薄膜的石榴石作用，線偏振光比圓偏振光增加量的減小，則散射效應(yīng)就可改變光的偏振特性。

文中可借助Mueller矩陣來(lái)表示光束的偏振特性，利用Mueller矩陣可將入射光的斯托克斯矢量與出射光的斯托克斯矢量聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)激光束與帶有薄膜的石榴石相互作用后，出射光的斯托克斯矢量可表示為

這里，β是背向散射系數(shù);d是去極化散射介質(zhì)，其值的范圍是0～1。

1.2 單片機(jī)控制旋轉(zhuǎn)原理

本文通過(guò)單片機(jī)控制夾具的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶有薄膜的石榴石樣品的旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)部分主要由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和可旋轉(zhuǎn)夾具構(gòu)成。偏振調(diào)制系統(tǒng)采用89C52單片機(jī)控制，鍵盤和液晶顯示器與單片機(jī)的IO口相連，鍵盤用于輸入需要旋轉(zhuǎn)的角度，液晶顯示屏可顯示輸入和已旋轉(zhuǎn)的角度。步進(jìn)電機(jī)具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，每一步精度都在3%～5%，且不會(huì)將上一步的誤差積累到下一步，有較好的位置精度，因此可實(shí)現(xiàn)角度和速度的精確控制。步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的IO口相連接，單片機(jī)根據(jù)輸入角度控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而帶動(dòng)夾具以設(shè)定的角度精確旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制的光學(xué)電流互感器偏振調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由激光、透鏡、可旋轉(zhuǎn)的夾具(帶薄膜的石榴石樣品固定在夾具中)、偏振儀、計(jì)算機(jī)和單片機(jī)組成。光源，透鏡，可旋轉(zhuǎn)的夾具，偏振儀固定在同一條直線導(dǎo)軌上。偏振調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光源是中心波長(zhǎng)為1 550 nm的連續(xù)激光，功率為18 mW。互感器的敏感元件石榴石樣品是以0.39 mm×3 mm×3 mm石榴石材料為襯底，通過(guò)磁控濺射的方法在其表面鍍一層永磁薄膜，條狀薄膜的寬度和問(wèn)距均為200μm，最后對(duì)其進(jìn)行充磁，樣品示意圖如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)前，調(diào)節(jié)樣品旋轉(zhuǎn)找到DOP的最小值并記錄為0°值。樣品在單片機(jī)的控制下以設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)，入射光與樣品作用后出射，經(jīng)由TXP偏振計(jì)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。通過(guò)計(jì)算上的TXP Polarimeter軟件來(lái)觀察并記錄S1，S2，S3及DOP值。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

單片機(jī)控制的光學(xué)電流互感器偏振調(diào)制實(shí)驗(yàn)是在室溫條件下進(jìn)行。該測(cè)試采用3種實(shí)驗(yàn)樣品，分別是無(wú)薄膜石榴石，薄膜厚度為500 nm和薄膜厚度為1 000 nm的石榴石。確定實(shí)驗(yàn)所需的0°值后，設(shè)定單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)角度是5°。樣品在單片機(jī)控制下，每旋轉(zhuǎn)5°記錄一組數(shù)據(jù)包括S1，S2，S3，DOP。經(jīng)過(guò)Origin處理記錄的數(shù)據(jù)后，分別得到無(wú)薄膜石榴石，薄膜厚度為500 nm和薄膜厚度為1 000 nm的石榴石樣品的S1，S2，S3和DOP與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)樣品是無(wú)膜石榴石時(shí)，隨著樣品的旋轉(zhuǎn)，S1，S2，S3，DOP值基本保持不變，這意味著無(wú)膜石榴石不能調(diào)制入射光的DOP。當(dāng)樣品是膜厚500 nm和1 000 nm石榴石時(shí)，隨著角度變化，兩者的DOP均發(fā)生了明顯變化，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到70°時(shí)，二者的DOP均達(dá)到最大值。其中，500 nm樣品的DOP從0.27變化到了0.94，1 000 nm樣品的DOP從0.16變化到了0.88。由式(3)～式(5)計(jì)算得到500 nm樣品的DOLP從0.883 75升到0_989 95，DOCP從0.467 95降到0.141 36。1 000 nm樣品的DOLP從0。902 68升到0.999 92，DOCP從0.430 14降到0.012 25。結(jié)合式(6)～式(7)可分析得出散射矩陣調(diào)制圓偏振光比線偏振光要多，因此通過(guò)旋轉(zhuǎn)鍍膜石榴石樣品，當(dāng)入射光與樣品作用后，出射光的DOP可發(fā)生改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)光學(xué)電流互感器磁光介質(zhì)偏振性的研究，提出了一種用單片機(jī)控制樣品旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制入射光束DOP的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鍍膜石榴石樣品，不僅可調(diào)制入射光的偏振特性，且調(diào)制的DOP值域范圍相對(duì)于光通過(guò)無(wú)序介質(zhì)等方法更大，多次實(shí)驗(yàn)證明了、該方法的可行性和有效性。研究結(jié)果表明，電式電流互感器的測(cè)量精度及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。