Моделирование распределенного измерителя силы тока на основе деформации оптического волокна

Due to the development of automation and control systems, methods and devices for measuring of electric current large values are of great interest. The aim of the work was to develop a schematic diagram of a distributed current strength sensor based on the Brillouin optical frequency domain analysis; to create a mathematical model of the sensor to demonstrate its work and to calculate the basic parameters of the sensor. To provide the measurement optical fiber with conductive coating is used. Between the current bus, where current is measured, and conductive coating the Ampere force arises. Strain occurs in optical fiber due to this force. Stimulated Brillouin scattering has the strain dependent characteristic frequency. Shift of the characteristic frequency allows to measure current in the bus. To measure the characteristic frequency and the location of its shift Brillouin optical frequency domain analysis is used.The mathematical model of sensor operation based on tree-wave model of stimulated Brillouin scattering is demonstrated. This model allows calculating intensity of optical signal in the fiber in dependence of characteristic frequency shift. Brillouin optical frequency domain analysis uses inverse Fourier transform to obtain pulse response.A schematic diagram of a distributed current sensor based on the method of Brillouin optical frequency domain analysis is presented. An a priori estimate of parameters of the measuring system was carried out on the basis of the mathematical model of stimulated Brillouing scattering in an optical fiber. The spatial resolution of the sensor when determining the length and location of fiber sections was 0.06 m. The resolution of the sensor was 0.22 kA, the maximum value of the current strength was 25 kA. Dependence of the sensor operation at different powers of the laser used was investigated. The refractive index change influence on the result of measurements was estimated.В связи с развитием систем автоматизации и контроля большой интерес вызывают методы и приборы для измерения больших значений силы тока. Целью работы являлась разработка принципиальной схемы распределенного сенсора силы тока на основе анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна; cоздание математической модели сенсора для демонстрации его работы и расчет его основных параметров.Для проведения измерений использовалось оптическое волокно с токопроводящим покрытием. Между токовой шиной, силу тока в которой необходимо измерить, и токопроводящим покрытием возникает сила Ампера, которая в свою очередь приводит к появлению деформации волокна. Вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна имеет характеристическую частоту, значение которой зависит от величины деформации волокна. Изменение значения этой частоты позволяет измерить значение силы тока в токовой шине. Для регистрации изменения частоты и фиксации местоположения возмущения использовался метод анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама– Бриллюэна.Приведена математическая модель работы сенсора на основе трехволновой модели вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Данная модель позволяет найти изменение интенсивности оптического сигнала, проходящего по оптическому волокну, в зависимости от изменения характеристической частоты рассеяния. Метод использует обратное Фурье-преобразование для построения функции импульсного отклика.Представлена принципиальная схема распределенного сенсора силы тока на основе метода анализа частотных характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Проведена априорная оценка параметров измерительной системы исходя из математической модели вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в оптическом волокне. Пространственное разрешение сенсора при определении длины и местоположения участков волокна составляет 0,06 м. Разрешающая способность сенсора составляет 0,22 кА, максимальное значение силы тока 25 кА. Исследована зависимость работы сенсора при различных мощностях излучения используемого лазера. Рассмотрено влияние изменения показателя преломления оптического волокна на результат измерения

A Loop All-Fiber Current Sensor Based on Single-Polarization Single-Mode Couplers

Low current sensitivity and insufficient system stability are two key problems in all-fiber current sensor (AFCS) studies. In order to solve the two problems, a novel AFCS combining single-polarization single-mode (SPSM) couplers and a loop structure is presented in this paper with a design that incorporates the advantages of both SPSM couplers and a loop structure. SPSM couplers are shown to simplify the AFCS system and reduce the risk of interference, and the loop structure can enhance the current sensitivity. Both theory and experiment prove that the new AFCS can simultaneously overcome two prevalent obstacles of low current sensitivity and low stability