带有可调法拉第旋转器的光纤电流传感器，用于脉冲电流测量

《Sensors and Actuators A: Physical》：Fiber optic current sensor with a tunable Faraday rotator for pulsed-current measurement

　　田俊东|柯远科|向鹏|李灿|夏莉|李建国|徐子莉|李伟|罗传贤
华中科技大学光电子信息学院，武汉430074，中国

**摘要**
脉冲功率计量需要具备宽带宽和长期稳定性的传感器。本文介绍了一种基于偏振闭环的光纤电流传感器。在该传感器中，将一种Bi取代的铁石榴石可调法拉第旋转器（TFR）插入光路中，以将工作点置于接近45°灵敏度最大值的位置。现场可编程门阵列（FPGA）实现信号的差分归一化，并通过比例-积分（PI）控制器控制输出电压，从而调节TFR中的偏振旋转角度。在瞬态捕获过程中，门控信号会暂时冻结电压，保持光路的全部带宽并防止失真。在-40至50°C的温度循环下，启用偏振反馈后，零点漂移范围比开环操作时减少了7.7倍。在偏振反馈控制下，可以测量宽度为500 μs、电流范围为100至1000 A的脉冲，且线性度优异；对于50至500 μs的脉冲宽度测量结果，与商用罗戈夫斯基线圈的时间指标一致。50 μs的下限由外部脉冲源决定，而非磁光响应本身，后者本质上支持亚微秒级动态响应。这些结果展示了利用偏振闭环反馈实现稳定、高动态范围脉冲电流计量的实用方法。此外，还提出了一种时分复用双通道方案，以实现连续的“全时间”覆盖，而不牺牲零点稳定性。

**引言**
脉冲功率系统的快速发展增加了对具有宽带宽、扩展动态范围和强电磁抗干扰能力的电流计量的需求。基于法拉第效应的光纤电流传感器（FOCS）提供了固有的电气隔离、高电压安全性和对电磁干扰的抵抗力，同时支持从直流到高频范围内的测量。这些特性在需要高绝缘强度和强电磁抗干扰的场景中特别具有吸引力。典型应用包括高压测试环境中的雷电和冲击电流监测[1]，以及脉冲功率设施中的大幅度瞬态电流特性分析[2]。在电力电子平台中，这种能力也适用于在调试测试、故障事件和切换操作期间捕获快速电流瞬变，因为传统电气传感器可能受到接地和干扰的限制。因此，它们已成为传统电流变压器和罗戈夫斯基线圈的可靠替代品，其设备级和系统级的成熟度不断提高。

法拉第效应表现出超快的磁光响应。在微结构光纤和集成平台上，已经报道了远超脉冲功率计量要求的带宽，包括接近吉赫兹范围的演示，这为亚微秒级脉冲测量提供了坚实的物理基础[2]。所有用于大幅度瞬态电流的光纤方法也在不断发展，例如，最近提出的高频互易结构能够在单一架构中提高灵敏度和动态范围[3]。

然而，将这种物理潜力转化为工程级别的长期计量能力仍受到两个问题的阻碍。首先，温度、应力和弯曲引起的线性双折射波动，以及Verdet常数的温度变化，会导致零点漂移和灵敏度变化，从而影响长期稳定性[4][5]。其次，闭环偏置抑制与瞬态带宽之间存在权衡。干涉式闭环技术可以显著减少零点漂移，但传感器的带宽会受到调制频率的限制[6]。为了解决这些问题，先前的工作改进了光纤本身和读出电路。旋制光纤和偏振状态优化减少了有效线性双折射对偏振解调的影响，而闭环方案和集成光子电路提高了抗干扰能力和计量性能[7][8]。热诱导的误差机制也已被建模和测量，为补偿策略提供了基础[9][10]。

在材料和器件层面，Bi取代的铁石榴石（Bi:RIG）在1.3至1.55 μm波段具有较大的法拉第旋转角和强大的集成潜力。这些薄膜能够在小尺寸下实现大旋转的紧凑型磁光器件，其通信波段的性能已通过实验进行了表征和评估[11][12][13]。对于脉冲电流计量，已经验证了多种技术途径[14][15]。然而，仍缺乏一种系统化的、面向工程的解决方案，以在不可预测的触发条件下实现连续捕获，同时保持一致的校准和零点稳定性。

针对这一背景，我们提出了一种带有门控测量的偏振闭环框架。基于Bi:RIG的可调法拉第旋转器（TFR）被嵌入感测回路中，将工作点置于接近45°的位置，从而实现最大灵敏度，并通过偏振闭环抑制零点漂移。在瞬态捕获过程中，门控信号会冻结反馈，以保持全部瞬态带宽。此外，还提出了一种时分复用（TDM）“全时间”策略，在连续监测未知时间发生的脉冲的同时保持偏置。在-40至50°C的温度循环下，闭环提高了零点稳定性。此外，对于宽度为50至500 μs、电流范围为100至1000 A的脉冲测量结果，在幅度和时间指标上与罗戈夫斯基线圈一致。

**实验方法和仪器**
该平台包括一个SLD光源（THORLABS S5FC1018P，1310 nm）、两个光电二极管（CONQUER）、一个恒流驱动器（CCDM，XTECH，LD-5 A–24V）和一个FPGA（XCZU15EG）。MFG是一个920匝的螺线管，Bi:RIG晶体位于螺线管中心附近，此处磁场大致均匀。为了减轻螺线管自热和Bi:RIG Verdet常数的温度依赖性，我们对TFR封装实施了局部温度调节（图4）。

**讨论**
在实际应用中，被测电流的起始时间往往是不可预测的。为了在不影响零点稳定性的情况下扩展传感器的应用范围，我们提出了一种基于TDM的连续覆盖测量策略。如图8所示，核心思想是以交替方式运行两个相同的偏振闭环系统：一个进入“测量窗口”（关闭反馈）以捕获全带宽瞬变，而另一个同时进行测量。

**结论**
我们提出并实现了一种用于脉冲电流计量的FOCS架构，将Bi:RIG-TFR集成到光路中，并采用偏振闭环控制将工作点置于接近45°灵敏度点，同时抑制零点漂移。在瞬态测量过程中，关闭反馈以保持测量带宽，而不影响零点稳定性。实验表明，在-40至50°C的温度循环下，启用偏振反馈后……

**作者贡献声明**
田俊东：撰写原始草稿、数据整理、概念构思。
柯远科：软件开发、研究。
向鹏：软件开发。
李灿：验证。
夏莉：项目管理、方法论。
李建国：项目管理。
徐子莉：资源协调、资金获取。
罗传贤：资源协调、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
李伟报告称获得了国家市场监督管理委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家市场监督管理委员会高压大电流测量与测试重点实验室的支持（项目名称：强电磁干扰下瞬态电流的光学测量技术研究，WG80-25-003）。

田俊东于2015年至2022年间在中国东北石油大学获得了工学学士和硕士学位。他目前在中国华中科技大学李莉教授的指导下攻读博士学位。他的近期研究兴趣包括光纤电流传感器。