1.本课题的研究背景及意义

电流是电力系统主要参数之一，对电流的测量是基本而且非常重要的任务，根据测量的结果，可以为电力系统提供用于计量、控制和继电保护等所必需的信息，因此对测量工具有很高的要求，如必须具备很高的准确度和稳定性。现在对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流互感器，这种传统的电磁感应式电流互感器在应用过程中，积累了丰富的实践经验，它的各种技术性能、指标均还保持着一定的优势，同时电磁感应原理原理简单，可靠性高，不易损坏，上述这些优点，是其的已普遍应用的原因之一。但是由于电磁式电流互感器结构原理的特性，使得它存在以下几个致命缺点：（1）存在绝缘问题，冲油的电磁式电流互感器使用在高压环境时，有可能发生绝缘击穿，从而引起对地断路或者突然爆炸的危险；（2）出现磁饱和的问题，电流互感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁饱和，这严重的影响了电流互感器的测量精确度;（3）存在电磁干扰问题，在高压环境中，电磁式电流互感器信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；（4）成本问题，电磁式电流互感器的成本随着被测量电流等级的增大，成指数增加这些电磁式电流互感器的缺点是由其基本结构造成的，是无法改变的。因此，在这种情况下研究新型的电流传感器，光纤电流传感器就孕育而生了。

光纤电流传感器真是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，自七十年代为史以来，受到各国广泛关注。与传统电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有以下优点：（1）绝缘性能非常好，从材料来说，光纤电流传感器所用的材料主要是石英光纤，它自身就是很好的绝缘体;（2）光纤电流传感器的结构中不含铁芯，因此不存在饱和、铁磁谐振等问题，测量准确度得到提高。（3）抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性，这样测量精度也能增大。（4）光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生的高压危险，从而消除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题。(5) 光纤电流传感器的体积小，重量轻，光纤电流传感器的传感头，重量小于一公斤。据美国西屋公司公布的磁光式345KV光纤电流互感器，其高度为2.7米，重量为100公斤，而同等电压等级的冲油式电磁式电流互感器，高为6.1米，重达7718公斤。(6)适应了电力保护和计量数字化、智能化以及光通信的发展趋势。（7）测量的动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。（8）测量的频带宽。

光纤光栅传感器研究方向主要有：（1）对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；（2）开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统研究；（3）实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，但在性能和功能方面需要提高。但可以说，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近。我国对光纤光栅传感器研究相对较晚，但已经有较大发展，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感器将有广阔的发展前景。

2．光纤光栅传感器基本原理

当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用会直接或间接地发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得到作用在光纤外面的物理量的大小，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。

光纤传感，包括对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即可”感知”外界信号的变化。这种感知实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施的调制。所谓传输，是指光纤格受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按照需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两个方面的技术，即外界信号如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从已被调制的光波中提取外界信号的解调技术(或检测技术)。

光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。从光纤作用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器。在非功能型传感器中光纤仅起到传光的作用；而在功能型传感器中光纤既超到传光的作用又起到传感的作用。在晷莳开发的高精度、高分辨力及结构小型化的传感器中多以功能型传感器为主。从光调制方式的角度分类，主要有光强调制型、偏振调制型和相位调制型。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此偏振调制型和相位调制型传感器是目前研究和开发的主要对象。本文设计的光纤电流传感器就是相位调制型光纤电流传感器。相位调制型光纤传感器的原理是利用外界因素引起光纤中的相位发生变化，以此来探测各物理量。

3．本课题国内外的研究现状

随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，促进了各国对新型互感器的研究。国外早在60年代就已经开始对光纤电流传感器进行研究了，到现在从事光纤电流传感器研究的单位有：美国国家标准技术研究所。ABB跨国公司、法国的ALTHOM公司，加拿大的Metaphase公司、日本的东电、住友公司等等。在国内，从80年代起，也开始投入了大量的人力和财力从事光纤电流传感器的研究开发，主要是：清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、燕山大学等，并且取得较好成果。