單片機控制的光學電流互感器偏振調制效應

摘要 帶有永磁薄膜的石榴石是光學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的控制下旋轉，旋轉的過程中同時觀察和記錄DOP的值，而DOP(偏振度)是光束中偏振部分的光強度和整個光強度之比。實驗得出：無鍍膜的石榴石對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制入射光的偏振特性，且調制的DOP值域范圍相對于光通過無序介質等方法更大，研究結果為石榴石型光電式電流互感器的測量精度及結構改進提供了理論基礎。

電流互感器是電力系統實現自動檢測和控制的重要環節。但是隨著智能電網的發展和普及，電網的電壓等級和容量不斷提高，現有的傳統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迫在眉睫。光電式電流互感器是以法拉第效應為基礎，間接對大電流進行測試的器件。與傳統電磁式電流互感器相比具有結構簡單、造價低、體積小、重量輕、運輸和安裝方便等優點。光電式電流互感器原理略有不同，但總的來看，制約其發展的主要問題還是磁光介質的特性。光纖偏振調制技術可用于溫度、壓力、振動、機械形變、電流和電場等檢測，主要應用于強電流檢測。

本文在一種石榴石型光電式電流互感器的設計基礎上，分析和討論了石榴石介質和永磁薄膜(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，并對得到的數據進行整理分析得出結論。實驗表明，通過旋轉石榴石樣品樣品，不僅可調制DOP(偏振度)，且其值域范圍相比傳統方法更大。

1 偏振調制原理和單片機控制原理

1.1 偏振調制原理

當光束穿過一種媒介時，反射光(R)，透射光(T)，吸收光(A)和散射光(Sc)的關系是

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;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差;S3表示光波右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量的光強差。DOLP是線性偏振光強度和總光強度之比，DOCP是圓偏振光強度和總光強度之比。當出射光的DOP小于入射光時，具備偏振調制條件。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，則散射效應就可改變光的偏振特性。

文中可借助Mueller矩陣來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系起來。當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;d是去極化散射介質，其值的范圍是0～1。

1.2 單片機控制旋轉原理

本文通過單片機控制夾具的旋轉來實現帶有薄膜的石榴石樣品的旋轉。如圖1所示，旋轉部分主要由單片機、步進電機和可旋轉夾具構成。偏振調制系統采用89C52單片機控制，鍵盤和液晶顯示器與單片機的IO口相連，鍵盤用于輸入需要旋轉的角度，液晶顯示屏可顯示輸入和已旋轉的角度。步進電機具有優秀的起停和反轉響應，每一步精度都在3%～5%，且不會將上一步的誤差積累到下一步，有較好的位置精度，因此可實現角度和速度的精確控制。步進電機與單片機的IO口相連接，單片機根據輸入角度控制步進電機旋轉的角度，進而帶動夾具以設定的角度精確旋轉。

2 系統結構設計

單片機控制的光學電流互感器偏振調制系統結構如圖2所示，系統主要由激光、透鏡、可旋轉的夾具(帶薄膜的石榴石樣品固定在夾具中)、偏振儀、計算機和單片機組成。光源，透鏡，可旋轉的夾具，偏振儀固定在同一條直線導軌上。偏振調制系統結構的光源是中心波長為1 550 nm的連續激光，功率為18 mW?；ジ衅鞯拿舾性袷瘶悠肥且?.39 mm×3 mm×3 mm石榴石材料為襯底，通過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距均為200μm，最后對其進行充磁，樣品示意圖如圖3所示。

實驗前，調節樣品旋轉找到DOP的最小值并記錄為0°值。樣品在單片機的控制下以設定的角度旋轉，入射光與樣品作用后出射，經由TXP偏振計進入計算機。通過計算上的TXP Polarimeter軟件來觀察并記錄S1，S2，S3及DOP值。

3 實驗與結果分析

單片機控制的光學電流互感器偏振調制實驗是在室溫條件下進行。該測試采用3種實驗樣品，分別是無薄膜石榴石，薄膜厚度為500 nm和薄膜厚度為1 000 nm的石榴石。確定實驗所需的0°值后，設定單片機控制的步進電機每次旋轉角度是5°。樣品在單片機控制下，每旋轉5°記錄一組數據包括S1，S2，S3，DOP。經過Origin處理記錄的數據后，分別得到無薄膜石榴石，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與旋轉角度的關系曲線，如圖4所示。

如圖4所示，當樣品是無膜石榴石時，隨著樣品的旋轉，S1，S2，S3，DOP值基本保持不變，這意味著無膜石榴石不能調制入射光的DOP。當樣品是膜厚500 nm和1 000 nm石榴石時，隨著角度變化，兩者的DOP均發生了明顯變化，當旋轉到70°時，二者的DOP均達到最大值。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。結合式(6)～式(7)可分析得出散射矩陣調制圓偏振光比線偏振光要多，因此通過旋轉鍍膜石榴石樣品，當入射光與樣品作用后，出射光的DOP可發生改變。

4 結束語

針對光學電流互感器磁光介質偏振性的研究，提出了一種用單片機控制樣品旋轉來調制入射光束DOP的方法。實驗結果表明，通過旋轉鍍膜石榴石樣品，不僅可調制入射光的偏振特性，且調制的DOP值域范圍相對于光通過無序介質等方法更大，多次實驗證明了、該方法的可行性和有效性。研究結果表明，電式電流互感器的測量精度及結構改進提供了理論基礎。