看到科學家和工程師如何利用——從積極的意義上講——有點晦澀的基本物理原理來創造創新的傳感器，總是很有趣的。

例如，光纖對數據鏈路的有用性是眾所周知的，從短距離的板間和機箱內路徑到跨越數千公里的路徑。它們不受EMI/RFI和外部電子影響，非常適合高干擾情況下的數據鏈路。但它們也被用作壓力和壓力傳感器。

然而，光纖對永恒電磁影響的抗擾度只有在適當的環境和特殊的安排下才是正確的。有一種技術可以利用法拉第效應（是的，同樣的法拉第效應），即光通過磁場時偏振狀態的旋轉;該磁場可由電流感應（圖 1）。電流越大，磁場越大，因此極化旋轉越大。邁克爾·法拉第（Michael Faraday）在1845年研究磁場對平面偏振光波的影響時首次觀察到了這種效應。

圖1這是光纖電流傳感器中由于電流通過導體而導致的光偏振旋轉的表示。來源：光纖芯/人文

法拉第效應

將磁場強度與旋轉角度聯系起來的比例常數被稱為Verdet常數，以法國物理學家Marcel émile Verdet的名字命名，他在1870年代后期研究和量化了這種關系。Verdet 常數是衡量特定材料中法拉第效應強度的指標，值較大表示該材料具有很強的法拉第效應。

如果了解法拉第效應是構建可行的電流傳感器所需的全部內容，那就太好了，但在光學和電磁物理學領域，這絕非易事。原則上，只需將光纖纏繞在載流線上，即可使用Verdet效應來測量電流值。顯然，這種實現提供了高電壓值的電流（歐姆）隔離的重要屬性，這在電源相關應用中具有重要優勢。

當然，還有一些微妙的細節，比如克服現實世界的問題，使用法拉第效應作為可行的電流傳感器。正如預期的那樣，任何振動或熱波動都會影響沿光纖的偏振狀態，因此光纖必須與這些影響隔離開來，同時仍保持對場引起的偏振旋轉的敏感性。

該解決方案需要一種獨特的光纖，與傳統數據鏈路中使用的光纖非常不同。一種稱為旋轉高雙折射（SHB）光纖的高級光纖結構在微觀尺度上保持偏振，但在宏觀尺度上具有凈零雙折射;制造這種纖維是一項挑戰。

為此，用于制造光纖的玻璃被精確旋轉以產生偏振軸的恒定旋轉，沿光纖每隔幾毫米旋轉一次。結果是纖維結構，盡管光纖上存在機械應力，但仍能保持圓極化，并且仍然允許對Verdet效應敏感。

用于電流檢測的光纖

通過仔細平衡光纖的自旋節距和精確控制的雙折射水平，可以設計出光纖來克服卷取過程中彎曲引起的應力的影響，同時仍然對法拉第效應敏感。因此，可以使用更長長度的紡絲纖維，允許使用更多線圈直徑更小的纖維卷，從而提高靈敏度。

毫不奇怪，構建基于光纖的電流傳感器不僅僅是這個復雜而微妙的步驟（圖 2）。輸入激光束的圓偏振必須穩定，因此需要在傳感器光纖之前使用偏振控制光纖。反過來，這些光纖需要相當大的支持：四分之一波片、保持極化的延遲線圈、調制器光纖和偏振 Zing 光纖。Fibercore的Zing光纖是一種設計用于在指定波長范圍內僅支持一種偏振模式的光纖。

圖2高靈敏度光纖電流傳感器的光學原理圖顯示（1）寬帶摻鉺光源，（2）耦合器，（3）光電探測器，（4）偏振片，（5）45o熔接， （6） 光纖調制器， （7） 900 m 長延遲線圈， （8） 45o接頭，（9）四分之一波板，（10）16m紡高雙折射（HiBi）光纖和（11）鏡子。來源：光纖芯/人文

基于光纖的傳感器功能

通過仔細控制信號鏈中的每個階段并優化每個元件，傳感器可以提供高靈敏度和精度。1989年發表在IEEE光波技術雜志上的一篇詳細的技術論文“采用旋轉高雙折射光纖的電流傳感器”提供了基本的光學物理理論和必要的方程，還包括實際的竣工示例。

這似乎是一個不錯的實驗室項目，但這些光纖電流傳感器（FOCS）是否在現場安裝或測試過？作為這些傳感器的領先供應商，總部位于英國的Fibercore表示，它們已經在中國的全國配電網絡中使用，其他裝置正在其他地方進行。該公司認為，其中的優點是固有的電流隔離，并且大多數光學器件和電子設備可以遠距離放置和操作，而只有傳感器頭需要靠近載流線。

這并不是光纖唯一超越數據鏈路的迷人用途。Fibercore的網站對這些光纖還有許多其他用途，其中許多基于高度專業化的制造技術，能夠控制和管理光波長，偏振，反射和許多其他屬性，以創建針對專業挑戰的傳感器。我“有點”知道其中一些其他用途，但也有許多我沒有意識到存在。

高純度、超精密光纖技術的適應和發展最初是為數據鏈路設計的，以服務于非常不同的應用，這是科學家和工程師如何看待“其他地方”的先進并弄清楚如何以新的創新方式利用它們的另一個例子。

你見過的最“抽象”或最奇怪的物理原理是什么，用于傳感裝置或傳感器本身？必須識別和克服哪些限制因素和錯誤來源才能實現必要的性能？首先是誰想出這些想法的？畢竟，即使理論存在，許多根本不明顯。

編輯：黃飛