專利名稱：光纖電流傳感器線圈及光纖電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種傳感器，尤其涉及一種光纖電流傳感器線圈及光纖電流傳感器。
背景技術(shù)：
電流是電力系統(tǒng)的基本參數(shù)之一，對(duì)電流的測(cè)量是其基本并且非常重要的任務(wù)， 根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，可以為電力系統(tǒng)提供用于計(jì)量、控制和繼電保護(hù)等所必需的信息，因此對(duì)測(cè)量工具有很高的要求。近年來(lái)隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增大，電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)和額定電流都有大幅度的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流測(cè)量設(shè)備已經(jīng)越來(lái)越不能滿足要求。光纖電流傳感正是為了克服電磁式電流傳感器的缺點(diǎn)而研制的，自七十年代問(wèn)世以來(lái)，受到了各國(guó)的廣泛關(guān)注。光纖電流傳感器是基于Faraday效應(yīng)來(lái)檢測(cè)電流大小的光學(xué)傳感器件。Faraday效應(yīng)是指線性偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。目前，光纖電流傳感器的研究方向主要有兩個(gè)Aagnac干涉型光纖電流傳感器和反射式光纖電流傳感器。由于外加磁場(chǎng)使得物質(zhì)對(duì)左旋和右旋圓偏振光的折射率不同， Sagnac干涉型光纖電流傳感器就是利用兩束傳播方向相反、旋向相同的圓偏振光在傳播一段距離后產(chǎn)生的相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量。反射式光纖電流傳感器是利用兩束傳播方向相同、旋向相反的圓偏振光沿磁場(chǎng)傳播一段距離，經(jīng)鏡面反射，原路返回后引起的相位差實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量。限制光纖電流傳感器實(shí)用化的主要問(wèn)題是因振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起的^gnac 相位誤差，光纖中殘留的線性雙折射在溫度變化時(shí)引起的相位誤差等。Mgnac干涉型光纖電流傳感器的缺點(diǎn)Sagnac干涉型光纖電流傳感器采用Mgnac環(huán)形結(jié)構(gòu)，雖然提高了靈敏度，但很容易受^gnac效應(yīng)的影響，從而引起測(cè)量誤差、降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Sagnac效應(yīng)是指，當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形通道中前進(jìn)時(shí)，如果這個(gè)環(huán)形通道是轉(zhuǎn)動(dòng)的，沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間比沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間多，兩束光產(chǎn)生光程差，光程差大小與環(huán)形通道轉(zhuǎn)速成正比。因此，Mgnac干涉型光纖電流傳感器是一種角傳感器，對(duì)振動(dòng)比較敏感。高壓線路分布在室外，刮風(fēng)和振動(dòng)都會(huì)引起電流傳感器傳感部分振動(dòng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，從而影響到Mgnac式傳感器的實(shí)用性。反射式光纖電流傳感器的缺點(diǎn)由于反射式光纖電流傳感器利用兩束正交模式的偏振光傳輸產(chǎn)生的相位差，因此對(duì)光路中傳輸光的偏振態(tài)有比較嚴(yán)格的要求。受現(xiàn)有光纖制備工藝限制以及光纖形變影響，光纖中存在附加線性雙折射。由于光纖電流傳感器工作在室外，外界條件(如溫度)會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，這樣就會(huì)改變光纖中殘余線性雙折射的折射率大小，因此，兩束正交偏振光正向與反向經(jīng)過(guò)光纖后的光程不同，從而產(chǎn)生了一個(gè)相位差。這個(gè)相位誤差與法拉第相移一起影響著探測(cè)器探測(cè)的輸出光強(qiáng)，因此對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差，最終使計(jì)算得到的待測(cè)電流產(chǎn)生誤差，傳感器輸出的零偏較大。同時(shí)需要采用雙軸調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，穩(wěn)定性受到削弱。并且在調(diào)制過(guò)程中會(huì)引起兩正交模式的串?dāng)_，影響測(cè)量精度。因此，基于這些技術(shù)缺陷，目前這些電流傳感器不能滿足實(shí)際的需求，限制了其在工程上的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種靈敏度高、精度高、 可消除&ignaC效應(yīng)因而對(duì)振動(dòng)不敏感、采用雙光路感應(yīng)因而對(duì)溫度不敏感的光纖電流傳感器線圈及光纖電流傳感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供了一種光纖電流傳感器線圈，包括繞制在待測(cè)電流上的第一電流傳感光路，其特殊之處在于所述光纖電流傳感器還包括繞制在待測(cè)電流上并與第一電流傳感光路繞制方向相反的第二電流傳感光路。上述第二電流傳感光路包括第二四分之一波片、第二傳感光纖以及第二反射鏡； 所述第二四分之一波片通過(guò)第二傳感光纖接入第二反射鏡；所述第二傳感光纖繞制在待測(cè)電流上。上述第一電流傳感光路包括第一四分之一波片、第一傳感光纖以及第一反射鏡； 所述第一四分之一波片通過(guò)第一傳感光線接入第一反射鏡；所述第一傳感光纖繞制在待測(cè)電流上。上述第一傳感光纖與第二傳感光纖的繞制方向相反。一種光纖電流傳感器，其特殊之處在于所述光纖電流傳感器包括激光光源、起偏器、光纖耦合器、光電探測(cè)器、相位調(diào)制器以及光纖電流傳感器線圈；所述起偏器設(shè)置在激光光源的出射光路上；所述激光光源通過(guò)起偏器后與光電探測(cè)器通過(guò)光纖耦合器耦合后接入光纖電流傳感器線圈；所述相位調(diào)制器設(shè)置在光纖耦合器和光纖電流傳感器線圈之間的光路上。上述激光光源通過(guò)起偏器后與光電探測(cè)器通過(guò)光纖耦合器耦合后分為第一分支光路以及第二分支光路；所述第一分支光路和第二分支光路分別接入光纖電流傳感器線圈；所述相位調(diào)制器設(shè)置在任一分支光路上。上述第一分支光路接入第一四分之一波片；所述第二分支光路接入第二四分之一波片。上述起偏器的主軸方向分別與第一四分之一波片以及第二四分之一波片的兩軸夾角呈45°，所述起偏器的主軸方向與傳感光纖的快或慢軸相重合光纖電流傳感器，包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射鏡、第二反射鏡；其特殊之處在于第一四分之一波片與第一傳感光纖相連通，第二四分之一波片與第二傳感光纖相連通；第一傳感光纖與第二傳感光纖與是同種光纖且長(zhǎng)度相同；所述傳感光纖的尾端都接有反射鏡； 所述傳感光纖反向纏繞在待測(cè)電流上。本發(fā)明首先具有一般光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)絕緣性能非常好，從材料來(lái)說(shuō)光纖電流傳感器所用的材料主要是石英光纖，它自身就是非常好的絕緣體；光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)中不含有鐵芯，因此不存在磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題，測(cè)量準(zhǔn)確度得到了提高；抗電磁干擾能力強(qiáng)，光纖電流傳感器的信號(hào)由光來(lái)傳輸，具有抗電磁干擾性，這樣它測(cè)量的準(zhǔn)確度也能增大；光纖電流傳感器的低壓側(cè)不會(huì)有因開路而產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)，從而消除了傳統(tǒng)的電磁式電流互感器易燃易爆的問(wèn)題；光纖電流傳感器的體積小，重量輕。同時(shí)，本發(fā)明還具備一些獨(dú)到的特點(diǎn)1、可以減小溫度對(duì)光纖電流傳感器的影響，使光纖電流傳感器對(duì)溫度不敏感，提高零偏穩(wěn)定性。由于光纖在制備過(guò)程中會(huì)存在殘余的線性雙折射，外界溫度變化會(huì)引起線圈雙折射折射率的改變，從而改變傳播光波的光程。采用兩束線偏振光經(jīng)兩路光纖感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，由于在測(cè)量光路中，由于采用兩路旋向相同、傳播方向相反的偏振光往返通過(guò)感應(yīng)區(qū)，溫度變化引起的兩光路光程變化相同，也即相位改變量相同，因此相位改變是互易性的。而法拉第相移是非互易性的，因此，當(dāng)兩束光返回干涉時(shí)，溫度變化引起的相位變化因相同會(huì)相互抵消，而法拉第相移因符號(hào)相反而加倍。這樣，提高了光纖電流傳感器的溫度穩(wěn)定性，減小了系統(tǒng)的零偏值，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，具有一定的實(shí)用性。2、對(duì)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)不敏感，實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明的光纖電流傳感器在傳感部分振動(dòng)時(shí)， 輸出不會(huì)受到影響。因?yàn)楸景l(fā)明中的傳感光纖尾部有反射鏡，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在到達(dá)反射鏡前，光波在傳感光纖中因^gnac效應(yīng)而光程變長(zhǎng)，經(jīng)反射鏡反射后，光波原路返回， 則在傳感光纖中因Mgnac效應(yīng)而光程變短，由于正反向光波在同一根光纖中傳播，Sagnac 效應(yīng)恰好完全抵消。但由于電流產(chǎn)生的法拉第效應(yīng)引起的相移是非互易性的，因此不會(huì)抵消。這樣，第一傳感光纖7與第二傳感光纖9的兩束光波在相遇時(shí)產(chǎn)生的相位差只與電流大小有關(guān)。3、采用單軸調(diào)制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不存在模式串?dāng)_誤差。本發(fā)明使用兩束旋向相同的圓偏振光相向傳播，因此不存在兩正交模式的模式串?dāng)_，并且采用單軸調(diào)制相位即可，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。


圖1是本發(fā)明所采用線圈部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所提供的光纖電流傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-光源、2-起偏器、3-耦合器、4-調(diào)制器、5-第一四分之一波片、6-第二四分之一波片、7-第一傳感光纖、8-第一反射鏡、9-第二傳感光纖、10-第二反射鏡、11-待測(cè)電流、 12-光電探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供了一種光纖電流傳感器線圈，包括繞制在待測(cè)電流上的第一電流傳感光路，該光纖電流傳感器還包括繞制在待測(cè)電流上并與第一電流傳感光路繞制方向相反的第二電流傳感光路。第二電流傳感光路包括第二四分之一波片6、第二傳感光纖9以及第二反射鏡10 ； 第二四分之一波片6通過(guò)第二傳感光纖9接入第二反射鏡10 ；第二傳感光纖9繞制在待測(cè)電流11上。第一電流傳感光路包括第一四分之一波片5、第一傳感光纖7以及第一反射鏡 8 ；第一四分之一波片5通過(guò)第一傳感光纖7接入第一反射鏡8 ；第一傳感光纖7繞制在待測(cè)電流11上。第一傳感光纖7與第二傳感光纖9的繞制方向相反。
第一四分之一波片5與第一傳感光纖7相連通，第二四分之一波片6與第二傳感光纖9相連通；所述傳感光纖的尾端都接有反射鏡；所述第一傳感光纖7與第二傳感光纖 9為同種光纖且長(zhǎng)度相同；所述傳感光纖反向螺旋纏繞在待測(cè)電流11上。從光源發(fā)出的光波經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，通過(guò)耦合器3分為兩條光路，上光路接入相位調(diào)制器4后與第一四分之一波片5相連，進(jìn)入第一傳感光纖7 ；下光路直接與第二四分之一波片6相連，進(jìn)入第二傳感光纖9。線偏振器方向與兩個(gè)四分之一波片主軸夾角同為45°，且與傳感光纖中線性雙折射的主軸平行，以保持偏振光在傳感光纖中的偏振態(tài)。參見(jiàn)圖2，本發(fā)明的光纖電流傳感器中，光源發(fā)出的光波經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)耦合器3后分成兩束，一束經(jīng)過(guò)第一四分之一波片5的線偏振光被轉(zhuǎn)換成右旋(左旋)圓偏振光，經(jīng)過(guò)第一傳感光纖7傳輸?shù)降谝环瓷溏R8，發(fā)生反射后變成左旋 (右旋)偏振光，再經(jīng)過(guò)第一傳感光纖7到達(dá)第一四分之一波片5，轉(zhuǎn)換回線偏振光；另一束經(jīng)過(guò)第二四分之一波片6的線偏振光同樣被轉(zhuǎn)換成右旋(左旋)圓偏振光，經(jīng)過(guò)第二傳感光纖9傳輸?shù)降诙瓷溏R10，發(fā)生反射后變成左旋(右旋)偏振光，再經(jīng)過(guò)第二傳感光纖9 到達(dá)第二四分之一波片6，轉(zhuǎn)換回線偏振光；兩束光波回到耦合器3處時(shí)相遇干涉，干涉光強(qiáng)由耦合器3進(jìn)入光電探測(cè)器12進(jìn)行測(cè)量。這兩束光波在第一次經(jīng)過(guò)四分之一波片后旋向相同，只是在傳感光纖中的傳播方向相反。當(dāng)導(dǎo)線中有電流時(shí)，由于安培環(huán)路定理，在通電導(dǎo)線附近產(chǎn)生了感生磁場(chǎng)。當(dāng)光通過(guò)感生磁場(chǎng)作用的傳感光纖時(shí)，會(huì)受到法拉第磁光效應(yīng)。法拉第磁光效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式是沿磁場(chǎng)方向傳播的圓偏振光的光速發(fā)生變化，圓偏振光光速的變化與圓偏光的旋向(左右)以及光傳播方向(與磁場(chǎng)方向相同還是相反)有關(guān)。因此，當(dāng)一束圓偏振光經(jīng)過(guò)第一傳感光纖7時(shí)速度發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，旋向發(fā)生變化，同時(shí)光傳播方向(與磁場(chǎng)方向相同還是相反)也發(fā)生變化，所以這束圓偏振光仍然以這個(gè)速度傳播。這樣，這束圓偏振光返回到第一四分之一波片5時(shí)偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。 同理，另一束圓偏振光經(jīng)過(guò)第二傳感光纖9時(shí)同樣受到法拉第效應(yīng)，經(jīng)第二反射鏡10返回到第二四分之一波片6時(shí)偏振面也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。由于兩束圓偏振光的旋向相同，傳播方向相反，所以兩束光的偏振面旋轉(zhuǎn)的角度大小相等，方向相反。又由于兩束光都經(jīng)歷了兩次法拉第效應(yīng)，因此當(dāng)這兩束光經(jīng)過(guò)四分之一波片變?yōu)榫€偏振光干涉時(shí)，其相位差為4倍的法拉第相移Of = 4VHL = 2VLI/ π r(L =纏繞在電流上的傳感線圈1的長(zhǎng)度=傳感線圈2的長(zhǎng)度)。由此可知，相位差與電流大小成正比，測(cè)出某一時(shí)刻的相位差就可以知道該時(shí)刻相應(yīng)的電流大小。本發(fā)明的光纖電流傳感器對(duì)溫度不敏感。高壓線路分布在室外，溫度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，從而影響到傳感器線圈部分的溫度特性。受現(xiàn)有光纖制備工藝限制和外部形變影響， 光纖中含有附加線性雙折射，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，線性雙折射的折射率會(huì)發(fā)生變化，從而改變傳輸光波的光程。反射式光纖電流傳感器由于采用兩正交偏振光在一路光纖的傳輸相位差測(cè)量待測(cè)電流11，因此溫度改變時(shí)，由于線性雙折射的折射率隨溫度變化，造成兩正交偏振光往返經(jīng)過(guò)的光程不一樣，從而產(chǎn)生因溫度引起的相位誤差。因溫度變化造成的相位誤差會(huì)湮沒(méi)要測(cè)量的法拉第相移，從而使傳感器靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論預(yù)期值。而本發(fā)明采用兩束線偏振光偏振方向與感應(yīng)光纖的主軸方向平行，經(jīng)四分之一波片后變?yōu)樾蛳嗤膱A偏振光，通過(guò)兩路傳感光纖反向經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)域。兩路傳感光纖的尾端帶有反射鏡，因此兩束線偏振光在傳輸過(guò)程中同時(shí)經(jīng)歷了左旋圓偏振、右旋圓偏振、X軸和y軸。這樣，當(dāng)溫度發(fā)CN 102539873 A
生變化時(shí)，兩條光纖的線性雙折射同時(shí)發(fā)生變化，引起光程的改變。由于兩路偏振光的偏振態(tài)相同，所以因溫度引起的光程變化相同，也就是說(shuō)溫度引起的相位變化相同，具有互易性。因此兩束光在返回發(fā)生干涉時(shí)，溫度引起的相位差會(huì)相互抵消，輸出光強(qiáng)只與法拉第相移有關(guān)，測(cè)出干涉的相位差就可以測(cè)出相應(yīng)的電流。因此，本發(fā)明光纖電流傳感器消除了因溫度變化引起的附加線性雙折射帶來(lái)的相位差，對(duì)溫度變化不敏感。本發(fā)明的光纖電流傳感器中的兩束偏振光偏振態(tài)相同，在相位調(diào)制時(shí)使用單軸調(diào)制即可，降低的系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)，使用兩路相向傳播的光波感應(yīng)法拉第相移，不會(huì)存在兩模式間的串?dāng)_，提高了系統(tǒng)的精度。這種光纖電流傳感器，消除了 Mgnac效應(yīng)，因而對(duì)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)不敏感，同時(shí)，又消除了因光纖附加線性雙折射和溫度變化帶來(lái)的相位誤差，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，解決了光纖電流傳感器的應(yīng)用瓶頸，使光纖電流傳感器具有了實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種光纖電流傳感器線圈，包括繞制在待測(cè)電流上的第一電流傳感光路，其特征在于所述光纖電流傳感器還包括繞制在待測(cè)電流上并與第一電流傳感光路繞制方向相反的第二電流傳感光路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流傳感器線圈，其特征在于所述第二電流傳感光路包括第二四分之一波片、第二傳感光纖以及第二反射鏡；所述第二四分之一波片通過(guò)第二傳感光纖接入第二反射鏡；所述第二傳感光纖繞制在待測(cè)電流上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖電流傳感器線圈，其特征在于所述第一電流傳感光路包括第一四分之一波片、第一傳感光纖以及第一反射鏡；所述第一四分之一波片通過(guò)第一傳感光纖接入第一反射鏡；所述第一傳感光纖繞制在待測(cè)電流上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖電流傳感器線圈，其特征在于所述第一傳感光纖與第二傳感光纖的繞制方向相反。
5.一種光纖電流傳感器，其特征在于所述光纖電流傳感器包括激光光源、起偏器、光纖耦合器、光電探測(cè)器、相位調(diào)制器以及權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的光纖電流傳感器線圈；所述起偏器設(shè)置在激光光源的出射光路上；所述激光光源通過(guò)起偏器后與光電探測(cè)器通過(guò)光纖耦合器耦合后接入光纖電流傳感器線圈；所述相位調(diào)制器設(shè)置在光纖耦合器和光纖電流傳感器線圈之間的光路上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述激光光源通過(guò)起偏器后與光電探測(cè)器通過(guò)光纖耦合器耦合后分為第一分支光路以及第二分支光路；所述第一分支光路和第二分支光路分別接入光纖電流傳感器線圈；所述相位調(diào)制器設(shè)置在任一分支光路上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述第一分支光路接入第一四分之一波片；所述第二分支光路接入第二四分之一波片。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述起偏器的主軸方向分別與第一四分之一波片以及第二四分之一波片的兩軸夾角呈45°，所述起偏器的主軸方向與傳感光纖的快或慢軸相重合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖電流傳感器線圈及光纖電流傳感器，包括繞制在待測(cè)電流上的第一電流傳感光路以及繞制在待測(cè)電流上并與第一電流傳感光路繞制方向相反的第二電流傳感光路。本發(fā)明提供了一種靈敏度高、精度高、可消除Sagnac效應(yīng)因而對(duì)振動(dòng)不敏感、采用雙光路感應(yīng)因而對(duì)溫度不敏感的光纖電流傳感器線圈及光纖電流傳感器。
文檔編號(hào)G01R15/24GK102539873SQ201210006068
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者劉尚波, 徐金濤, 曹輝, 王嘉, 石念寶, 趙衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所