CN101320055A - 全光纤电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤电流传感器，该全光纤电流传感器由3x3保偏光纤耦合器组成。本发明的一实施例直通式干涉型全光纤电流传感器包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；光源连接到3x3保偏光纤耦合器的一端，3x3保偏光纤耦合器的其中两端口分别和两个光纤偏振器连接，两个光纤偏振器的另一端分别通过1/4光纤波片接到传感光纤环；3x3保偏光纤耦合器的其中一端口空置；3x3保偏光纤耦合器的剩余两端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。此外，本发明另一实施例反射式干涉型全光纤电流传感器中，同样采用了3x3保偏光纤耦合器。本发明的全光纤电流传感器避免人为地制造相位差，使电流传感系统工作更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光纤电流传感器，特别涉及一种由3x3保偏光纤耦合器组成的全光纤电流传感器。
背景技术
目前交流大电流的测量一般采用电流互感器的方法，在超高压状态下，由于绝缘比较困难，超高压的电流互感器制作复杂，因而价格十分昂贵。而制作光纤的石英材料本身就是非常好的绝缘体，用光纤制成的光纤电流传感器来测量电流，理论上能够测量所有高压状态下的电流。所以一般认为光纤电流传感器是高压电流互感器的理想替代品。
光纤电流传感器是利用光的法拉第效应，即在被测量电流的外面绕上适当圈数的光纤，当导体内有电流流过时在其周围就产生对应的磁场，该磁场使得绕在导体外面的光纤内传输的光的偏振方向变化一定角度，这就是法拉第效应。检测出这个法拉第效应引起的角度变化量就能得到导体内对应的电流。但是由于法拉第效应非常小，直接检测角度非常困难，所以目前通常使用干涉法。
干涉法的基本思路是先把由法拉第效应产生的偏振光偏振方向的角度变化转换成偏振光的相位变化，即先把光波电场矢量振动的空间变化转换成时间变化，再采用Sagnac干涉回路进行干涉检测。具体实现的方法是在探测光纤环的两端接上两个1/4波片，使得注入的线偏振光通过第一个1/4波片后变成园偏振光，然后再通过第二个1/4波片后变回到线偏振光。这样当光纤环内有电流流过时，由于法拉第效应使得环内的园偏振光的振动方向旋转了一定的角度，而对于园偏振光来讲这个变化了的角度就是光波变化了的相位。然后通过第二个1/4波片后，在把园偏振光变回到线偏振光的同时，也把园偏振光的相位变化量转变成为线偏振光的相位变化量。这样，假如一束线偏振光通过一个2x2保偏光纤耦合器分成两束相干的线偏振光，再分别经过两个1/4波片变成两束相干的园偏振光，再分别进入光纤传感环的两个端口。在经过法拉第效应后这两束园偏振光分别经过第二个1/4光波波片把携带着法拉第角度变化的园偏振光转变成携带着相位变化的线偏振光再分别回入2x2保偏光纤耦合器进行Sagnac干涉。干涉信号的大小即对应于光纤环内导体所通过的电流的大小。
由于Sagnac干涉法检测光波的相位差具有灵敏度高、稳定性较好的优点，所以目前对光纤电流传感器的研究较多地集中在这一方法上。但由于2x2光纤耦合器的耦合臂和直通臂之间存在着一个固定的相位差是π/2，所以在Sagnac光路中必须添加上一个相位偏置，使得它的干涉工作点离开最不灵敏的干涉工作点，而在采用Y型平面波导时也同样存在着这一问题。美国专利US6188811A中分别对2x2保偏光纤耦合器和Y型平面波导组成的Sagnac干涉光路中提出数种设置相位偏置的方法。
鉴于由2x2光纤耦合器组成的电流传感器存在上述缺点，业界尝试采用3x3光纤耦合器组成Sagnac光路来解决相位偏置的问题，但已有报道公开的技术中采用常规的3x3光纤耦合器，由于常规光纤没有保持偏振的能力，所以使用常规光纤制备的3x3光纤耦合器组成的Sagnac干涉光路不稳定，无实用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种的全光纤电流传感器，它通过采用3x3保偏光纤耦合器，能提供稳定的Sagnac干涉光路，且不需要添加额外的相位偏置装置。
为解决上述技术问题，本发明的全光纤电流传感器，采用3x3保偏光纤耦合器作为整个器件的耦合器。
本发明的其中一个应用为直通式干涉型全光纤电流传感器，其主要由光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环组成；光源连接到3x3保偏光纤耦合器的一端，3x3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和两个光纤偏振器连接，两个光纤偏振器的另一端则分别通过1/4光纤波片接到传感光纤环的两端；3x3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；3x3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
本发明的又一应用为反射式干涉型全光纤电流传感器，其主要由光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片、保偏光纤偏振分离器和传感光纤环组成；光源连接到3x3保偏光纤耦合器的一端，3x3保偏光纤耦合器的两个端口分别和两个光纤偏振器连接，该两个光纤偏振器通过一个保偏光纤偏振分离器与一个1/4光纤波片相连接，其中保偏光纤偏振分离器的一端和其中一个光纤偏振器的用旋转90°焊接头连接，保偏光纤偏振分离器的另一端通过0°焊接头与另一光纤偏振器相接，并由1/4光纤波片连接传感光纤环和保偏光纤偏振分离器；3x3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；3x3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
本发明的全光纤电流传感器中，采用3x3保偏光纤耦合器和两个光纤偏振器以及传感光纤组成的光纤Sagnac干涉光路来传感交流电流，3x3保偏光纤耦合器各臂(端口)之间的有固定的120°光波相位差，其光路中已经存在固定的相位偏置，把它使用在Sagnac干涉光路中时不需要添加另外相位偏置装置，这样不但简化了光路，而且消除了由于添加的相位偏置的漂移而引起电流传感器产生测量误差的问题，使Sagnac干涉光路更稳定。同时在本发明的全光纤电流传感器系统中加接两个光纤偏振器，消除了1/4光纤波片在把园偏振光变回到线偏振光时所产生的不完善性问题，因此这两个光纤偏振器有着降低噪声提高电流测量精度的功能。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明的直通式干涉型全光纤电流传感器的具体实施例一；
图2是本发明的直通式干涉型全光纤电流传感器的具体实施例二；
图3是本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器的具体实施例一；
图4是本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器的具体实施例二；
图5是本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器的具体实施例三。
具体实施方式
本发明的全光纤电流传感器中的光线耦合器采用3x3保偏光纤耦合器，以下介绍采用本发明的两种全光纤电流传感器：第一种全光纤电流传感器主要由光源，3x3保偏光纤耦合器，光纤偏振器，1/4光纤波片，保偏光纤偏振分离器(也可以用1x2保偏光纤耦合器)和传感光纤环(环绕导体的)组成，称为反射式干涉型全光纤电流传感器；第二种全光纤电流传感器主要由光源，3x3保偏光纤耦合器，光纤偏振器，1/4光纤波片和传感光纤环组成，称为直通式干涉型全光纤电流传感器。
图1为本发明的直通式干涉型全光纤电流传感器的一实施例，该电流传感器中各器件的连接关系为：光源通过光纤偏振器(此系统中该光纤偏振器可省略)连接到3x3保偏光纤耦合器的一端，3x3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别连接光纤偏振器1和光纤偏振器2，两个光纤偏振器另一端则分别通过1/4光纤波片接到传感光纤环的两端；3x3保偏光纤耦合器的其中一端口空置，为了避免该端口的端面反射光对整个传感器的影响，可以把它切成斜面或进行高回损处理；3x3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。该电流传感器系统中所有焊接处均采用0°焊接头。本发明的直通式干涉型全光纤电流传感器系统，还可以作以下变化：把光纤偏振器1和光纤偏振器2分别接在3x3保偏光纤耦合器和光探测器之间，而3x3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别直接和1/4光纤波片以0°焊接头连接(见图2)。
图3为本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器一实施例，这种全光纤电流传感器与上述直通式干涉型光纤电流传感器不同点在于：与3x3保偏光纤耦合器连接的两个光纤偏振器通过一个保偏光纤偏振分离器与1/4光纤波片相连接，最后由1/4光纤波片连接传感光纤环，传感光纤环的另一端装设有反射膜，其中保偏光纤偏振分离器的一端和光纤偏振器1用旋转90°焊接头连接，另一端通过0°焊接头与光纤偏振器2相接。图5为在光源和3x3保偏光纤耦合器间省略了光纤偏振器的反射式干涉型全光纤电流传感器系统示意图。上述本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器系统中，可用1x2保偏光纤耦合器替代保偏光纤偏振分离器，它的一端和光纤偏振器1用旋转90°焊接头连接，另一端用旋转0°焊接头连接和光纤偏振器连接。本发明的反射式干涉型全光纤电流传感器，还可以作以下变化：把光纤偏振器1和光纤偏振器2分别接在3x3保偏光纤耦合器和光探测器之间，而3x3保偏光纤耦合器的其中一个端口通过旋转90°焊接头与保偏光纤偏振分离器相接，3x3保偏光纤耦合器的其中一个端口分别直接和保偏光纤偏振分离器以0°焊接头连接(见图4)。
以反射式干涉型全光纤电流传感器系统为例，来说明光线在该全光纤电流传感器系统中的变化。从3x3保偏光纤耦合器两个端口输出的偏振光经光纤偏振器后其偏振方向均为x方向：从光纤偏振器2输出的x方向的偏振光经保偏光纤偏振分离器(此时起到偏振合波器的作用)和1/4光纤波片后成为右旋园偏振光，而后经传感光纤环反射后变成左旋偏振光，左旋偏振光通过1/4光纤波片后成为y方向的线偏振光，从保偏光纤偏振分离器的另一个端口输出经过旋转90°焊接头后仍然变成x方向的线偏振光，经过光纤偏振器1后再回到3x3保偏光纤耦合器的另一个端口进行干涉；从光纤偏振器1输出的x方向的偏振光，经过90°旋转焊接头后变成y方向的线偏振光再通过保偏光纤偏振分离器(此时起到偏振合波器的作用)和1/4光纤波片后为左旋园偏振光，它经过传感光纤环并反射后成为右旋园偏振光，并经1/4光纤波片后称为x方向的线偏振光，再经过光纤偏振器2后回到3x3保偏光纤耦合器后进行干涉。最后干涉后的光信号在3x3保偏光纤耦合器的另二个端口输出，经光探测器后进入信号处理器中进行数据处理。
Claims (8)
1、一种全光纤电流传感器，该全光纤电流传感器包括有光纤耦合器，其特征在于：所述光纤耦合器为3×3保偏光纤耦合器。
2、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器的另一端则分别通过1/4光纤波片接到所述传感光纤环的两端；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
3、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别通过两个1/4光纤波片接到所述传感光纤环的两端；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口和所述两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器的另一端则分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
4、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片、保偏光纤偏振分离器和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器通过一个所述的保偏光纤偏振分离器与一个所述1/4光纤波片相连接，其中所述保偏光纤偏振分离器的一端和所述其中一个光纤偏振器用旋转90°焊接头连接，所述保偏光纤偏振分离器的另一端通过0°焊接头与所述另一光纤偏振器相接，由所述1/4光纤波片连接所述传感光纤环和所述保偏光纤偏振分离器；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
5、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片、保偏光纤偏振分离器和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和所述保偏光纤偏振分离器的两个臂对轴焊接，其中所述3×3保偏光纤耦合器的一个端口与所述保偏光纤偏振分离器一个臂以旋转90°焊接头连接，另一端口与所述保偏光纤偏振分离器另一个臂以0°焊接头连接，所述保偏光纤偏振分离器又与一个1/4光纤波片相连接，由所述1/4光纤波片连接传感光纤环；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别和两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
6、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片、1×2保偏光纤耦合器和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器通过所述1×2保偏光纤耦合器与所述1/4光纤波片相连接，其中所述1×2保偏光纤耦合器的一端和所述其中一个光纤偏振器用旋转90°焊接头连接，所述1×2保偏光纤耦合器的另一端通过0°焊接头与所述另一光纤偏振器相接，由所述1/4光纤波片连接传感光纤环；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
7、按照权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于：
包括有光源、3×3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片、1×2保偏光纤耦合器和传感光纤环；
所述光源连接到所述3×3保偏光纤耦合器的其中一端口，所述3×3保偏光纤耦合器的其中两个端口分别和所述1×2保偏光纤耦合器的两个臂对轴焊接，其中所述3×3保偏光纤耦合器的一个端口与所述1×2保偏光纤耦合器一个臂以旋转90°焊接头连接，另一端口与所述1×2保偏光纤耦合器另一个臂以0°焊接头连接，所述1×2保偏光纤耦合器又与一个1/4光纤波片相连接，由所述1/4光纤波片连接传感光纤环；所述3×3保偏光纤耦合器的其中一个端口空置；所述3×3保偏光纤耦合器的剩余两个端口分别和两个光纤偏振器连接，所述两个光纤偏振器分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
8、按照权利要求2至7中任一项权利要求所述的全光纤电流传感器，其特征在于：所述光源与所述3×3保偏光纤耦合器之间还接入一光纤偏振器。
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