CN101403768A - 基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，它包括一光源、一第一传输光纤、一光纤传感头、一第二传输光纤以及一光电转换与信号处理单元。该光纤传感头包括一偏振分束器、一法拉第旋转器以及一带全反射镜的退火光纤环，该光源通过第一传输光纤将光传输至光纤传感头，其中，该退火光纤环在高温下退火，以消除光纤中的双折射，以提高传感头在环境温度变化下的稳定性。该光电转换与信号处理单元通过第二传输光纤连接传感头。

Description

基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统

技术领域

本发明涉及一种应用于电力部门的光电式互感器，特别是涉及一种基于光纤磁光效应(法拉第效应)的光纤电流传感测量系统。

背景技术

采用基于法拉第(Faraday)效应的光电式电流传感器与传统电磁式电流互感器相比具有明显的优点，因此在国际上受到广泛重视并进行了大量地研究。如图1所示，基于法拉第效应的偏振检测型电流传感系统基本构成包括依次排列的光源1、传输光纤2、起偏器3、传感光纤或磁光材料4、电流导线5、检偏器6、传输光纤7、光电转换及信号处理电路8。

根据法拉第效应的基本原理，若沿光纤传输方向存在磁场，则光纤中传输的线偏振光的偏振方向将发生旋转。如果磁场由导线中的电流产生，则可以根据检测光偏振方向的变化测量电流的大小。如图1所示，若传感光纤内部不存在双折射，且沿光纤长度方向磁场强度H均匀时，线偏振光的旋转角θ可由下式表示：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{L}V\stackrel{\mathrm{\ρ}}{H}\·d\stackrel{\mathrm{\ρ}}{l}=\mathrm{VHL}=\mathrm{VnI}$

其中，V为光纤材料的费尔德(Verdet)常数，L为光纤长度，I为导线中流过的电流，n为环绕光纤的导线匝数。

但在实际光纤中，由于光纤制作工艺的限制以及制作光纤传感线圈时引入的弯曲，这些不完善因素在光纤内部将产生双折射。光纤中双折射的存在会引起传输光的偏振态发生变化，使传感器的灵敏度降低及传感系统输出信号波动。

在基于Faraday效应的光纤电流传感系统中，为使系统输出信号对被测电流有最大的灵敏度，如图1所示，所用的检偏器光轴与光纤出射光的偏振方向应成45°夹角。传统的电流传感器使用半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)作为系统的光源，由于LD的输出为偏振光，而LED的输出光功率很弱，也有一定的偏振度，因此采用LD或LED光源通过光纤将光传输至起偏器时，系统输出光功率易随时间和环境因素的干扰而变化，造成传感系统输出信号发生较大的波动。

发明内容

本发明提供基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其克服了背景技术基于法拉第效应的光电式电流传感器所存在的灵敏度低、传感系统输出信号波动的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，它包括一光源、一第一传输光纤、一光纤传感头、一第二传输光纤以及一光电转换与信号处理单元。该光纤传感头包括一偏振分束器、一法拉第旋转器以及一带全反射镜的退火光纤环，该光源通过第一传输光纤将光传输至光纤传感头，其中，该退火光纤环在高温下退火，以消除光纤中的双折射，以提高传感头在环境温度变化下的稳定性。该光电转换与信号处理单元通过第二传输光纤连接传感头。

本发明的一较佳实施例中，该偏振分束器和法拉第旋转器直接一体化组合安装成组合器。

本发明的一较佳实施例中，该光源为半导体激光器泵浦掺铒光纤制作的放大自发辐射光源。

本发明的一较佳实施例中，该光电转换与信号处理单元包括一光电转换单元以及一数据采集与处理单元，该传感头输出的光通过第二传输光纤传输至光电转换单元，该光电转换单元将光信号转换为电信号，该数据采集与处理单元接收电信号并处理电信号以得电流值。

本发明的一较佳实施例中，该带全反射镜的退火光纤环包括一退火光纤环、一全反射镜以及一电流导线。该退火光纤环包括一引入段以及一绕成环状的由外及内的环段，而且，该退火光纤环的起始端连接组合器。该全反射镜设于退火光纤环的末端。该电流导线从光纤环的中心穿过。

本发明的一较佳实施例中，该退火光纤环制造过程包括：

首先，采用普通光纤制作好光纤环；

然后，在高温下退火。

本发明的一较佳实施例中，还包括一光纤光栅温度传感器，它设于传感头内，用于检测传感头的温度变化并根据温度变化对信号进行补偿。

与背景技术相比，本发明具有以下有益的效果：本发明的传感头采用了带全反射镜的退火光纤环，因此能在很大程度上消除应力在光纤中产生的双折射，能有效消除光纤内在以及制作光纤传感环路时弯曲产生的线双折射，能使偏振光在传感环路中传输时偏振态不随环境温度变化，能有高的电流灵敏度，能提高传感头在环境温度变化下的稳定性。由于反射使偏振光在传感光纤环路中来回通过，因此增大了被测电流信号。另外，采用申请人独特设计的一体化偏振分束与22.5°旋转器，可以使返回的偏振光与检偏器光轴成灵敏度最佳的角度。此外，采用这种一体化的器件在光路中免除了传统方案需要的光纤分束器或环形器，在提高系统稳定性的同时比采用光纤分束器的方案信号强度提高了1倍。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为背景技术的光纤电流传感测量系统框图。

图2为一较佳实施例的光纤电流传感测量系统框图。

具体实施方式

如图2所示，基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，它包括一光源1、一第一传输光纤2、一光纤传感头3、一第二传输光纤4以及一光电转换与信号处理单元5。

该传感系统的光源1采用半导体激光器泵浦掺铒光纤制作的放大自发辐射(ASE)光源。由于该光源输出光具有无偏振效应、宽带大功率的特点，因此经偏振分束器输出的光具有功率大、且光强不受环境温度和传输光纤引线状态变化而影响的优点，能有效消除光纤引线状态变化对传感系统输出信号的影响。

该光纤传感头3包括一组合器6以及一带全反射镜的退火光纤环。

该组合器6(FBS-FR)同时起到起偏、检偏、偏振方向旋转和分束的4大功能，它包括直接一体组合安装的一偏振分束器和一单程旋转角为22.5°、非互易的法拉第旋转器。采用一体化组合器设计新型光纤电流传感光路，解决了常规的光纤起偏、检偏器由于光纤引线较长的问题，解决了在实际使用时会引起传输光偏振态不稳定和变化的问题。该组合器同时实现起偏与最佳偏置角(45°)检偏功能，在反射式光路设计中同时还具有入射、反射光空间分离功能，既简化了光纤传感系统光路，又在光路上省略了反射式光路需要的50∶50分光器件，将反射光信号强度增大了一倍。该组合器同时对入射光起偏、返回光检偏以及使返回光偏振方向与检偏器光轴成45°夹角作用，大大简化了传感光路，提高了传感系统的稳定性和可靠性，使传感器工作点设置在最佳位置。该组合器6的具体结构及构成请参照本申请人在先申请ZL200620156549.0实用新型，它公告于2007年12月12日。

该带全反射镜的退火光纤环包括一退火光纤环7、一全反射镜8以及一电流导线9。该退火光纤环7包括一引入段以及一绕成环状的由外及内的环段，由于反射使偏振光在传感光纤环路中来回通过，因此增大了被测电流信号。而且，该退火光纤环7具有两个连接端，一个为引入段的端头(起始端)，另一个为环段的内端头(末端)。该引入段的端头连接组合器6，该环段的内端头连接全反射镜8。该电流导线从光纤环的中心穿过。其中，该退火光纤环7制造过程包括：首先，采用普通光纤制作好的光纤环7；然后，在高温下退火。消除光纤内在以及制作光纤传感环路时弯曲产生的线双折射，使偏振光在传感环路中传输时偏振态不随环境温度变化，并有高的电流灵敏度，提高传感头6在环境温度变化下的稳定性。

该光源1通过第一传输光纤2将光源1发出的光传输至光纤传感头3的PBS-FR组合器6，在PBS-FR组合器6中入射光经过PBS后起偏为线偏振光，再经过22.5°磁光旋转器件(FR)后，在退火光纤7传感环路中传输并被光纤终端的全反射镜8反射而原路返回，再次经过器件FR后偏振方向将再旋转22.5°并与PBS-FR器件中的检偏器光轴夹45°角，对被测电流变化有最佳的灵敏度。

该光电转换与信号处理单元5包括一光电转换单元以及一数据采集与处理单元，该传感头3输出的光通过第二传输光纤4传输至光电转换单元，光电转换单元将光信号转换为电信号，该数据采集与处理单元接收电信号并处理电信号以得电流值。

该光纤传感头3内安装有光纤光栅温度传感器，它具有抗电磁干扰、绝缘性能好的特点。它实时监测光纤电流传感头的温度变化，通过信号处理补偿光纤及材料特性随温度的变化，消除输出电流信号随温度波动问题，获得与环境温度变化无关的系统输出信号。

本发明公开了一种基于光纤法拉第效应、采用新型器件和技术、可应用于高压电力传输线交变电流检测的光纤电流传感测量系统。本发明描述的光纤电流传感检测系统在电力和其它相关部门均有很大的应用前景。

以上所述者，仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (7)

1.基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：它包括：

一光源；

一第一传输光纤；

一光纤传感头，它包括一偏振分束器、一法拉第旋转器以及一带全反射镜的退火光纤环，该光源通过第一传输光纤将光传输至光纤传感头，其中，该退火光纤环在高温下退火，以消除光纤中的双折射，以提高传感头在环境温度变化下的稳定性；

一第二传输光纤；以及

一光电转换与信号处理单元，它通过第二传输光纤连接传感头。

2.根据权利要求1所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：该偏振分束器和法拉第旋转器直接一体化组合安装成组合器。

3.根据权利要求2所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：该光源为半导体激光器泵浦掺铒光纤制作的放大自发辐射光源。

4.根据权利要求2所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：该光电转换与信号处理单元包括一光电转换单元以及一数据采集与处理单元，该传感头输出的光通过第二传输光纤传输至光电转换单元，该光电转换单元将光信号转换为电信号，该数据采集与处理单元接收电信号并处理电信号以得电流值。

5.根据权利要求2所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：该带全反射镜的退火光纤环包括：

一退火光纤环，它包括一引入段以及一绕成环状的由外及内的环段，而且，该退火光纤环的起始端连接组合器；

一全反射镜，它设于退火光纤环的末端；以及

一电流导线，它穿过退火光纤环的中心。

6.根据权利要求5所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：该退火光纤环制造过程包括：

首先，采用普通光纤制作好的光纤环；

然后，在高温下退火。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其特征是：还包括：

一光纤光栅温度传感器，它设于传感头内，用于检测传感头的温度变化并根据温度变化对信号进行补偿。

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