CN102426280A - 反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。它包括宽带光源、光纤起偏器、光纤检偏器、铌酸锂多功能集成器件、光纤环形器、保偏传输光缆、四分之一波片、传感光纤、光电探测器和信号处理单元。铌酸锂多功能集成器件是由两个偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调节系统，该结构既可实现无源偏置，又可实现有源调制。本发明可大大降低干涉型光纤电流传感器有源调制方案的技术难度，同时实现了光纤电流传感器无源偏置和有源调制两种方案光路结构的统一。

Description

反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器
技术领域
本发明涉及一种新型的光纤电流传感器，具体的说，是一种基于马赫-曾德尔相位调节系统的反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。
背景技术
电流传感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，随着电力工业的发展，电压运行等级越来越高，传统的电磁式电流互感器在绝缘上遇到了极大的困难。利用光纤制成的电流互感器在绝缘上具有天然的优势，还具有抗电磁干扰、测量频带宽、可实现数字化输出等优点，是未来电流传感器发展的趋势。
光纤电流传感的基本原理是法拉第磁光效应，即当施加外加磁场时，传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比，因此可通过测量偏振光在磁场中的角度变化来得到被测电流的大小（见专利US 6037770，CN 2403033等）。但是由于该角度很小，电流测量的灵敏度和精度都不高。1996年，J. N. Blake首先提出了萨格奈克干涉型光纤电流传感器的方案（US 5644397），将偏振角度变化的检测转变为两干涉光路相位差变化的检测，提高了光纤电流传感器测量的灵敏度和稳定性。
萨格奈克干涉光路的工作点处于最不灵敏的                                               
Figure 2011103169018100002DEST_PATH_IMAGE002
点上，需要附加一个
Figure 2011103169018100002DEST_PATH_IMAGE004
的相位偏置，目前常用的做法有无源偏置和有源调制两种。无源偏置是利用无源光器件对两干涉光路施加一个固定的相位差（见专利CN 101320055和WO 2007033057等）；有源调制是利用电光相位调制器，保偏光纤延迟线和调制信号发生器组成的相位调制系统对两束干涉光在相同的时间施加不同的相位调制（见专利US 6188811B1，US 6636321等）。由于光速极快，这种调制方式需要很长的光纤延迟线和很高的调制频率，技术难度大，成本较高。另外保偏光纤延迟线在光纤陀螺中作为传感光纤的一部分，可提高陀螺的灵敏度，但在光纤电流传感器中，保偏延迟线并不具备传感的作用。
本发明针对已有技术存在的不足，提出一种新的反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器方案，利用集成于铌酸锂基片上的两偏振分束器构成马赫-曾德尔相位调节系统，可对萨格奈克干涉型光纤电流传感器施加无源偏置或有源调制。由于调制并不施加在两干涉光的公共光路上，因此有源调制系统不需要很长的光纤延迟线，调制频率也可大大降低，从而降低了传感器的技术难度和成本。
发明内容
本发明针对已有技术的缺陷，提供了一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器方案，通过采用由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调节系统，可对萨格奈克干涉型光纤电流传感器施加无源偏置或有源调制。此方案可降低光纤电流互感器有源调制的技术难度和成本，同时实现了光纤电流传感器无源偏置和有源调制两种方案光路结构的统一。
为了达到上述目的，本发明的构思是：
本发明主要由宽带光源、光纤起偏器、光纤检偏器、铌酸锂多功能器件、光纤环形器、保偏传输光缆、四分之一波片、传感光纤、光电探测器和信号处理单元组成。宽带光源发出的光经过光纤起偏器后变成线偏振光，通过一个45°焊接点，将入射光分成两路正交的偏振光。两路正交的偏振光通过铌酸锂多功能集成器件（铌酸锂多功能集成器件的结构参见图3）的第一个偏振分束器后，分别到达马赫-曾德尔干涉仪的两臂，经过各自的相位延迟后，经第二个偏振分束器合波后进入光纤环形器（光纤环形器的结构参见图4）的端口1，并由光纤环形器的端口3输出。两干涉光在保偏传输光缆的两个主轴上传输至光纤电流传感头，在光纤电流传感头中经过各自的法拉第相位调制后，由反射镜反射回保偏传输光缆，并经光纤环形器端口3传输到光纤环形器端口2。由于此时两干涉光的偏振主轴已经发生了互换，因此当它们从偏振分束器的另一端口输入时，两干涉光将分别到达和入射时相同的马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂。通过铌酸锂多功能集成器件的第一个偏振分束器合束和一个45°焊接点后，在检偏器上发生干涉，干涉光强由光电探测器及信号处理单元处理后输出。两干涉光总的相位差为
Figure 2011103169018100002DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 2011103169018100002DEST_PATH_IMAGE008
为通过马赫-曾德尔干涉仪上臂的干涉光的相位延迟量，
Figure 2011103169018100002DEST_PATH_IMAGE010
为通过马赫-曾德尔干涉仪下臂的干涉光的相位延迟量，法拉第旋转角。
根据以上构思，本发明的技术方案如下：
一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源、光纤起偏器、光纤检偏器、铌酸锂多功能集成器件、光纤环形器、保偏传输光缆、光纤电流传感头、光电探测器和信号处理单元。所述宽带光源通过光纤起偏器后与所述铌酸锂多功能器件的一个保偏光纤输入端口相连，铌酸锂多功能集成器件的另一输入保偏光纤与光纤检偏器相连，光纤检偏器的另一端与光电探测器连接，铌酸锂多功能集成器件的两输出保偏光纤分别与光纤环形器的端口1和端口3相连，光纤环形器的端口2与保偏传输光缆一端相连，保偏传输光缆的另一端与光纤传感头相连，信号处理单元与光电探测器及铌酸锂多功能集成器件的相位调制器相连，构成有源调制型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。
所述铌酸锂多功能集成器件是由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调制器。偏振分束器1的端口3和偏振分束器2的端口1之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂，偏振分束器1的端口4和偏振分束器2的端口2之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的下臂，调制信号由信号处理单元产生，可加于所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂或下臂上。
所述信号处理单元产生的调制信号与光电探测器输出的光强信号无关，形成开环调制，或者和光电探测器输出的光强信号相关，形成闭环调制。
一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源、光纤起偏器、光纤检偏器、铌酸锂多功能集成器件、光纤环形器、保偏传输光缆、光纤电流传感头、光电探测器和信号处理单元。所述宽带光源通过光纤起偏器后，与铌酸锂多功能集成器件的一输入保偏光纤相连，铌酸锂多功能集成器件的另一输入保偏光纤与光纤检偏器相连，光纤检偏器的另一端与光电探测器连接；铌酸锂多功能集成器件的两输出保偏光纤分别与光纤环形器的端口1和端口3相连，光纤环形器的端口2与保偏传输光缆一端相连，保偏传输光缆的另一端与光纤电流传感头相连；信号处理单元与光电探测器相连，构成无源偏置型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。
所述铌酸锂多功能集成器件由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔干涉仪。偏振分束器1的端口3和偏振分束器2的端口1之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂，偏振分束器1的端口4和偏振分束器2的端口2之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的下臂。干涉仪两臂的相位差构成电流传感器的无源相位偏置。
所述光纤起偏器的保偏尾纤与铌酸锂多功能集成器件一输入保偏光纤的主轴之间成45°焊接；所述光纤检偏器的保偏尾纤与铌酸锂多功能集成器件另一输入保偏光纤的主轴之间成45°焊接。
所述光纤电流传感头由由一个四分之一波片连接一根传感光纤组成。
本发明和现有技术相比具有的显而易见的突出实质性和显著优点有：
1、本发明采用的马赫-曾德尔相位调制器，不需要很长的保偏光纤延迟线和高速的调制电路，可大大降低光纤电流传感器有源调制方案的技术难度和系统成本。
2、本发明采用集成于铌酸锂基片上的两偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调节系统，可对光纤电流传感器的两干涉光路施加无源偏置或有源调制，两种调制方式在光路结构上是统一的。 
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构框图。
图2是本发明另一个实施例的结构框图。
图3 是铌酸锂多功能集成器件的端口示意图。
图4 是光纤环形器的端口。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图1。本反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，为有源调制型，包括宽带光源1、光纤起偏器2、光纤检偏器3、铌酸锂多功能器件4、光纤环形器5、保偏传输光缆6、光纤电流传感头11、光电探测器9和信号处理单元10。工作原理是：光波从宽带光源1输出，通过光纤起偏器2后变成线偏振光，光纤起偏器2的另一端与铌酸锂多功能器件4的输入保偏光纤成45°焊接，将输入线偏振光分成两正交的线偏光。两偏振光经过铌酸锂多功能集成器件的第一个偏振分束器后，分别进入马赫-曾德尔调制器的两臂，调制器两臂上的相位延迟量由信号处理单元10调制。两偏振光经各自的相位调制后，经第二个偏振分束器，在铌酸锂多功能器件4的一个端口输出，经光纤环形器5、保偏传输光缆6进入电流传感头11的四分之一波片7，分别变为左旋和右旋圆偏振光，经过传感光纤8后，经端面反射镜反射后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光相互交换，两路反射圆偏振光经过四分之一波片7后又变回两路线偏振光，经保偏传输光缆6、光纤环形器5后回到铌酸锂多功能器件4。由于此时两干涉光的偏振主轴已发生互换，因此当它们从铌酸锂多功能集成器件的第二个偏振分束器的另一端口输入时，它们将分别到达和入射时相同的马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂。两干涉光最后在光纤检偏器3中发生偏光干涉，干涉光强由光电探测器9变成电信号，由信号处理单元10将处理结果输出。
实施例二：参见图2。本反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，为无源偏置型，包括宽带光源1、光纤起偏器2、光纤检偏器3、铌酸锂多功能器件4、光纤环形器5、保偏传输光缆6、光纤电流传感头11、光电探测器9和信号处理单元10。宽带光源1通过光纤起偏器2后，与铌酸锂多功能集成器件4的一输入保偏光纤相连，铌酸锂多功能集成器件4的另一输入保偏光纤与光纤检偏器3相连，光纤检偏器3的另一端与光电探测器9连接；铌酸锂多功能集成器件4的两输出保偏光纤分别与光纤环形器5的端口1和端口3相连，光纤环形器5的端口2与保偏传输光缆6一端相连，保偏传输光缆6的另一端与光纤电流传感头11相连；信号处理单元10与光电探测器9相连，构成无源偏置型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。本实施例是用无源偏置替代实施例一中的有源调制，利用马赫-曾德尔干涉仪的两臂产生一个固定的干涉相位差。两干涉光的干涉光强由光电探测器9变成电信号，由信号处理单元10处理后输出。

Claims (7)

1.一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源（1）、光纤起偏器（2）、光纤检偏器（3）、铌酸锂多功能集成器件（4）、光纤环形器（5）、保偏传输光缆（6）、光纤电流传感头（11）、光电探测器（9）和信号处理单元（10），其特征在于所述宽带光源（1）通过光纤起偏器（2）后，与铌酸锂多功能集成器件（4）的一输入保偏光纤相连，铌酸锂多功能集成器件（4）的另一输入保偏光纤与光纤检偏器（3）相连，光纤检偏器（3）的另一端与光电探测器（9）连接；铌酸锂多功能集成器件（4）的两输出保偏光纤分别与光纤环形器（5）的端口1和端口3相连，光纤环形器（5）的端口2与保偏传输光缆（6）一端相连，保偏传输光缆（6）的另一端与光纤电流传感头（11）相连；信号处理单元（10）与光电探测器（9）及铌酸锂多功能集成器件（4）中的相位调制器相连，构成有源调制型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。
2.根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉型电流传感器，其特征在于所述铌酸锂多功能集成器件（4）是由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调制器；偏振分束器1的端口3和偏振分束器2的端口1之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂；偏振分束器1的端口4和偏振分束器2的端口2之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的下臂；调制信号由信号处理单元（10）产生，可加于所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂或下臂上。
3.根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉型电流传感器，其特征在于所述信号处理单元（10）产生的调制信号与光电探测器（9）输出的光强信号无关，形成开环调制，或者和光电探测器（9）输出的光强信号相关，形成闭环调制。
4.一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源（1）、光纤起偏器（2）、光纤检偏器（3）、铌酸锂多功能集成器件（4）、光纤环形器（5）、保偏传输光缆（6）、光纤电流传感头（11）、光电探测器（9）和信号处理单元（10），其特征在于所述宽带光源（1）通过光纤起偏器（2）后，与铌酸锂多功能集成器件（4）的一输入保偏光纤相连，铌酸锂多功能集成器件（4）的另一输入保偏光纤与光纤检偏器（3）相连，光纤检偏器（3）的另一端与光电探测器（9）连接；铌酸锂多功能集成器件（4）的两输出保偏光纤分别与光纤环形器（5）的端口1和端口3相连，光纤环形器（5）的端口2与保偏传输光缆（6）一端相连，保偏传输光缆（6）的另一端与光纤电流传感头（11）相连；信号处理单元（10）与光电探测器（9）相连，构成无源偏置型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。
5.根据权利要求4所述的反射式萨格奈克干涉型电流传感器，其特征在于所述铌酸锂多功能器件（4）是由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔干涉仪；偏振分束器1的端口3和偏振分束器2的端口1之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂；偏振分束器1的端口4和偏振分束器2的端口2之间通过一铌酸锂波导连接，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的下臂；干涉仪两臂之间的相位差构成电流传感器的无源相位偏置。
6.根据权利要求1和4所述的反射式萨格奈克干涉型电流传感器，其特征在于所述光纤起偏器（2）的保偏尾纤与铌酸锂多功能集成器件（4）一输入保偏光纤的主轴之间成45°焊接（12）；所述光纤检偏器（3）的保偏尾纤与铌酸锂多功能集成器件（4）另一输入保偏光纤的主轴之间成45°焊接（13）。
7.根据权利要求1和3所述的反射式萨格奈克干涉型电流传感器，其特征在于所述光纤电流传感头（11）由一个四分之一波片（7）连接一根传感光纤（8）组成。
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