CN102565496A - 双向传输的光学电流传感器 - Google Patents

Abstract

双向传输的光学电流传感器，涉及一种传感器，为了解决目前光学电流传感器一进两出的光路结构不易封装和对环境耐受性不强的问题。它包括光学传感器、三个耦合器、光源、第一探测器和第二探测器。第一耦合器的第一端口连接光源的输出端，第一耦合器的第二端口与第二耦合器的第二端口连接，第一耦合器的第三端口与第三耦合器的第二端口连接；第二耦合器的第一端口与光学传感器一个输入输出端连接，第三耦合器的第一端口与光学传感器另一输入输出端连接；第二耦合器的第三端口连接第一探测器的输入端，第三耦合器的第三端口连接第二探测器的输入端。本发明用于对电流进行测量。本发明可以双向传输光信号，易封装，对外界环境的变化有较强的耐受性。

Description

双向传输的光学电流传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及双向传输的光学电流传感器。

背景技术

光学电流传感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻、易与数字设备接口等优点，特别适用于高电压大电流的测量，能够解决传统电磁式电流互感器难以克服的问题，因而在电力工业中具有广泛的应用前景。随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级提高到超高压、甚高压，光学电流传感器更加显示出其独特的优越性。

光学电流传感器利用法拉第磁旋光效应进行测量，即作用在磁光介质上的外部磁场会使通过磁光介质的偏振光发生偏振面的旋转效应。迄今为止，在已发展的众多类型的光学电流传感器中，块状光学玻璃型电流传感器和全光纤型电流传感器较为成熟。全光纤型电流传感器因其传感部分采用光纤，为了避免光纤内部的线性双折射效应增大测量误差，需要使用高稳定度的保偏光纤，但此种光纤制造困难且价格昂贵，另外，λ/4光纤波片位相差误差的温度稳定性对测量准确度的影响也是制约全光纤型电流传感器发展的主要原因。与全光纤型相比，块状光学玻璃型电流传感器只利用光纤传光，传感则是利用磁光玻璃进行，由于光学玻璃的退火控制得一般比较好，经过退火后的光学玻璃内在双折射极小，所以此种光学电流传感器几乎不受线性双折射的影响，同时还具有磁光材料选择范围宽、结构简单、稳定性好、测量精度高和成本低等优势，因此必将成为光学电流传感器的发展主流。

以往采用双光路检测方法的块状光学玻璃型电流传感器，一般采用一进两出的光路结构，不但不易封装，而且当环境温度变化时，由光学器件之间材料的热膨胀系数不同所产生的内应力，会引起附加温度应力双折射，直接影响偏振光的偏转角度，导致难以消除的测量误差。而湿度对光学传感器的影响主要表现在外界水汽的渗入会腐蚀光学玻璃表面及膜层，造成长期运行后光通量的下降。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前块状光学玻璃型电流传感器一进两出的光路结构不易封装和对环境耐受性，即温度、湿度对系统性能产生的不利影响的问题，提供一种双向传输的光学电流传感器。

本发明的双向传输的光学电流传感器，它包括光学传感器、光源、第一探测器和第二探测器，它还包括耦合器模块；耦合器模块包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器；第一耦合器的第一端口的输入端连接光源的输出端，第一耦合器的第二端口的输出端连接第二耦合器的第二端口的输入端，第一耦合器的第三端口的输出端连接第三耦合器的第二端口的输入端；第二耦合器的第一端口的输入输出端与光学传感器的一个输入输出端连接，第三耦合器的第一端口的输入输出端与光学传感器的另一输入输出端连接；第二耦合器的第三端口的输出端连接第一探测器的输入端，第三耦合器的第三端口的输出端连接第二探测器的输入端。

所述的光学传感器包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、磁光玻璃芯、玻璃套管和金属套管；玻璃套管是中空的；所述第二光纤准直器与第一光纤准直器结构相同；第一光纤准直器、磁光玻璃芯和第二光纤准直器从左到右依次排列套装固定在玻璃套管内，将装有第一光纤准直器、第二光纤准直器和磁光玻璃芯的玻璃套管封装在金属套管中。

本发明通过引入耦合器模块，实现了光信号的双向传输，使光学传感器的光路结构简化，便于封装。本发明通过引入金属套管对光学传感器实施密封提高了光学传感器对外界环境的耐受性。

附图说明

图1为本发明双向传输的光学电流传感器的模块示意图。

图2为光学传感器的结构示意图。

图3为光纤准直器的结构示意图。

图4为磁光玻璃芯的结构示意图。

图5为光信号沿正向传输时偏振方向的变化示意图。

图6为光信号沿反向传输时偏振方向的变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本发明的双向传输的光学电流传感器，其特征在于它包括光学传感器1、耦合器模块2、光源3、第一探测器4和第二探测器5；耦合器模块2包括第一耦合器2-1、第二耦合器2-2、第三耦合器2-3；第一耦合器2-1的第一端口的输入端连接光源3的输出端，第一耦合器2-1的第二端口的输出端连接第二耦合器2-2的第二端口的输入端，第一耦合器2-1的第三端口的输出端连接第三耦合器2-3的第二端口的输入端；第二耦合器2-2的第一端口的输入输出端与光学传感器1的一个输入输出端连接，第三耦合器2-3的第一端口的输入输出端与光学传感器1的另一输入输出端连接；第二耦合器2-2的第三端口的输出端连接第一探测器4的输入端，第三耦合器2-3的第三端口的输出端连接第二探测器5的输入端。

所述的光学传感器1包括第一光纤准直器1-1、第二光纤准直器1-5、磁光玻璃芯1-2、玻璃套管1-3和金属套管1-4；玻璃套管1-3是中空的；所述第二光纤准直器1-5与第一光纤准直器1-1结构相同；第一光纤准直器1-1、磁光玻璃芯1-2和第二光纤准直器1-5从左到右依次排列套装固定在玻璃套管1-3内，将装有第一光纤准直器1-1、第二光纤准直器1-5和磁光玻璃芯1-2的玻璃套管1-3封装在金属套管1-4中。

所述耦合器是对光信号实现分路、合路并实现光功率分配的一种光无源器件。本发明采用的1×2端口的3dB耦合器，是将第一端口光纤输入的光功率按照1∶1的分光比分配给第二端口和第三端口，并通过光纤输出，同时，它可以将第二端口和第三端口光纤输入的光功率合在一起送入第一端口输出。耦合器模块的作用是实现光信号的双向传输，它使光学传感器的光路结构简化，便于封装。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是它的第一光纤准直器1-1包括第一光纤尾纤1-1-1、插针1-1-2、透镜1-1-3和准直器套管1-1-4，准直器套管1-1-4是中空的，第一光纤尾纤1-1-1固定在插针1-1-2的内孔中，第一光纤尾纤1-1-1的插针1-1-2和透镜1-1-3相邻并套装固定在准直器套管1-1-4内，所述插针1-1-2和透镜1-1-3之间留有间隙，第一光纤尾纤1-1-1的出纤端面磨成与准直器套管1-1-4的侧壁倾斜8度角，并在第一光纤尾纤1-1-1的出纤端面镀制抗反射膜；第一光纤尾纤1-1-1的连接端与第二耦合器2-2的第一端口的输入输出端连接，第二光纤准直器1-5的第二光纤尾纤1-5-1的连接端与第三耦合器2-3的第一端口的输入输出端连接；

透镜1-1-3可以是G-lens或C-lens透镜，所述准直器套管1-1-4可以是玻璃管或不锈钢管，本专利从降低温度所致应力的角度出发，选用了玻璃套管。

第一光纤准直器1-1的作用是将光纤出射的发散光束转变为平行光束，或将外界的平行光束会聚并高效耦合进光纤中。准直器套管1-1-4为一空心玻璃套管，其内径与插针1-1-2和透镜1-1-3的外径配合。光纤尾纤置于插针1-1-2的内孔中并施胶固定，出纤端面磨成斜8度角，其表面镀制一层抗反射膜。组装时，透镜1-1-3通过紫外胶粘接的方式固定在准直器套管1-1-4内部，侧壁涂胶的插针1-1-2也套置在准直器套管1-1-4内部，由于其后的组装中还需要调整插针1-1-2的位置，所以暂不进行固化。

光纤准直器之间的耦合效率与工作距离和各光纤准直器的尾纤到透镜的端面距离有关，本发明使用专用工装，在组装的最后阶段对这两个距离同时进行联调，在最大程度上降低了光学传感器的插入损耗值。

具体实施方式三：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同的是它的磁光玻璃芯1-2包括磁光玻璃柱1-2-1、第一偏振玻璃1-2-2、第二偏振玻璃1-2-4和玻璃芯套管1-2-3；第一偏振玻璃1-2-2、磁光玻璃柱1-2-1和第二偏振玻璃1-2-4从左到右依次排列套装固定在玻璃芯套管1-2-3内，第一偏振玻璃1-2-2和第二偏振玻璃1-2-4的偏振化方向成45度夹角。

玻璃芯套管1-2-3为一空心玻璃套管，套管内径略大于磁光玻璃柱1-2-1、偏振玻璃1-2-2和偏振玻璃1-2-4的外径，使磁光玻璃柱1-2-1、偏振玻璃1-2-2和偏振玻璃1-2-4可以套置在其内部并可在其间自由滑动，玻璃芯套管1-2-3管壁上设置三个点胶孔，其位置分别对应磁光玻璃柱1-2-1、偏振玻璃1-2-2和偏振玻璃1-2-4的安装位置。组装时，先将磁光玻璃柱1-2-1置于玻璃芯套管1-2-3内部中心位置，将适量紫外胶滴在相应点胶孔处，并用拨针拨动磁光玻璃柱1-2-1使其转动，待胶水均匀分布在玻璃芯套管1-2-3内壁后进行固化，然后将偏振玻璃1-2-2和偏振玻璃1-2-4分别置入玻璃芯套管1-2-3两端并抵靠磁光玻璃柱1-2-1，使用相同的粘接方法进行固定，固定时调整偏振玻璃1-2-2和偏振玻璃1-2-4的偏振化方向，使其相互交错成45度角。

玻璃套管1-3为一空心玻璃套管，用于固定光纤准直器和磁光玻璃芯1-2，其管壁较厚，内径略大于准直器套管1-1-4和玻璃芯套管1-2-3的外径，在光纤准直器和磁光玻璃芯1-2的安装位置处分别设置点胶孔用于施胶。组装时，首先将磁光玻璃芯1-2内置在玻璃套管1-3中心位置并用胶固定，再将两个光纤准直器分别从两端置入玻璃套管1-3中，施胶后转动光纤准直器使胶层均匀，然后使用工装夹持准直器套管1-1-4末端和第一光纤尾纤1-1-1，同时调整两个光纤准直器之间的相对位置和光纤准直器插针1-1-2在准直器套管1-1-4中的前后位置，在插入损耗最佳化时进行紫外固化，此时玻璃套管1-3内部的器件都已粘接牢固。

光学传感器1采用全胶结构，通过设置点胶孔施胶的方式，可以增加胶层面积，保证胶层均匀且达到最佳厚度，使器件具有更强的牢固度，同时还不会产生溢胶问题，避免污染通光面，无需在组装过程中进行重复清洁。

金属套管1-4为中空的不锈钢管，其内径略大于玻璃套管1-3的外径，将已组装好的玻璃套管1-3置于其内部，在两端用环氧树脂胶进行封装，金属套管1-4起到保护内部光学器件和密封光学传感器1的作用。

光学传感器1的封装方式使其具有良好的环境耐受性，采用双层套管的设计，内层玻璃套管1-3中所有光学器件均是玻璃材料，热膨胀系数相近，当温度场变化时，极大地降低了由不同材料之间热膨胀系数差异所致的应力作用，外层金属套管1-4保护内部光学器件，并隔绝了外界的水汽和灰尘，使光学传感器1具有良好的密封性，可以长期稳定的工作在最佳状态。

本发明的工作原理：

由光源3发出的光Iin输入第一耦合器2-1的第一端口，经分光后，分别从第一耦合器2-1的第二端口和第一耦合器2-1的第三端口输出，光强各为Iin/2。在正向传输情况下，光从第一耦合器2-1的第二端口传送至第二耦合器2-2的第二端口，并从第二耦合器2-2的第一端口输出光强为Iin/4的光信号，该光信号经由一侧第一光纤尾纤1-1-1传送至光学传感器1内部，正向依次通过各个光学器件后，从另一侧第二光纤尾纤1-5-1输出带有调制信息的光信号Iout，并输入第三耦合器2-3的第一端口，随后从第三耦合器2-3的第三端口输出Iout/2光信号传送至与该端口连接的第二探测器5的输入端。在反向传输情况下，光从第一耦合器2-1的第三端口传送至第三耦合器2-3的第二端口，并从第三耦合器2-3的第一端口输出光强为Iin/4的光信号，该光信号经由一侧第二光纤尾纤1-5-1传送至光学传感器1内部，反向依次通过各个光学器件后，从另一侧第一光纤尾纤1-1-1输出带有调制信息的光信号Iout′，并输入第二耦合器2-1的第一端口，随后从第二耦合器2-1的第三端口输出Iout′/2光信号传送至与该端口连接的第一探测器4的输入端。

光学传感器1内部从左到右依次设置有第一光纤准直器1-1、第一偏振玻璃1-2-2、磁光玻璃柱1-2-1、第二偏振玻璃1-2-4、第二光纤准直器1-5。正向传输时，光信号从第一光纤准直器1-1的第一光纤尾纤1-1-1进入光学传感器1，准直为平行光后，依次通过第一偏振玻璃1-2-2、磁光玻璃柱1-2-1和第二偏振玻璃1-2-4，最后经由第二光纤准直器1-5耦合进其第二光纤尾纤1-5-1，并输出光学传感器1。反向传输时，光信号从第二光纤准直器1-5的第二光纤尾纤1-5-1进入光学传感器1，准直为平行光后，依次通过第二偏振玻璃1-2-4、磁光玻璃柱1-2-1和第一偏振玻璃1-2-2，最后经由第一光纤准直器1-1耦合进其第一光纤尾纤1-1-1，并输出光学传感器1。

图5和图6用平面笛卡尔坐标分别给出了光信号沿正向和反向传输时其偏振方向的变化情况，y1轴为第一偏振玻璃1-2-2的偏振化方向，y2轴为第二偏振玻璃1-2-4的偏振化方向，y1轴与y2轴成45度夹角。

正向传输时，光信号经过第一偏振玻璃1-2-2后变为线偏振光，其偏振方向为E1，当通过置于被测电流磁场中的磁光玻璃柱1-2-1时，其偏振方向在法拉第效应的作用下旋转了角度θ后变为E2，在经过第二偏振玻璃1-2-4时，只有投射到偏振方向E3的光分量可以透过，E3＝E1cos(π/4-θ)。反向传输时，光信号经过第二偏振玻璃1-2-4后变为线偏振光，其偏振方向为E1′，当通过磁光玻璃柱1-2-1时，由于法拉第效应非可逆的偏振旋转特性，E1′仍然按正向光旋转的方向旋转角度θ，变为E2′，在经过第一偏振玻璃1-2-2时，只有投射到偏振方向E3′的光分量通过，E3′＝E1′sin(π/4-θ)。

由法拉第效应可知，上述偏振方向的旋转角度

其中，V为磁光玻璃柱1-2-1的费尔德常数，L为磁光玻璃柱1-2-1的长度，

为被测电流在磁光玻璃柱1-2-1上产生的平均磁感应强度，当磁光玻璃柱1-2-1与被测电力输电母线的相对位置固定时，它正比于被测电流的大小。

如上所述，正向或反向进入光学传感器1的光信号强度都是Iin/4，光源3发出的光为近似自然光，经过起偏后的光强为Iin/8，即|E1|²＝|E1′|²＝Iin/8，则光学传感器1输出的光信号为：

Iout＝|E3|²＝Iin(1+sin2θ)/16(正向)

Iout′＝|E3′|²＝Iin(1-sin2θ)/16(反向)

这两路光信号分别经过第三耦合器2-3和第二耦合器2-2后进入相应的探测器，转化为电压信号，再经过双光路检测电路进行信号处理，即可得到被测电流。

Claims (3)

1.双向传输的光学电流传感器，它包括光学传感器(1)、光源(3)、第一探测器(4)和第二探测器(5)；其特征在于它还包括耦合器模块(2)；耦合器模块(2)包括第一耦合器(2-1)、第二耦合器(2-2)、第三耦合器(2-3)；第一耦合器(2-1)的第一端口的输入端连接光源(3)的输出端，第一耦合器(2-1)的第二端口的输出端连接第二耦合器(2-2)的第二端口的输入端，第一耦合器(2-1)的第三端口的输出端连接第三耦合器(2-3)的第二端口的输入端；第二耦合器(2-2)的第一端口的输入输出端与光学传感器(1)的一个输入输出端连接，第三耦合器(2-3)的第一端口的输入输出端与光学传感器(1)的另一输入输出端连接；第二耦合器(2-2)的第三端口的输出端连接第一探测器(4)的输入端，第三耦合器(2-3)的第三端口的输出端连接第二探测器(5)的输入端；

所述的光学传感器(1)包括第一光纤准直器(1-1)、第二光纤准直器(1-5)、磁光玻璃芯(1-2)、玻璃套管(1-3)和金属套管(1-4)；玻璃套管(1-3)是中空的；所述第一光纤准直器(1-1)与第二光纤准直器(1-5)结构相同；第一光纤准直器(1-1)、磁光玻璃芯(1-2)和第二光纤准直器(1-5)从左到右依次排列套装固定在玻璃套管(1-3)内，将装有第一光纤准直器(1-1)、第二光纤准直器(1-5)和磁光玻璃芯(1-2)的玻璃套管(1-3)封装在金属套管(1-4)中。

2.根据权利要求1所述的双向传输的光学电流传感器，其特征在于它的第一光纤准直器(1-1)包括第一光纤尾纤(1-1-1)、插针(1-1-2)、透镜(1-1-3)和准直器套管(1-1-4)，准直器套管(1-1-4)是中空的，第一光纤尾纤(1-1-1)固定在插针(1-1-2)的内孔中，第一光纤尾纤(1-1-1)的插针(1-1-2)和透镜(1-1-3)相邻并套装固定在准直器套管(1-1-4)内，所述插针(1-1-2)和透镜(1-1-3)之间留有间隙，第一光纤尾纤(1-1-1)的出纤端面磨成与准直器套管(1-1-4)的侧壁倾斜8度角，并在第一光纤尾纤(1-1-1)的出纤端面镀制抗反射膜；第一光纤尾纤(1-1-1)的连接端与第二耦合器(2-2)的第一端口的输入输出端连接，第二光纤准直器(1-5)的第二光纤尾纤(1-5-1)的连接端与第三耦合器(2-3)的第一端口的输入输出端连接。

3.根据权利要求1所述的双向传输的光学电流传感器，其特征在于它的磁光玻璃芯(1-2)包括磁光玻璃柱(1-2-1)、第一偏振玻璃(1-2-2)、第二偏振玻璃(1-2-4)和玻璃芯套管(1-2-3)；第一偏振玻璃(1-2-2)、磁光玻璃柱(1-2-1)和第二偏振玻璃(1-2-4)从左到右依次排列套装固定在玻璃芯套管(1-2-3)内，第一偏振玻璃(1-2-2)和第二偏振玻璃(1-2-4)的偏振化方向成45度夹角。

Images