CN103063896B - 传感光纤环以及抗振型Sagnac式全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感光纤环以及基于该传感光纤环的全光纤电流互感器。该传感光纤环采用两根相同扭光纤以90°熔接在一起，两根扭光纤未熔接的一端分别作为整个传感光纤环的两个外接端；两根扭光纤以熔接处为起点双线同向绕制在线圈骨架上，并保证每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。本发明避免了λ/4波片性能对全光纤电流互感器测量的影响；同时消除Sagnac效应引起全光纤电流互感器的测量误差，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

Description

传感光纤环以及抗振型Sagnac式全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种传感光纤结构及其制作方法，以及采用该种传感光纤的抗振型Sagnac式全光纤电流互感器。

背景技术

随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，传统电流互感器已经逐渐暴露出严重缺陷，而且越来越不能满足电力系统的发展要求，因此光学电流互感器的研究已经迫在眉睫。利用磁光玻璃拉制成的磁光玻璃光纤制作新型的全光纤电流互感器，是以法拉第（Frarday）效应为基础，可在一定程度上克服传统电流互感器的缺点，必将逐步取代传统的电流互感器而成为电网监测的最主要手段之一。全光纤电流互感器的原理是基于光的法拉第效应（FaradayEffect），即在被测电流导体的外部环绕适当圈数的光纤，当有电流流过导体时，其周围产生的磁场将使得光纤内传输光波的偏振方向发生变化。可表述为其中，H是被传感的磁场，L是磁场内传感光纤的长度，V为传感光纤的费尔德（Verdet）系数，θ为光纤内光波电场偏转的角度。

目前国内有多家单位从事光纤电流互感器的研究，尽管个别企业的光纤电流互感器已经进入了生产和挂网运行阶段，但产品性能的重复性和长期稳定性还面临着严峻的考验。超低折射光纤在被弯曲做成传感光纤环后，产生了额外的线双折射，而这种线双折射强烈依赖于温度等环境因素，加上光纤本身易受振动等因素的影响，所传输的光偏振特性极不稳定，因此适合于全光纤电流互感器用的传感光纤是光纤电流互感器的研究的关键。

已有的反射式全光纤电流互感器中的传感光纤，如申请号为200910262107.2的中国实用新型专利中提到，材料为线双折射保偏光纤，依次存在一段不旋转段、一段起转段（螺旋速率上升段）和一段匀速旋转段以及反射镜。但是光纤各部分的旋转度不同，不同位置的费尔德（Verdet）系数不尽相同。在长度为L的起转段内，各位置点上的费尔德系数均不相同，而是沿着光纤螺旋增加方向缓慢增加，所以公式就变为其中H是被传感的磁场，L是磁场内传感光纤的长度，V为传感光纤的费尔德系数，θ为光纤内光波电场偏转的角度。因为费尔德系数依赖于传感光纤中的位置，当导电线处于传感光纤周围的不同位置时，由此得到的相位变化将会不同。这就使得该传感光纤受电流导线的位置影响，因而不具备良好的抗干扰能力，不适用于实际应用。

申请号为201120417236.7的中国实用新型专利设计了一种传感光纤环，解决了前述专利（申请号为200910262107.2）的传感光纤对空间位置敏感的问题，但是该专利仍存在一些不可忽视的问题。

由于电流导线置于所述光纤环内的任意位置，所以传感光纤上各点对电流引起的温度变化不相同，由于传感光纤本身对温度较为敏感，这将引入一定的相位误差。抗干扰性和稳定度很难保证。

其次，该专利的光纤电流互感器是一种Sagnac式光纤电流互感器。Sagnac式光纤电流互感器既具有电流传感器的特点又具有Sagnac式传感器的特点，也就是说，这种传感器既能敏感电流又能敏感Sagnac效应。Sagnac效应是指，当光束在一个环形通道中前进时，如果这个环形通道是转动的，沿着通道转动的方向前进所需要的时间比沿着通道转动相反的方向前进所需要的时间多，两束光会产生光程差，光程差大小与环形通道转速成正比。由此可知，Sagnac式传感器是一种角速度传感器，对振动或转动非常敏感。高压线路分布在室外，由于刮风或振动，高压导线会晃动，从而引起电流互感器传感部分振动，Sagnac式光纤电流传感器传感部分敏感到振动，输出随之发生变化。因为这种缺陷，Sagnac式传感器输出变化无法分清是外界环境影响还是高压导线中电流本身的变化，严重影响了电流互感器的测量准确性，无法实用。

发明内容

本发明提供了一种传感光纤环以及基于该传感光纤环的全光纤电流互感器。该传感光纤环通过本发明特殊的传感光纤及其绕制结构提高了全光纤电流互感器系统的集成度，避免了λ/4波片性能对全光纤电流互感器测量的影响；同时消除Sagnac效应引起全光纤电流互感器的测量误差，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

为实现以上发明目的，本发明提供以下技术方案。

一种传感光纤环，包括扭光纤和线圈骨架，所述扭光纤是由线保偏光纤扭转而成，按照扭转速率依次包括起旋转段、匀速旋转段以及降速旋转段；所述起旋转段和降速旋转段沿光纤整体方向为对称结构（即两者长度相等而且旋转速率对称相等），其中，匀速旋转段的长度占总长度的60%至90%；所述传感光纤环采用两根相同扭光纤以90°熔接在一起，两根扭光纤未熔接的一端分别作为整个传感光纤环的两个外接端；

两根扭光纤以熔接处为起点双线同向绕制在线圈骨架上，并保证每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。

上述两根扭光纤在线圈骨架上最好平行贴靠在一起。

上述的传感光纤环的制作方法，包括以下步骤：

1）采用线保偏光纤扭转制作如权利要求1中所述的两根扭光纤，并分别在两根扭光纤的起旋转段和降速旋转段的起点和终点做标记；

2）将两根扭光纤的其中一端以90°熔接；

3）以两根扭光纤的接头处为起始端将传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上，参考步骤1）做的起点标记和终点标记，（设第一扭光纤的降速旋转段的终点与第二扭光纤的起旋转段的起点熔接）使每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。

采用传感光纤环，本发明还设计了一种全光纤电流互感器，包括光源、光电探测器、光纤耦合器、具有起偏、分光以及相位调制功能的分光起偏调制装置、线保偏延迟光缆和上述的传感光纤环；所述光源和光电探测器通过光纤耦合器与分光起偏调制装置相连；分光起偏调制装置的两个输出端口通过对应的线保偏延迟光缆分别以0°和90°熔接至传感光纤环的两个外接端，分光起偏调制装置分出两束同偏振方向的线偏振光，分别经过对应的线保偏延迟光缆进入传感光纤环的两根旋向相反的扭光纤中。

本发明的优点：

1.在全光纤电流互感器中，利用电流产生磁场对于绕制在其周围的光纤中传播的圆偏振光的传播速度的改变而实现电流强度的探测，因此任何影响光波偏振态的因素均影响传感器的精度和性能，其中λ/4波片的不完备性、温度敏感性及其与光纤的对轴误差是主要的影响因素。本发明利用特殊结构的扭光纤可实现λ/4波片、椭圆/圆保偏光纤以及半波片的功能，从而简化了光路，提高系统的集成化程度；减少了因器件接入所增加的熔接点带来的光路光信号损耗和光偏振质量的下降，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

2.本发明的光纤电流互感器对振动或转动不敏感。本发明两根光纤中间的结构形成了半波片的功能，可以消除sagnac效应引起的全光纤电流互感器的相位误差。解决了全光纤电流互感器的主要误差的技术问题。当发生振动或转动时，这样以两根扭光纤的熔接点为分界，光波在前一半传感光纤中因Sagnac效应而光程变长，在后一半传感光纤中则因Sagnac效应而光程变短，传感光纤中点相当于半波片，Sagnac效应恰好完全抵消。因此，本发明的光纤电流互感器消除了Sagnac效应，对振动或转动不敏感。

3.本发明采用了双线同向绕制的方法，可以消除外界环境对于传感器的影响。正向和反向传输的两束光波通过传感光纤时，两根扭光纤是双线同向绕制，因此外界温度、振动等因素对于两束光波的影响是相同的，全光纤电流互感器的测量精度得到提高。

4.本发明中两根扭光纤的起旋转段和降速旋转段位于线圈骨架的同一轴向线上，可以完全消除该传感光纤各部分费尔德系数不同引起的电流导体位置的敏感问题。采用这种绕制方式在工艺上更加易于实现。

附图说明

图1是本发明中构成传感光纤的其中一根扭光纤的结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。

图2是本发明的由两根扭光纤构成的传感光纤结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。

图3是本发明传感光纤在导体上绕制方式示意图。

图4是用使用这种传感光纤做成的全光纤电流互感器的最佳实施例及光波在传感光纤中的偏振方向变化情况。

其中，1-光源，2-光纤耦合器，3-Y波导多功能集成光学器件，4-延迟光缆，5-传感光纤，51-起旋段，52-匀速旋转段，53降速旋转段，6-电流导线，7-90°熔接点，8-90°熔接点，9-光电探测器。

具体实施方式

全光纤电流互感器利用传感光纤的法拉第效应实现测量的，即被测导线周围的磁场引起传感光纤中两束不同旋向的圆偏振光以不同速度传输从而产生相位差，通过测量干涉后的信号幅值可以间接测量导线中电流的大小。当两束旋向相反的圆偏振光经过磁光光纤时，由于法拉第效应，两束圆偏振光的传播速度发生改变，引起两束光之间相位差发生变化。通过测量相干的两束光之间的干涉光强的变化就可以间接地测量导线电流的大小。

图1是构成传感光纤的其中一根扭光纤的结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。扭光纤结构包括以下几个部分：起旋段51、高速匀速旋转段52和降速旋转段53。其中起旋转段为扭转速率从零缓慢变化到高速旋转速率，降速旋转段为扭转速率从高速旋转速率缓慢变化到零。起旋转段和降速旋转段沿光纤方向为对称结构，两者长度相等而且旋转速率对称相同，高速匀速旋转段的长度远远大于其他两个部分总长度。

当线偏振光入射这种结构的扭光纤时，经过起旋段51和匀速旋转段52后光纤中光波变为圆偏振光；之后，光波经过降速旋转段53后又变为线偏振光。由于高速匀速旋转段52的长度较长，光波在传感光纤中主要以椭圆/圆偏振光的形式传输。因此，扭光纤具有四分之一波片和椭圆保偏光纤的功能。

图2由两根扭光纤构成的传感光纤结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。线偏振光从起旋段入射第一扭光纤，在其高速匀速旋转段得到椭圆/圆偏振光，在其降速旋转段得到与入射光相同的线偏振光。经过两个扭光纤的90°熔接点入射到第二扭光纤的起旋段，光波线偏振方向发生90°偏转，即水平线偏振光变为竖直线偏振光，竖直线偏振光变为水平线偏振光。因此，在第二扭光纤的高速匀速旋转段得到与第一扭光纤中旋向相反的椭圆/圆偏振光。

由于两根扭光纤的旋转方向相反，因此同样的线偏振光入射起旋段会在高速匀速旋转段得到旋向相反的椭圆/圆偏振光，即：分别得到左旋椭圆/圆偏振光和右旋椭圆/圆偏振光。因此，在第二扭光纤的高速匀速旋转段得到与第一扭光纤中旋向相反的椭圆/圆偏振光。这样的椭圆/圆偏振光经过第二扭光纤的降速旋转段后得到与入射光偏振方向垂直的线偏振光。

通过以上对于光波偏振状态的分析可以看出，光波在第一扭光纤和第二扭光纤的高速匀速旋转段是以旋向相反的椭圆/圆偏振光传输的。因此，两根扭光纤直接熔接相连处在功能上类似于半波片。

图3是用图2中的传感光纤采用双线同向绕制在导体上的示意图。由两根扭光纤构成的传感光纤以两根扭光纤的熔接处为起点双线同向绕制在线圈骨架上。第一扭光纤和第二扭光纤紧贴在一起，以同时感应外界环境的变化，从而相互抵消，提高光纤电流互感器的灵敏度。两根扭光纤的各个部分：起旋段51、高速匀速旋转段52和降速旋转段53相互重叠。每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。采用这样绕制方法制作的传感环具有对导体位置不敏感的特性。

扭光纤作为光纤电流互感器的传感光纤带来一个较为麻烦的问题是：由于扭光纤各部分的扭转速率不同导致各个部分的费尔德系数不同。这样导体在不同位置总的费尔德系数不同，引起测量结果受到导体的位置的影响，而这样的影响对于光纤电流互感器来说几乎是致命的，因为费尔德系数能成倍影响测量结果。本发明的传感光纤中，保证起旋转段的起点和降速旋转段起点位于线圈骨架的同一轴向线上，以确保重叠区域任意处总的费尔德系数为一个常数，且与高速匀速旋转段光纤的费尔德系数一样。这样，在线圈骨架的同一轴向线上，传感光纤环各处的费尔德系数相同。只有这样，才能确保测量结果与导体的位置无关，实现被测电流的准确性和稳定性。

扭光纤的费尔德系数与旋转速率ξ成正比例关系。高速匀速旋转段光纤的费尔德系数为Kξ_max。第一扭光纤和第二扭光纤起旋转段l处传感光纤的费尔德系数相同，均为：

$V_{\mathrm{up}}=\mathrm{K\ξ}\left(l\right)={\mathrm{K\ξ}}_{\max }\·\frac{l}{L}$

其中L起旋段总长度，l是该点与起旋转段的距离。

由于第一扭光纤、第二扭光纤的起旋段与降速旋转段沿传感光纤方向结构对称，而且长度相等。因此，第一扭光纤和第二扭光纤的降速旋转段l处光纤费尔德系数也相同，均为：

$V_{\mathrm{Down}}=\mathrm{k\ξ}\left(l\right)={\mathrm{K\ξ}}_{\max }\·(1-\frac{l}{L})$

其中L降速旋转段总长度，l是该点与降速旋转段起点的距离。

两根扭光纤的起旋段和降速旋转段均在线圈骨架的同一轴向线上重叠，在这一位置重叠区域中传感光纤的费尔德系数为2Kξ_max。

图3中，正面示出了10段光纤，其中两段为第一扭光纤和第二扭光纤的起旋段，两段为第一扭光纤和第二扭光纤降速旋转段，其余六段为高速匀速旋转段，因此总的费尔德系数为8Kξ。背面有8段高速匀速旋转扭光纤，费尔德系数为8Kξ。这样在线圈骨架的各个方向上传感光纤的费尔德系数均为8Kξ。

在这里，图2只是给出了一种简单、最佳的传感光纤结构，实际上也可以采用2个、3个及整数倍个这样的光纤结构，能达到同样的效果。例如采用两个这样的结构时，可以将两个这样的光纤结构从中间对折后当成一个这样的结构，其余的绕制方法与单个传感光纤的相同即可。

图4是本发明的全光纤电流互感器的最佳实施例。激光光源1发出的光经光纤耦合器2后一端与Y波导多功能集成光学器件3耦合。Y波导多功能集成光学器件3实现起偏、分光和相位调制的功能。经Y波导多功能集成光学器件3的光波，一支采用0°熔接，另一支采用90°熔接耦合进线保偏延迟光缆4，分别耦合进两根相同的传感光纤5。由于该传感光纤的特殊结构可以实现光波的偏振状态由线偏振光转变为椭圆/圆偏振光，两束正交偏振光分别转换为左旋椭圆/圆偏振光和右旋椭圆/圆偏振光。由于被测电流导线6周围的磁场引起法拉第效应，这两束椭圆/圆偏振光以不同速度传输。两根扭光纤以90°熔接形成半波片的功能，因此在经过两根传感光纤（扭光纤）的90°熔接点7后，两束椭圆/圆偏振光的偏振模式发生了互换（即左旋椭圆/圆偏振光变为右旋椭圆/圆偏振光，右旋椭圆/圆偏振光变为左旋椭圆/圆偏振光），再次通过传感光纤5，并再次和电流导线6产生的磁场相互作用，使产生的法拉第相位加倍，为Φ_F＝4VHl＝VlI/πr。这两束光再次经过相同的两根扭光纤后实现椭圆/圆偏振光转变为正交线偏振光，分别经过0°和90°熔接点变为两束同线偏振光回到Y波导多功能集成光学器件3处时相遇发生干涉，干涉信号经光纤耦合器2返回到光电探测器9中。于是，通过测量这两束光波之间的相位差就可以精确地测量通过被测导线的电流大小。

Y波导多功能集成光学器件3也可以采用分离的几个器件如：起偏器、光纤耦合器和相位调制器一起来实现其功能。

扭光纤的特征在于：扭光纤的长度一般为2-3米，测量小电流时长度为4-5米，扭光纤扭转的最小螺距为1-10mm。

采用这种特殊结构的传感光纤，在全光纤电流互感器中不再需要四分之一波片和半波片，线保偏延迟光缆直接与传感光纤相连。

Claims (4)

1.一种传感光纤环，包括扭光纤和线圈骨架，所述扭光纤是由线保偏光纤扭转而成，按照扭转速率依次包括起旋转段、匀速旋转段以及降速旋转段；所述起旋转段和降速旋转段沿光纤整体方向为对称结构，其中，匀速旋转段的长度占总长度的60%至90%；其特征在于：

所述传感光纤环采用两根相同扭光纤以90°熔接在一起，两根扭光纤未熔接的一端分别作为整个传感光纤环的两个外接端；

两根扭光纤以熔接处为起点双线同向绕制在线圈骨架上，并保证每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。

2.根据权利要求1所述的传感光纤环，其特征在于：两根扭光纤在线圈骨架上平行贴靠在一起。

3.权利要求1所述的传感光纤环的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）采用线保偏光纤扭转制作如权利要求1中所述的两根扭光纤，并分别在两根扭光纤的起旋转段和降速旋转段的起点和终点做标记；

2）将两根扭光纤的其中一端以90°熔接；

3）以两根扭光纤的接头处为起始端将传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上，参考步骤1）做的起点标记和终点标记，使每根扭光纤的起旋转段的起点和降速旋转段的起点位于线圈骨架的同一轴向线上，每根扭光纤的起旋转段的终点和降速旋转段的终点也位于线圈骨架的同一轴向线上。

4.全光纤电流互感器，其特征在于：包括光源、光电探测器、光纤耦合器、具有起偏、分光以及相位调制功能的分光起偏调制装置、线保偏延迟光缆和权利要求1中所述的传感光纤环；所述光源和光电探测器通过光纤耦合器与分光起偏调制装置相连；分光起偏调制装置的两个输出端口通过对应的线保偏延迟光缆分别以0°和90°熔接至传感光纤环的两个外接端，分光起偏调制装置分出两束同偏振方向的线偏振光，分别经过对应的线保偏延迟光缆进入传感光纤环的两根旋向相反的扭光纤中。