CN103149405A - 一种全光纤电流互感器传感头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种全光纤电流互感器传感头，传感头上盖和传感头下盖表面设置有凹槽；传感光纤、全光纤1/4波片和光纤端面反射镜通过熔接方式构成了全光纤电流互感器的光纤传感部分，以螺旋方式均匀缠绕在所述传感骨架上，绕制有光纤传感部分的传感骨架放置于传感头下盖的凹槽中，并将传感头上盖、传感头下盖进行整体封装；传感头上盖加工有一个内含引线孔的引线头，保偏光缆作为全光纤电流互感器传感头的引出端，与光纤传感部分连接并从引线孔中引出；本发明能有效的消除光纤传感部分的线性双折射、Verdet常数温度效应、1/4波片相位延迟温度效应等各种负面影响。

Description

一种全光纤电流互感器传感头

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种全光纤电流互感器的传感头。

背景技术

国家电网“十二五”规划中，数字化变电站的建设和改造工作将全面铺开，特高压作为我国坚强智能电网的骨干网架，也将进入建设高峰期。随着电网的发展，目前广泛使用的传统电磁式电流互感器暴露出其致命缺陷，例如高电压等级时绝缘极为困难、输出为模拟量、磁饱和等，满足不了电网发展战略的新要求，从而急需开发出一种新型的电流测量装置！国内外最终把目光集中在数字化的电子式电流互感器上，其中全光纤电流互感器是技术最先进的类型，代表目前电流互感器的发展方向。

国内外有大量单位对全光纤电流互感器展开研究，但由于技术难度较大，绝大多数单位仍停留在理论研究或实验尝试阶段，仅有极个别单位研制成功，达到了满足国标要求的0.2S级测量准确度。全光纤电流互感器的研制方案借鉴了光纤陀螺技术，它们的光路结构、检测方法、关键技术等内容几乎完全一样，区别仅在于全光纤电流互感器和光纤陀螺的传感头不一样，由于无法借鉴较为成熟的光纤陀螺技术，导致传感头成为全光纤电流互感器研制过程中的最大难点。

全光纤电流互感器的传感头包含光纤传感部分及其外部的保护装置，其中光纤传感部分包含全光纤1/4波片、传感光纤、光纤端面反射镜等全光纤器件，绕制在一个骨架上，用于感应电流信息，外部的保护装置则由绝缘材料制作而成，用于封装和保护光纤传感部分（全光纤器件极易损坏，不能长期暴露在空气中）。全光纤电流互感器的最大难点是光纤传感部分中传感光纤的线性双折射效应，以及传感光纤Verdet常数和光纤1/4波片相位延迟的温度效应，这些负面效应会严重影响互感器的工作性能，使其无法满足实际应用的需求。

由上所述，要研制成功全光纤电流互感器，并达到满足国标要求的测量准确度，以及长期应用时的可靠性和稳定性，必须设计并制作出能解决线性双折射、Verdet常数温度效应、光纤1/4波片相位延迟温度效应等关键问题的全光纤电流互感器传感头。

专利《一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法》（申请号为200810226743.5）和专利《一种全光纤电子式电流互感器敏感环》（申请号为200910237041.1）公开了一种敏感线圈的制备方法，采用该方法制备的敏感线圈对于电流互感器敏感环的制备有较大的借鉴意义，但也存在一定的缺陷：骨架上加工的沟槽为阿基米德螺旋线形状，传感光纤放置在沟槽内，无法增加圆双折射以降低线性双折射的负面影响；骨架上的沟槽一旦加工好，其形状和长度无法再加以调整，则沟槽内放置的传感光纤的长度随之固定，无法在装配的实际过程中实时调整；绕制光纤传感部分的环形骨架由金属材料加工而成，不仅重量较大，而且金属材料的线膨胀系数与光纤不一致，在温度效应的影响下，会使绕制在骨架上的传感光纤受到应力作用（如骨架的线膨胀系数大于光纤，会对绕制在骨架上的传感光纤产生一个向外挤压的应力，反之，如骨架的线膨胀系数小于光纤，会使光纤一定程度上脱离骨架，处于悬空状态，同样会产生应力），使传感光纤的线性双折射这一负面效应加剧；用胶固定光纤会使光纤受到应力，影响传感头在变温环境中的测量稳定性。

专利《一种光纤电流传感器的全光纤传感头》（申请号为200810056485.0）公开了一种传感头的制备方法，具有方便实现现场安装与拆卸的优点，但也存在一定的缺陷：结构较为复杂，且使用了大量的零部件，给加工带来了非常大的难度；传感光纤缠绕在玻璃骨架和软管上，软管的线膨胀系数与光纤差别较大，在温度效应的影响下，会使绕制在上面的传感光纤受到较大的应力作用，使传感光纤的线性双折射这一负面效应加剧。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种全光纤电流互感器传感头，能有效的消除光纤传感部分的线性双折射、Verdet常数温度效应、1/4波片相位延迟温度效应等各种负面影响。

本发明采用如下技术方案：一种全光纤电流互感器传感头，包括：传感光纤、全光纤1/4波片、光纤端面反射镜、传感骨架、传感头上盖、传感头下盖、保偏光缆；所述传感头上盖和传感头下盖表面设置有凹槽；所述传感光纤、全光纤1/4波片和光纤端面反射镜通过熔接方式构成了全光纤电流互感器的光纤传感部分，所述光纤传感部分以螺旋方式均匀缠绕在所述传感骨架上，绕制有光纤传感部分的传感骨架放置于传感头下盖上的凹槽中， 并将传感头上盖、传感头下盖进行整体封装；所述传感头上盖加工有一个内含引线孔的引线头，所述保偏光缆作为全光纤电流互感器传感头的引出端，与所述光纤传感部分连接并从引线孔中引出。

在上述技术方案中，所述传感骨架采用石英玻璃制作且为环形结构，其横截面为圆形，表面光滑。

在上述技术方案中，所述传感头上盖和传感头下盖为环形结构，其表面设置的凹槽也为环形。

在上述技术方案中，所述凹槽的外径大于环形传感骨架的外径，内径小于环形传感骨架的内径，深度大于传感骨架的横截面直径。

在上述技术方案中，在所述凹槽在圆周上等距离间隔设置有数个卡槽。

在上述技术方案中，在所述卡槽中设置有卡具，所述卡具用来固定传感骨架。

在上述技术方案中，所述传感光纤为低双折射光纤或单模光纤，并套进石英细管中加以保护。

在上述技术方案中，所述传感头上盖、传感头下盖采用绝缘材料制作，所述传感头上盖、传感头下盖通过

螺丝钉连接在一起。

在上述技术方案中，所述引线孔的内径与所述保偏光缆的外径一致。

本发明的优点在于：通过一系列的优化措施，解决了目前国内外在设计与制作全光纤电流互感器传感头时的难点，避免了各种负面效应对系统的不利影响，为成功研制出满足应用要求的全光纤电流互感器奠定了基础。

优点一：传感骨架和光纤传感部分必须加以固定，以避免传感头内部部件和光纤传感部分在互感器使用过程中晃动，从而降低互感器的稳定性和可靠性，目前通常使用胶进行粘贴固定，但该方式存在较大的弊端，会严重影响传感头的性能：光纤在粘贴点会受到应力作用，导致光纤传感部分出现负面的线性双折射效应并降低传感头的测量准确度和变比稳定性；光纤、骨架、胶等材料的热膨胀系数不一致，温度变化时会使传感光纤受到额外的应力作用，导致光纤传感部分出现额外的线性双折射效应并降低传感头的温度适应性；长期使用过程中胶的粘性会退化，降低了传感头的可靠性。本发明采用了特制的卡具，不仅可以在凹槽中固定传感骨架，还可以在螺旋缠绕光纤传感部分时用于固定光纤，该固定方式稳定可靠，避免了用胶固定光纤的种种弊端。

优点二：对于目前通常使用的传感骨架（一般采用金属材料制作，例如铝合金，其热膨胀系数相对较小），其热膨胀系数与光纤不一致，当外界温度变化时，骨架热膨胀系数过大（向外挤压光纤，使光纤受力）或过小（光纤环在骨架上变松并悬空垂吊，同样会使光纤受力）均会对传感头的性能产生不利影响，本发明采用石英玻璃制作传感骨架，该材料与光纤的热膨胀系数一致，可大为增强传感头在外界温度变化时的环境适应性和测量稳定性。

优点三：裸光纤在绕制时容易折断，降低了传感头的制作效率，本发明中的光纤传感部分用石英细管保护，可降低绕制难度，增大传感头的制作效率，此外，石英材料制作而成的细管，其热膨胀系数与光纤一致，同样可大为增强传感头在外界温度变化时的环境适应性和测量稳定性。

优点四：传统方式制作的传感头，由于骨架形状和沟槽位置的因素，光纤传感部分只能采用平面渐开螺旋的方式，沿圆周方向放置于环形骨架上的沟槽中，该骨架及光纤绕制方式无法有效的降低光纤传感部分受线性双折射的负面影响，本发明采用无沟槽的环形传感骨架（横截面为圆形），并采用螺旋缠绕的方式，将光纤传感部分均匀绕制在骨架上，该骨架及光纤绕制方式可大幅度增大光纤传感部分的圆双折射，以之降低甚至消除线性双折射的负面影响，提升传感头及整个系统的性能。

优点伍：随应用场合的不同，传感头的额定工作电压并不一致，光纤传感部分的传感光纤长度必须随之进行适当调整，传统方式制作的传感头，传感光纤沿圆周方向放置于环形骨架上的沟槽中，传感光纤的总长度与沟槽长度一致，沟槽一旦加工好，则传感光纤的长度随之固定，无法在装配传感头的实际过程中实时调整，本发明采用无沟槽的环形传感骨架（横截面为圆形），光纤传感部分螺旋缠绕在骨架上，没有缠绕圈数和各圈具体缠绕位置的限制，从而传感光纤的长度可在装配传感头的实际过程中实时调整，直至满足额定工作电压的要求。

优点六：传感头的引线部分使用保偏光缆，与通常采用的保偏光纤相比，具备了较大的优势：光缆的保护套可以保护光纤，避免光纤被意外折断，并降低光纤被空气腐蚀氧化的程度；便于装配，降低了传感头的制作难度；传感头感应到的电流信息通过引线输出给后端的信号处理单元时，光缆的保护套可降低该过程中光纤里传输的传感信息受外界干扰的影响程度。

优点七：传感头上盖、传感头下盖、底座、卡具、传感骨架等机械部件的结构简单，加工制造难度小，便于批量生产。

优点八：传感头上盖和传感头下盖将光纤传感部分较好的进行了密闭封装，增强了光纤传感部分与外界环境的温度隔离性，降低了传感头受外界环境因素（尤其是温度）的干扰程度。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是光纤陀螺的基本结构；

图2是反射式方案全光纤电流互感器的基本结构；

图3是在环形传感骨架上螺旋缠绕光纤的示意图；

图4是全光纤电流互感器传感头的整体结构；

图5是传感头下盖的结构的斜视图；

图6是传感头下盖的结构的正视图；

图7是传感头底座的结构；

图8是特制卡具的形状的正视图；

图9是特制卡具固定传感骨架的示意图；

图中：1-SLED光源；2-光纤起偏器；3-光电探测器；4-信号处理单元；5-光学相位调制器；6-传感光纤圈；7-光纤四分之一波片；8-光纤端面反射镜；9-传感骨架；10-通电导体；11-传感头下盖；12-传感头上盖；13-引线头；14-螺纹孔；15-传感头底座；16-环状凹槽；17-卡槽；18-卡具；19-倒立的卡具。 

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1 所示，光纤陀螺主要用于测量物体的角速度，为光纤传感技术最重要和发展最充分的应用方向，其原理是 SLED光源1产生宽谱光，经光纤起偏器2起偏后输入传感光纤圈6，来感应被测物体的角速度信息。包含角速度信息的光信号通过环路回到光电探测器3，转化为电信号，送入信号处理单元4中进行运算处理，从而得到被测物体的角速度信息，同时信号处理单元4产生一定参数的调制电压，通过光学相位调制器5对光信号进行调制，以提高系统的检测性能。

全光纤电流互感器是测量通电导体中的电流大小一种技术，如图2所示，其传感头包含光纤传感部分及其外部的保护装置，其中光纤传感部分包含全光纤四分之一波片7、传感光纤6、光纤端面反射镜8等全光纤器件。全光纤电流互感器与图1中的光纤陀螺相比，在结构上仅有用于感应待测电流信息的传感头存在区别：多了一种关键光学器件—光纤四分之一波片7，主要作用是产生p/2的相位延迟，将传输线路上的线偏振光转变为用于传感的圆偏振光，从而利用法拉第效应（外加磁场使得两束圆偏振光在传播一段距离后会产生一定的相位差，可通过测量该相位差来获得磁场及产生磁场的电流信息）进行电流检测；多了一种关键光学器件—光纤端面反射镜8，主要作用是反射回光纤中传输的光信号，以替代图1中通过环路传回光信号的方法；传感光纤6需用特制的低双折射光纤，以降低线性双折射对系统造成的不利影响。全光纤电流互感器与光纤陀螺相比，除传感头存在区别外，两种系统的信号产生、传输、处理等过程几乎完全一样。

综上所述，除了传感头外，全光纤电流互感器的光路结构、检测方法、关键技术等内容和光纤陀螺几乎完全一样，但传感头在全光纤电流互感器中起着最关键的作用，由于无法借鉴目前较为成熟的光纤陀螺技术，从而导致该部件成为全光纤电流互感器研制过程中最大的瓶颈。

全光纤电流互感器在传感头上的研制难点，也是全光纤电流互感器的最大难点，即是光纤传感部分中传感光纤6的线性双折射效应，此外，还包括传感光纤6的Verdet常数和光纤四分之一波片7的相位延迟这两个参数的温度效应，这些负面效应会严重影响互感器的工作性能，使其无法满足实际应用的需求。

传感光纤6的线性双折射会造成偏振光偏振面的旋转，产生一个与电流法拉第效应无法区分的误差信号，对全光纤电流互感器的性能造成严重影响，使其达不到国标要求的0.2S级，并降低了互感器在全温（-40℃～60℃）条件下的环境适应性，以及测量的稳定性和可靠性，这也是全光纤电流互感器一直难以实用化的关键原因之一。光纤中的线性双折射不仅可由光纤本身固有的特性引起，包含光纤制造时的非均匀性、非圆性或由光纤材料引入的内应力，还会由外界因素引起，包括外应力、温度、弯曲等因素，量化和消除线性双折射是非常困难的，因此，在制作传感头以及研制互感器样机时，传感光纤6的线性双折射难以完全消除，仅能尽量降低其产生的不利影响。根据已有的研究，对于降低线性双折射的负面影响，最有效的措施是在传感光纤中引入大量的圆双折射，以抑制线性双折射，具体的操作方法如图3所示，在一个环形传感骨架9上螺旋缠绕传感光纤6（图3仅为操作方法的示意图，便于理解具体的绕制方式，在实际制作传感头时，传感光纤应紧贴骨架绕制），以感应从环形骨架中心孔中穿过的通电导体10上的待测电流，通过此方法可以加入大量的圆双折射，而且该方法加入的圆双折射不易随温度变化或时间推移而改变，具备较好的稳定性和可靠性。

传感光纤6的Verdet常数是衡量其法拉第效应的主要参数，它与全光纤电流互感器的变比成正比，根据已有的研究，磁光晶体的Verdet常数是温度的函数。光纤四分之一波片7相位延迟的误差（与标准值p/2相比）会使互感器的尺度因子随之变化，使互感器的输出不稳定，降低了系统的测量准确度，使其达不到国标要求的0.2S级，严重时甚至会导致互感器输出的数据无效。光纤四分之一波片7的相位延迟也是温度的函数，当环境温度改变时，波片的相位延迟是变化的，无法一直稳定在p/2处，此外，如果波片受到应力作用，也会对其相位延迟产生一定的影响。

全光纤电流互感器的重要优势之一是其耐（电）压能力极高，光纤高度绝缘，传感头的额定工作电压仅取决于光纤传感部分中传感光纤的长度，并与其成正比，即如互感器需达到较高（低）的额定工作电压，采用增大（减小）传感光纤长度的方式即可实现。

本发明针对上述存在的问题，提出一种新型的全光纤电流互感器传感头，其整体结构如图4所示，能有效的解决光纤传感部分的各种负面效应，制作该传感头的过程主要包括以下步骤：

步骤一：加工制作传感骨架9，用于绕制光纤传感部分；

所述传感骨架9为环形结构，其结构如图3所示，可采用光学加工、机械加工或其他方式进行制作，其结构简单，制作较为容易。所述传感骨架9采用石英玻璃作为制作材料，横截面为圆形，表面光滑。

步骤二：加工制作传感头下盖11和传感头上盖12，用于封装和保护光纤传感部分；

所述传感头下盖11为环状结构，其外形和具体结构见图4、图5和图6所示。所述传感头下盖11的大小与传感骨架9相匹配，其内表面加工有一个环状凹槽16，环状凹槽16的外径大于环形传感骨架9的外径，环状凹槽16的内径小于环形传感骨架9的内径，环状凹槽16的深度大于传感骨架9横截面直径的1/2。环状凹槽16沿圆周方向相同距离处均匀加工有数个相同规格的卡槽17，同时传感头下盖11的外表面上加工有数个用于固定连接的螺纹孔14。

所述传感头上盖12的外形和结构与所述传感头下盖11基本一致，区别仅在于多了一个内含引线孔的引线头13，引线孔的内径与保偏光缆的外径一致，一般为3mm或0.9mm。

所述传感头下盖11和所述传感头上盖12的制作材料为尼龙、铝合金、绝缘橡胶等绝缘材料，采用机械加工或其他方式进行制作，其结构简单，制作较为容易。

步骤三：加工制作传感头底座，用于放置传感头；

传感头底座的结构如图7所示，其上表面加工有一个圆弧形的凹槽，凹槽弧度与传感头下盖11的弧度一致，凹槽宽度为传感头下盖11厚度的两倍，凹槽最大深度无严格的限制，超出传感头下盖11外径的1/10即可，便于如图4所示放置封装好的传感头下盖11和传感头上盖12。传感头底座的具体形状及外部尺寸并无限制，可根据实际应用情况随意调整。传感头底座的制作材料为尼龙、铝合金、绝缘橡胶等绝缘材料，采用机械加工或其他方式进行制作。

步骤四：加工制作卡具18；

所述卡具18的外形见图8和图9所示，其外形大小与所述卡槽17相匹配，其厚度与卡槽17的宽度一致，其长度为卡槽17长度的1/2，其高度为卡槽17深度的2倍，此外，如图9所示，卡具18内侧开口大小与所述传感骨架9的横截面外径一致。卡具18的制作材料为尼龙、铝合金、绝缘橡胶等绝缘材料，可与传感头下盖11和传感头上盖12的制作材料相同，采用机械加工或其他方式进行制作，其结构简单，制作较为容易。

所述卡具18倒立时的形状见图8所示，可见由于其独特的形状，两个卡具可配套使用，即一个正立的卡具18和一个倒立的卡具19可相互契合，如图9所示，共同构成一套完整的卡具，用于固定所述传感骨架9。

步骤五：熔接光纤传感部分，并绕制在传感骨架9上；

所述传感光纤6、所述全光纤1/4波片7和所述光纤端面反射镜8通过保偏光纤熔接机（未图示）熔接在一起，构成了全光纤电流互感器的光纤传感部分，再将整个光纤传感部分套进石英细管（未图示）中加以保护，并如图3所示，采用螺旋缠绕的方式，均匀并紧贴绕制在传感骨架上，以大幅度增大光纤传感部分的圆双折射，从而降低甚至消除线性双折射的负面影响。

所述缠绕方式的缠绕圈数和各圈的具体位置并无限制，从而光纤传感部分中传感光纤的长度可在装配传感头的实际过程中随意调整，直至满足额定工作电压的要求。

所述传感光纤6为低双折射光纤或单模光纤。

步骤六：熔接光纤传感部分和保偏光缆，并从所述引线头13中引出；

采用保偏光缆作为系统中传感信号的传输介质，通过保偏光纤熔接机（未图示），将保偏光缆和绕制在传感骨架9上的光纤传感部分熔接在一起，从传感头上盖12的引线头13中引出，并将光缆外部的保护套和引线孔用胶进行粘贴，以固定光缆。

所述保偏光缆为外部加有保护套的保偏光纤，保护套的外径一般为3mm或0.9mm。

步骤七：装配传感头。

将绕制有光纤传感部分的传感骨架9放置于传感头下盖11（或传感头上盖12）的凹槽中，并在卡槽17处通过所述卡具18和所述卡具19固定，所述卡具18和所述卡具19对所述传感骨架9的固定方式如图9所示，绕制的光纤传感部分从骨架旁边的小孔中穿过，从而可以利用卡具在卡槽17处同时固定传感骨架9和光纤传感部分。

在传感头下盖11（或传感头上盖12）的凹槽中放置并固定好传感骨架9及光纤传感部分后，再用传感头上盖12（或传感头下盖11）盖住，进行整体封装，并在螺孔14处用螺钉进行固定，最后放置于传感头底座上，如图4所示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种全光纤电流互感器传感头，其特征在于包括：传感光纤、全光纤1/4波片、光纤端面反射镜、传感骨架、传感头上盖、传感头下盖、保偏光缆；所述传感头上盖和传感头下盖表面设置有凹槽；所述传感光纤、全光纤1/4波片和光纤端面反射镜通过熔接方式构成了全光纤电流互感器的光纤传感部分，所述光纤传感部分以螺旋方式均匀缠绕在所述传感骨架上，绕制有光纤传感部分的传感骨架放置于传感头下盖上的凹槽中， 并将传感头上盖、传感头下盖进行整体封装；所述传感头上盖加工有一个内含引线孔的引线头，所述保偏光缆作为全光纤电流互感器传感头的引出端，与所述光纤传感部分连接并从引线孔中引出。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为所述传感骨架采用石英玻璃制作且为环形结构，其横截面为圆形，表面光滑。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为所述传感头上盖和传感头下盖为环形结构，其表面设置的凹槽也为环形。

4.根据权利要求3所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为所述凹槽的外径大于环形传感骨架的外径，内径小于环形传感骨架的内径，深度大于传感骨架的横截面直径。

5.根据权利要求4所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为在所述凹槽在圆周上等距离间隔设置有数个卡槽。

6.根据权利要求5所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为在所述卡槽中设置有卡具，所述卡具用来固定传感骨架。

7.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器传感头，其特征为所述传感光纤为低双折射光纤或单模光纤，并套进石英细管中加以保护。

8.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器传感头,其特征为所述传感头上盖、传感头下盖采用绝缘材料制作，所述传感头上盖、传感头下盖通过

螺丝钉连接在一起。

9.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器传感头,其特征为所述引线孔的内径与所述保偏光缆的外径一致。

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