CN103176023A

CN103176023A - 全光纤电流传感器系统及电流检测方法

Info

Publication number: CN103176023A
Application number: CN2011104325174A
Authority: CN
Inventors: 杨双收; 魏秀珍; 高超
Original assignee: BEIJING SCITLION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING SCITLION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-26

Abstract

全光纤电流传感器系统及电流检测方法，涉及电流检测方面，主要解决光纤电流传感器系统设置与电流检测方法。该系统通过偏振控制器对输入传感光纤圈的偏振态进行控制，采用在光纤圈尾端镀全电介质反射膜或连接法拉第旋镜的方法对入射光进行反射，采用高速偏振态检测系统对反射光的偏振态进行测量，通过计算偏振态变化的夹角从而得到电流大小。本传感器不受光纤自身双折射的影响，通过偏振控制器和高速偏振态检测系统对电流改变的偏振态进行检测，方法简单、快捷。

Description

全光纤电流传感器系统及电流检测方法

技术领域

本发明涉及利用偏振态旋转和高速检测偏振态的全光纤电流传感器系统及电流检测方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

传统的电磁式电流传感器在高电压、大电流和强功率的电力系统中存在容易受到电磁干扰、精度低、铁芯的共振效应和滞后效应等一系列缺点，难以满足对高压下大电流的检测。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、绝缘性好、动态范围大等优点，在大电流的检测方面受到了广泛的关注，已经成为目前电力系统检测高压高电流研究最广泛、最有市场前景的方案。

根据目前的研究方案，光纤电流传感器大致可以分为两类：功能型光纤电流传感器和传输型光纤电流传感器。在传输型光纤电流传感器中，光纤的作用仅仅是完成对信号的传输，磁场对于光信号的调制通过环状磁光玻璃，BGO晶体、以及发光二极管等元件完成。图2是一种利用BGO晶体的光纤电流传感器结构，其原理是：激光器（6）发出的连续光经多模光纤（7）进入准直透镜（8）进行准直，然后经过起偏器（9）变为线偏振光进入BGO晶体（10），光在通过BGO晶体（10）时，由于磁场的作用其偏振方向将发生旋转，在出射端采用分光棱镜（11）分光后采用探测器（12）进行光强度变化的检测。由于磁场与外界的电流成正比，通过检测磁场即可检测出电流。该传感器中的光纤只对光具有传输作用，不存在光纤自身双折射对信号的影响，但是该种传感器使用的准直透镜在实际安装过程中的固定非常困难，容易引入较大误差甚至错误信息，而且该种传感器毕竟只是测量了磁场，而没有进行沿长度的积分，存在换算误差。该种传感器中磁场的大小与BGO探头所处位置有关，这个误差难以克服。此外还存在探头的BGO晶体容易受温度的影响，而且虽然理论上偏振方向的旋转是由磁场所决定，但是由于磁光效应与磁场方向和光传输方向的夹角有关，从而引起误差。而且BGO晶体长度毕竟有限，很难进一步提高灵敏度。

功能型光纤电流传感器是基于光纤内的Faraday磁光效应实现电流的检测，光纤具有传感元件和信号的传输介质双重作用。功能型光纤电流传感器是将光纤缠绕在被测通电导体周围，通过测量光纤中的Faraday旋转角间接测量电流的大小。功能型光纤电流传感器的结构简单、重量轻、测量灵敏度可按光纤环数调节。功能型光纤电流传感器的按调制原理分主要有两种：偏振调制型和相位调制型。偏振调制型的基本原理是基于光纤内的Faraday效应实现偏振态的旋转，如图3所示：激光器（13）输出光经过光纤起偏器（14）后输入光纤圈（15），输出端采用握拉斯顿棱镜（16）进行分光后，采用两个探测器（17）将光信号转换为电信号送入信号处理单元（18）。相位调制型光纤电流传感器是利用相位调制器对光进行相位调制，通过检测输出干涉光的相位差来确定待测电流。相位调制型光纤电流传感器主要是基于Fabry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪等几种干涉仪实现的。以Sagnac干涉仪为例，一种Sagnac干涉型光纤电流传感器的结构如图4所示，测量原理是：激光器（19）发出的光经2×1单模光纤耦合器（20）后进入起偏器（21）变为线偏振光，然后经2×2单模光纤耦合器（22）分成强度相等的两束光，这两束光通过单模光纤（23）传输到λ/4波片（24）转换为两个旋向相同的圆偏振光，分别沿顺时针方向和逆时针方向通过传感光纤圈（25），由于Faraday效应的非互异性，这两束光在电流磁场的作用下产生相位差，然后反向经过2×2单模光纤耦合器（22）、起偏器（21）和2×1单模光纤耦合器（22）进入光电探测器（26）。

上述功能型光纤电流传感器由于光纤自身双折射效应的影响，使得测量误差大大增加，系统稳定性削弱，因此研究人员通过制作低双折射光纤或者低光弹性系数光纤来消除光纤自身的双折射效应，以便减少外界环境的干扰。或者研究磁光Faraday效应与光纤自身双折射效应之间的区别，来抑制光纤自身的双折射，但由于光纤自身的双折射受光纤自身的形状等状态的影响，即使是低双折射光纤，光纤在弯曲、温度变化时都会形成新的双折射，因此上述方法都未能够真正解决光纤自身双折射的影响的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用偏振态旋转和高速偏振态检测技术实现的全光纤电流传感器系统及电流检测方法。本发明所采用的技术方案是：基本结构如图1所示，包括一个激光器（1），一个光纤圈（4），一个与激光器相连的偏振控制器（2），一套高速偏振态检测器（5），以及一个光纤环形器（3）。与通常的全光纤电流传感器的区别在于，在光纤圈的输入端没有了起偏器，而代之以偏振控制器；在输出端也没有检偏器或者偏振分束器（沃拉斯顿透镜等），而在输出端代之以高速偏振态检测系统。这是一个非常简单的结构，关键在于通过偏振态的高速检测计算连续偏振态变化之间的夹角。

其调节步骤如下：步骤1 光源（1）输出的连续光或者短脉冲光经过偏振控制器（2）后，进入光纤环形器（3）的1端口，由光纤环形器（3）的2端口输出进入光纤圈（4），通过偏振控制器（2）调节输出光纤圈（4）的光的偏振态。

步骤2 光纤圈（4）的末端镀有反射膜或者与法拉第旋镜相连接，反射光经过光纤圈（4）后由光纤环形器（3）的3端口输出，并进入高速偏振态检测系统（5）。

步骤3导线中的电流

发生连续变化时，反射光的偏振态会在邦加球上形成一个圆形，利用高速偏振态检测系统（5）可以得到每次电流变化时输出的偏振态。连续变化的两个输出偏振态的夹角

满足关系式：

其中，

为电流

对应的输出偏振态，

为电流对应的输出偏振态。

本发明的优点在于通过偏振态旋转和高速偏振态检测方法检测电流变化，该方法克服了全光纤电流传感器中由于环境引起的偏振态不稳定的问题，而且该方法测量简便，速度快，结构简单。

附图说明

图1是全光纤电流传感器系统的结构示意图；

图中：光源（1），偏振控制器（2），光纤环形器（3），光纤圈（4），高速偏振态检测系统（5）。

图2是基于BGO晶体的光纤电流传感器的结构示意图；

图中：激光器（6），多模光纤（7），准直透镜（8），起偏器（9），BGO晶体（10），分光棱镜（11），探测器（12）。

图3是偏振调制型全光纤电流传感器的结构示意图；

图中：激光器（13），光纤起偏器（14），光纤圈（15），，握拉斯顿棱镜（16），探测器（17），信号处理单元（18）。

图4是相位调制型全光纤电流传感器的结构示意图；

图中：激光器（19），2×1单模光纤耦合器（20），起偏器（21），2×2单模光纤耦合器（22），单模光纤（23），λ/4波片（24），传感光纤圈（25），光电探测器（26）。

图5是全光纤电流传感器系统一的结构示意图；

图中：激光器（27），外调制器（28），偏振控制器（29），光纤环形器（30），镀有反射膜的光纤圈（31），高速偏振态检测器（32）。

图6是全光纤电流传感器系统二的结构示意图；

图中：激光器（33），偏振控制器（34），光纤环形器（35），光纤圈（36），法拉第旋镜（37），高速偏振态检测器（38）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：

【实施例1】图4是一种光纤圈尾端镀膜的反射式全光纤电流传感器系统的结构示意图，图中（27）为激光器，（28）为外调制器，（29）为偏振控制器，（30）为光纤环形器，（31）为镀有反射膜的光纤圈，（32）为高速偏振态检测器。该方法的实现步骤如前所述。

【实施例2】图5是一种光纤圈尾端连接法拉第旋镜的反射式全光纤电流传感器系统的反射式结构示意图。图中（33）为激光器，（34）为偏振控制器，（35）为光纤环形器，（36）为光纤圈，（37）为法拉第旋镜，（38）为高速偏振态检测器。调节的方法同前。

Claims

1.一种全光纤电流传感器的电流检测方法，其步骤如下：

步骤一：在测量光路中，采用偏振控制器对输入光纤圈的光进行偏振态控制，偏振控制器和光纤圈分别与光纤环形器的1端口和2端口相连；步骤二：光纤圈的末端采用镀膜或者接入法拉第旋镜的方法将入射光进行反射，反射光经过光纤圈后，由光纤环形器的3端口输出，进入高速偏振态检测系统；步骤三：导线中的电流发生连续变化时，利用高速偏振态检测系统测量得到的反射光的偏振态会在邦加球上形成一个圆形，可以得到每次电流变化时输出的偏振态；步骤四：电流变化导致的光的偏振态发生旋转，旋转角为连续变化的两个输出偏振态之间的夹角；通过计算连续变化的两个输出偏振态的夹角即可得到电流变化的大小。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器的电流检测方法，其特征是，步骤三所述的输出的偏振态与导线中得电流之间满足关系式：

Figure 2011104325174100001DEST_PATH_IMAGE001

其中，是光纤圈的传输矩阵。

3.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器的电流检测方法，其特征是，步骤四所述的连续变化的两个输出偏振态的夹角满足关系式：

Figure 2011104325174100001DEST_PATH_IMAGE002

其中，为电流对应的输出偏振态，为电流对应的输出偏振态。

4.一种全光纤电流传感器系统，包括光源（1），偏振控制器（2），光纤环形器（3），光纤圈（4），偏振态检测系统（5）；一种全光纤电流传感器系统，其特征在于：使用偏振控制器（2）保持光源（1）的输入光纤环形器（3）端口1的偏振态稳定，输入光经过光纤环形器（3）的端口2进入光纤圈（4），光纤圈（4）末端反射的光经过光纤环形器（3）的端口2和端口3进入偏振态检测系统（5）。

5.根据权利要求4所述的全光纤电流传感器系统，其特征在于，所使用的光源（1）为输出直流光或者短脉冲光的激光器，或者输出直流光的激光器及外调制器。

6.根据权利要求4所述的全光纤电流传感器系统，其特征在于，光纤圈（4）末端镀有全电介质反射膜。

7.根据权利要求4所述的全光纤电流传感器系统，其特征在于，光纤圈（4）末端采用的是光纤法拉第旋镜。