CN103207301A - 一种光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器 - Google Patents

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王嘉
王英利
刘尚波
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Abstract

本发明涉及一种光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器，该光纤电流传感器线圈包括偏振旋向转换器、绕制在待测电流导体上的第一类光纤环以及第二类光纤环；第一类光纤环与第二类光纤环在待测电流导体上的绕制方向相反；第一类光纤环通过偏振旋向转换器与第二类光纤环连接。本发明提供了一种测量精度高、体积小、重量轻、且对转动完全不敏感或较不敏感的光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器。

Description

一种光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器
技术领域
本发明属于光学探测技术领域，涉及一种电流传感器，尤其涉及一种光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器。
背景技术
传统电磁式电流传感器逐渐暴露出了严重的缺陷，不能满足高压、超高压电网的需要。传统电磁式电流传感器的缺点：体积大、重量大；有磁饱和、铁磁谐振问题；绝缘结构复杂、造价高；绝缘成本随电压等级提高急剧增长；输出为模拟量，不易与数字设备连接；存在潜在的爆炸危险。
目前有一种干涉型光纤电流传感器作为传统铁磁式电流传感器最为可能的换代产品而备受关注。与传统铁磁式电流传感器相比，干涉型光纤电流传感器具有如下优点：体积小、重量轻；动态范围大、测量精度高；无磁饱和、铁磁谐振问题；绝缘结构简单，绝缘性能好，绝缘成本低；绝缘成本随电压等级提高增加极小；输出为数字量，易与数字设备连接；无潜在爆炸危险。
但是这种干涉型光纤电流传感器具有一个缺陷：其电流传感线圈同时对转动敏感。很小的转动就可能对电流输出值有较大影响。对电力系统而言，电流传感器的重要应用场所是在变电站，变电站中电流传感器的传感头部分在室外，难以避免振动造成的传感线圈微小转动，这严重影响了干涉型光纤电流传感器的测量精度，从而阻碍了干涉型光纤电流传感器的实际应用。
因此，为满足现代电力系统的要求，促进干涉型光纤电流传感器的实际应用，急需解决干涉型光纤电流传感器的传感线圈对转动敏感的问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种测量精度高、体积小、重量轻、且对转动完全不敏感或较不敏感的光纤电流传感器线圈及基于该线圈的光纤电流传感器。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种光纤电流传感器线圈，其特殊之处在于：所述光纤电流传感器线圈包括偏振旋向转换器、绕制在待测电流导体上的第一类光纤环以及第二类光纤环；所述第一类光纤环与第二类光纤环在待测电流导体上的绕制方向相反；所述第一类光纤环通过偏振旋向转换器与第二类光纤环连接。
上述第一类光纤环与第二类光纤环的匝数和环绕面积满足以下关系式：
∑(N1i×S1i)＝∑(N2i×S2i)
其中：
N1i是第一类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S1i是第一类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积，
N2i是第二类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S2i是第二类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积。
上述第一类光纤环以及第二类光纤环处于平行平面或同一平面。
上述第一类光纤环与第二类光纤环均包括一个或多个的光纤环。
上述第一类光纤环以及第二类光纤环均包括多个光纤环时，所述第一类光纤环的所有光纤环均处于平行平面或同一平面；所述第二类光纤环的所有光纤环均处于平行平面或同一平面。
上述第一类光纤环以及第二类光纤环安装面尽可能保证为平行面，并优先选择同一平面；上述第一类光纤环以及第二类光纤环的几何轴心尽可能保证为平行线，并优先选择使几何轴心为同一轴线，这是为了便于保证第一类光纤环以及第二类光纤环之间的运动状态一致；所述光纤环的几何轴心为垂直于光纤环所在平面并通过光纤环圆心的直线。
上述第一类光纤环以及第二类光纤环所采用的光纤均是能够传播圆偏振光或椭圆偏振光的光纤，并优先选用同时具有在传播圆偏振光或椭圆偏振光时保持光波的偏振态的能力的光纤，最优先选用同时具有将一般光波起偏为圆偏振光或椭圆偏振光的能力的光纤。
上述光纤电流传感器线圈采用的光纤为不具有将光波起偏为圆偏振光或椭圆偏振光的能力的光纤时，上述光纤电流传感器线圈结构包括装置在传感光纤两端的椭圆/圆起偏器；上述传感线圈采用的光纤为具有将光波起偏为椭圆/圆偏振光的能力的光纤时，此时在传感光纤两端可以不装椭圆/圆起偏器。
所述椭圆/圆起偏器是将光波起偏为椭圆或圆偏振光的椭圆/圆起偏器；
上述光纤电流传感器线圈还包括线圈骨架；所述第一类光纤环以及第二类光纤环以相反的方向绕制在线圈骨架上，以保持各个光纤环之间的运动状态一致。
一种光纤电流传感器，其特殊之处在于：所述光纤电流传感器包括如上所述的光纤电流传感器线圈、光源、光分束器以及光探测器；所述光源以及光探测器通过光分束器与光纤电流传感器线圈相连。
所述光分束器是光耦合器、光偏振分束器或Y波导。
本发明的优点是：
本发明首先保留了干涉型光纤电流传感器的诸多优点，如：体积小、重量轻；动态范围大、测量精度高；无磁饱和、铁磁谐振问题；绝缘结构简单，绝缘性能好，绝缘成本低；绝缘成本随电压等级提高增加极小；输出为数字量，易与数字设备连接；无潜在爆炸危险。同时突破了干涉型光纤电流传感器的应用瓶颈，本发明的干涉电流传感器的电流传感线圈对转动完全不敏感或较不敏感，外部环境扰动，例如风吹引起的传感线圈微小转动，不会对传感器的电流传感器测量精度造成较明显的影响。本发明促进了干涉型光纤电流传感器的实际应用。本发明解决了目前光纤电流传感器对振动或转动不敏感等技术问题，例如，高压线路分布在室外，由于刮风或振动，高压导线会晃动，从而引起电流传感器传感部分振动。Sagnac式光纤电流传感器传感部分敏感到振动时，输出随之发生变化，而本发明的光纤电流传感器在传感部分晃动时，输出不会发生变化。因为Sagnac效应使光程变长或还是变短的由光波传播方向和光路转动方向是否相同决定，与光波的偏振状态无关，而本发明中的光纤线圈包括在待测电流导体上的绕制方向相反并通过偏振旋向转换器相连接的第一类光纤环和第二类光纤环，当发生振动或转动时，以偏振旋向转换器为分界，光纤光路的光传播方向相反，光波在第一类光纤环中传播方向与转动方向相同(相反)时，在第二类光纤环的传播方向则与转动方向相反(相同)。这样以偏振旋向转换器为分界，光波在第一类光纤环中因Sagnac效应而光程变长，在第二类光纤环中则因Sagnac效应而光程变短，有以下关系
∑(N1i×S1i)＝∑(N2i×S2i)
其中：
N1i是第一类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S1i是第一类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积，
N2i是第二类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S2i是第二类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积。
Sagnac效应恰好完全抵消。消除了Sagnac效应后，传感器中的两束光波的光程差只与电流大小有关，相遇时的相位差也只与电流大小有关，相位差与电流大小成正比：测出某一时刻的相位差就可以知道该时刻相应的电流大小。因此，本发明的光纤电流传感器消除了Sagnac效应，对振动或转动不敏感。
附图说明
图1是本发明所提供线圈结构的第一实施例的示意图；
图2是本发明所提供线圈结构的第二实施例的示意图；
图3是本发明基于图1所提供线圈的光纤电流传感器的结构示意图；
图4是本发明基于图2所提供线圈的光纤电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种以光纤传感线圈进行电流传感的干涉型光纤电流传感器线圈，该传感线圈1中包括偏振旋向转换器、绕制在待测电流导体上的第一类光纤环以及第二类光纤环；所述第一类光纤环与第二类光纤环均可能包括一个或一个以上的光纤环；所述第一类光纤环与第二类光纤环在待测电流导体上的绕制方向相反；所述第一类光纤环通过偏振旋向转换器与第二类光纤环连接。
上述第一类光纤环与第二类光纤环的匝数和环绕面积满足以下关系式：
∑(N1i×S1i)＝∑(N2i×S2i)
其中：
N1i是第一类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S1i是第一类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积，
N2i是第二类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S2i＝第二类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积。
参见图1和图2，在本发明的这种技术解决方案中，在一种特例的实施情况中，传感线圈中绕制在待测电流导体上由偏振旋向转换器连接的第一类光纤环以及第二类光纤环中均只包含一个光纤环：第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4，没有其它光纤环；第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4之间由一个偏振旋向转换器2连接；并且这两个光纤环的匝数和环面积满足以下关系式：
N11×S11＝N21×S21，这里
N11是第一类光纤环中的第一个光纤环3的匝数，
S11是第一类光纤环中的第一个光纤环3环绕的面积，
N21是第二类光纤环中的第一个光纤环4的匝数
S21是第二类光纤环中的第一个光纤环4环绕的面积。
此时第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4的连接方式保证了光波在第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4中的传播状态满足：
先经过其中第一类光纤环中的第一个光纤环3并在第一类光纤环中的第一个光纤环3中绕所述电流导体7以逆时针方向传播的光波11将在第二类光纤环中的第二类光纤环中的第一个光纤环4中绕所述电流导体7以顺时针方向传播；
先经过其中第一类光纤环中的第一个光纤环3并在第一类光纤环中的第一个光纤环3中绕所述电流导体7以顺时针方向传播的光波将在第二类光纤环中的第一个光纤环4中绕所述电流导体7以逆时针方向传播，这种情况并未在图1中给出；
先经过其中第二类光纤环中的第一个光纤环4并在第二类光纤环中的第一个光纤环4中绕所述电流导体7以逆时针方向传播的光波12将在第一类光纤环中的第一个光纤环3中绕所述电流导体7以顺时针方向传播；
先经过其中第二类光纤环中的第一个光纤环4并在第二类光纤环中的第一个光纤环4中绕所述电流导体7以顺时针方向传播的光波将在第一类光纤环中的第一个光纤环3中绕所述电流导体7以逆时针方向传播，这种情况并未在图1中给出。
上述第一类光纤环以及第二类光纤环安装面尽可能保证为平行面，并优先选择同一平面；上述第一类光纤环以及第二类光纤环的几何轴心尽可能保证为平行线，并优先选择使几何轴心为同一轴线，这是为了便于保证第一类光纤环以及第二类光纤环之间的运动状态一致，光纤环的几何轴心为垂直于光纤环所在平面并通过光纤环圆心的直线。
参考图1和图2，光纤电流传感器线圈1仅包括第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4的情况，第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4的几何轴心为同一轴线。图1中第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4安装面为同一平面内；图2中第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4安装面为平行面。
见图2，在第一类光纤环以及第二类光纤环中均只包含一个光纤环：第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4的这种实施情况中第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4可能具有相同的匝数和相同的面积。
第一类光纤环以及第二类光纤环所采用的光纤均是能够传播圆偏振光或椭圆偏振光的光纤，例如图1和图2中的第一类光纤环中的第一个光纤环3和第二类光纤环中的第一个光纤环4采用的光纤，并优先选用同时具有在传播圆偏振光或椭圆偏振光时保持光波的偏振态的能力的光纤，最优先选用同时具有将一般光波起偏为圆偏振光或椭圆偏振光的能力的光纤。
参考图2，所述光纤电流传感器线圈1还包括线圈骨架13；所述第一类光纤环中的第一类光纤环中的第一个光纤环3以及第二类光纤环中的第一类光纤环中的第一个光纤环4以相反的方向绕制在线圈骨架上，以保持各个光纤环之间的运动状态一致。
所述光纤电流传感器线圈采用的光纤为不具有将光波起偏为圆偏振光或椭圆偏振光的能力的光纤时，所述光纤电流传感器线圈结构包括装置在传感光纤两端的椭圆/圆起偏器5和6，参考图1和图2，该椭圆/圆起偏器5和6的作用为将光波起偏为椭圆/圆偏振光；所述传感线圈采用的光纤为具有将光波起偏为椭圆/圆偏振光的能力的光纤时，此时在传感光纤两端可以不装椭圆/圆起偏器5和6。
所述传感线圈采用的光纤可能是退火光纤，进行过退火以降低绕制环路时不可避免的弯曲产生的应力。制作该传感线圈采用的光纤也可能是扭光纤，在光纤制成后进行扭转以产生椭圆双折射或圆双折射来抑制线性双折射；制作该传感线圈采用的光纤也可能是旋转光纤，在拉制光纤时即进行旋转以产生椭圆双折射或圆双折射来抑制线性双折射。
参见图3和图4，在本发明在提出线圈的基础上还提供了基于该线圈的干涉型光纤电流传感器，该传感器可能还包括：一个光源8、一个连接光源和传感线圈的光分束器10、和一个用来探测返回光之间干涉光强的光探测器9。该光分束器10可能为光耦合器、光偏振分束器，Y波导等能够实现光波分束功能的光分束器。
在本发明的这种技术解决方案中所述的偏振旋向转换器，例如图1、图2、图3、图4中的偏振旋向转换器7是以在两个互相垂直的线偏振光之间附加2N+1(N＝0、1、2、3......)个π弧度相位差的方式，或者以其他方式实现圆偏振光或椭圆偏振光的旋向的转换，即将左旋椭圆/圆偏振光转化为右旋椭圆/圆偏振光，或将右旋椭圆/圆偏振光转化为左旋椭圆/圆偏振光的器件。
本发明解决了目前光纤电流传感器对振动或转动不敏感等技术问题，例如，高压线路分布在室外，由于刮风或振动，高压导线会晃动，从而引起电流传感器传感部分振动。Sagnac式光纤电流传感器传感部分敏感到振动时，输出随之发生变化，而本发明的光纤电流传感器在传感部分晃动时，输出不会发生变化。因为Sagnac效应使光程变长或还是变短的由光波传播方向和光路转动方向是否相同决定，与光波的偏振状态无关，而本发明中的光纤线圈包括在待测电流导体上的绕制方向相反并通过偏振旋向转换器相连接的第一类光纤环和第二类光纤环，当发生振动或转动时，以偏振旋向转换器为分界，光纤光路的光传播方向相反，光波在第一类光纤环中传播方向与转动方向相同(相反)时，在第二类光纤环的传播方向则与转动方向相反(相同)。这样以偏振旋向转换器为分界，光波在第一类光纤环中因Sagnac效应而光程变长，在第二类光纤环中则因Sagnac效应而光程变短，有以下关系
∑(N1i×S1i)＝∑(N2i×S2i)
其中：
N1i是第一类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S1i是第一类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积，
N2i是第二类光纤环中的第i个光纤环的匝数，
S2i是第二类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积。
消除了Sagnac效应后，传感器中的两束光波的光程差只与电流大小有关，相遇时的相位差也只与电流大小有关，相位差与电流大小成正比：测出某一时刻的相位差就可以知道该时刻相应的电流大小。
本发明的光纤电流传感器线圈，消除了或部分消除了Sagnac效应，因而对振动和转动完全不敏感或较敏感，解决了光纤电流传感器的应用瓶颈，使光纤电流传感器具有了实用性。

Claims (10)

1.一种光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述光纤电流传感器线圈包括偏振旋向转换器、绕制在待测电流导体上的第一类光纤环以及第二类光纤环；所述第一类光纤环与第二类光纤环在待测电流导体上的绕制方向相反；所述第一类光纤环通过偏振旋向转换器与第二类光纤环连接。
2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环与第二类光纤环的匝数和环绕面积满足以下关系式：
∑(N1i×S1i)＝∑(N2i×S2i)
其中：
N1i是第一类光纤环中的第i个光纤环的匝数；
S1i是第一类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积；
N2i是第二类光纤环中的第i个光纤环的匝数；
S2i是第二类光纤环中的第i个光纤环环绕的面积。
3.根据权利要求2所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环以及第二类光纤环处于平行平面或同一平面。
4.根据权利要求3所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环以及第二类光纤环均包括一个或多个光纤环。
5.根据权利要求4所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环以及第二类光纤环均包括多个光纤环时，所述第一类光纤环的所有光纤环均处于平行平面或同一平面；所述第二类光纤环的所有光纤环均处于平行平面或同一平面。
6.根据权利要求5所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环以及第二类光纤环中所有光纤环的几何轴心是平行线或处于同一轴线；所述光纤环的几何轴心为垂直于光纤环所在平面并通过光纤环圆心的直线。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一类光纤环以及第二类光纤环所采用的光纤均是能够传播圆偏振光或椭圆偏振光的光纤；所述第一类光纤环以及第二类光纤环所采用的光纤均是在传播圆偏振光或椭圆偏振光时并保持光波的偏振态的能力的光纤；所述第一类光纤环以及第二类光纤环所采用的光纤尤其是将一般光波起偏为圆偏振光或椭圆偏振光的能力的光纤。
8.根据权利要求7所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述光纤电流传感器线圈还包括线圈骨架；所述第一类光纤环以及第二类光纤环以相反的方向绕制在线圈骨架上。
9.一种光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感器包括如权利要求1-8任一权利要求所述的光纤电流传感器线圈、光源、光分束器以及光探测器；所述光源以及光探测器通过光分束器与光纤电流传感器线圈相连接。
10.根据权利要求9所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感器还包括设置在光分束器以及光纤电流传感器之间的起偏器；所述起偏器是将光波起偏为椭圆或圆偏振光的椭圆或圆起偏器；所述光分束器是光耦合器、光偏振分束器或Y波导。
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