CN103604972A - 一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器，包括激光器、光探测器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、传感光纤圈和光纤光栅，所述激光器的输出通过第一偏振控制器连接光环行器的第一端口，光环行器的第二端口通过传感光纤圈连接光纤光栅任意一端，光环行器的第三端口通过第二偏振控制器连接光探测器。本发明具有插入损耗小、反射损耗小、光路结构简单可靠、方便装配等优点。

Description

一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器。

背景技术

目前全光纤电流传感器（All Optical Fibre Current Sensor，简写成AOFCS）一般有透射式、反射式和Sagnac干涉式三种设计方案。

（一）透射式传感

透射式传感的基本原理如图1：

激光器11输出单色光经过一个起偏器12成线偏光，传输至绕在电缆16上的传感光纤圈13（传感头），出射后透过一个与起偏器12平行的检偏器14，最后由光探测器15检测光强。当电流为零时，线偏光完全透过检偏器15，此时光探测器15检测到的光强最大为I0；当电流为i时，根据法拉第效应，线偏光的偏振方向将旋转大小为

的角度，式中V为费尔德常数，N为传感光纤圈数，i为电流大小。透过检偏器14后由光探测器15检测到的光强为I＝I₀cos²θ，这样，通过光探测器15读数可计算出该时刻电缆中电流的大小。

其缺陷在于直接通过起偏器12与检偏器14测量偏振态变化的灵敏度低，并且需要引入往返两根传输光纤，增大了环境干扰，影响测量精确度。

（二）反射式传感

反射式传感的基本原理如图2所示：

它的传感原理与透射式的基本相似，激光器11通过耦合器21和起偏器12连接，发射光经过耦合器21进入光检测器15，二者的区别在于前者利用了全反射镜23，使光沿原路返回再进行检测，而不是直接透射出去进行检测。因为光在传感光纤圈中往返传输，所以旋转角

但由于全反射镜的引入，在反射镜端将出射光重新耦合进入原光纤在安装过程中存在一定的不便。

由于光纤与全反射镜的准直聚焦都采用笨重的金属五维架来调整它们的相对位置，不便于装配。

（三）Sagnac干涉式传感

Sagnac干涉式传感的基本原理如图3：

激光器11发出线偏光先通过耦合器21再经过Y波导31分成两束，分别被第一1/4玻片32转换成旋向相同的圆偏光，之后沿相反方向进入到传感光纤圈13中。两束圆偏振光受到电流感应的磁场影响偏振面将发生旋转，再经过第二1/4玻片34重新变成线偏光返回Y波导31发生干涉（即Sagnac干涉仪）。当电缆中的电流为零时，两路光回到Y波导31时无相位差；当电流为i时，产生大小为

的相位差。可知相位差与电流大小成正比。又因为两束光先后经历相同的光程，但传播方向相反，因此干涉光强与非互易性相位差有关，通过检测某一时刻的干涉光强求出相位差，进而可以得到该时刻电流的大小。

引入Sagnac环难以避免Sagnac效应（即光纤陀螺技术），将其安装到户外输电线上时，易受震动的影响。虽然提出了同向绕制及引入四分之一波片、半波片等器件的解决方案，但使传感系统变复杂了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何减小全光纤电流传感器的插入损耗和反射损耗，方便装配，增加可靠性。

为了解决现有技术问题，本发明公开了一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器，包括激光器、光探测器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、传感光纤圈和光纤光栅，所述激光器的输出通过第一偏振控制器连接光环行器的第一端口，光环行器的第二端口通过传感光纤圈连接光纤光栅任意一端，光环行器的第三端口通过第二偏振控制器连接光探测器。

进一步，作为优选，所述光纤光栅为普通光纤光栅，其反射中心波长与输入光波长一致。

进一步，作为优选，所述光纤光栅为保偏光纤光栅，其反射中心波长与输入光波长一致。

本发明具有以下有益效果：

1、光路中无需插入偏振片和波片，减少了插入损耗；

2、利用反射式光纤布拉格光栅代替全反射镜，减少了反射损耗；

3、无需进行光纤与全反射镜的准直聚焦，安装方便；

4、全部光路连接简单可靠，调节方便，无需光学平台，便于操作；可灵活与各种信号检测系统兼容。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是透射式传感的基本原理示意图。

图2是反射式传感的基本原理示意图。

图3是Sagnac干涉式传感的基本原理示意图。

图4是本发明实施例基本原理示意图。

具体实施方式

参照图4对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图4所示，激光器11光源发出单色光，在第一偏振控制器41调节下从光环行器43的第一端口43-1注入某一确定偏振态（一般调节为线偏振态），再由第二端口43-2出射进入绕在输电线16上的传感光纤圈13输入端。传感光纤圈13输出端连接反射式光纤光栅44任意一端。这种方法能实现将通过传感光纤圈13的光信号回到光环行器43的第二端口43-2，并从其第三端口43-3输出，再通过第二偏振控制器42，由光探测器15进行检测。当输电线16中无电流时，光环行器43的第三端口43-3出射光的偏振态与从第一端口43-1注入时一致；当电流为i时，同样根据法拉第效应，线偏振光的偏振方向将旋转一个大小为

的角度。测定出某一时刻的旋转角度，便能算出该时刻电流的大小。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器，其特征在于，包括激光器、光探测器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、传感光纤圈和光纤光栅，所述激光器的输出通过第一偏振控制器连接光环行器的第一端口，光环行器的第二端口通过传感光纤圈连接光纤光栅任意一端，光环行器的第三端口通过第二偏振控制器连接光探测器。

2.根据权利要求1所述的利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器，其特征在于，所述光纤光栅为普通光纤光栅，其反射中心波长与输入光波长一致。

3.根据权利要求1所述的利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器，其特征在于，所述光纤光栅为保偏光纤光栅，其反射中心波长与输入光波长一致。

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