CN103777062A - 一种干涉环式全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种干涉环式全光纤电流互感器，包括光路单元以及分别与光路单元相连接的电路单元和FP腔；光路单元包括光源、光学环行器、Y分支相位调制器；电路单元包括光电探测器和信号处理单元；FP腔包括两个保偏耦合器、两个法拉第旋转镜以及连接有待测电流导线的传感光纤，两个保偏耦合器的两侧分别设有两个端口，其中一侧的两个端口分别连接有一四分之一波片和一法拉第旋转镜，另一侧的第一端口之间连接有传感光纤、第二端口闲置。该传感器能够提高电流测量精度，尤其是小电流的测量，从而为光纤电流传感器的电流测量工程化提供了一种可行的方法。

Description

一种干涉环式全光纤电流互感器

技术领域

本发明属于光纤电流传感器领域，具体涉及一种基于法拉第旋转镜FP腔的干涉环式全光纤电流互感器。

背景技术

电流是电力系统的基本参数，电流传感器是测量电流的重要器件。一直以来，电磁感应式电流传感器在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、控制盒监视等方面起着非常关键的作用。随着继电保护、电气设备自动化程度和电力系统绝缘等级的提高，传统的基于电磁感应的电流传感器由于其存在绝缘、磁饱和及电磁干扰、动态范围小、不易运输和安装等问题，已经不能满足日益发展的电力系统的需要。针对这些问题，人们作了多方面的努力，其中最有竞争力和应用前景的当数充分发挥光纤传感技术的优势，以实现对电流的检测和有效保护整个系统的光纤电流传感器。光纤电流传感器(Fiber-optical Current Sensor)因为采用光纤作为传感介质，所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流传感器有很大的优势。而且它不含交流线圈，不存在开路危险，体积小、重量轻、成本低、安装方便，因此作为传统电磁式电流传感器的换代产品，近年来备受国内外研究人员的重视。

在光纤电流传感器结构中，反射式萨格奈克型光纤电流传感器由于具有良好的互易结构以及较强的抗外界干扰能力，是一个具有实用价值的全光纤电流传感器方案。但是由于光纤电流传感器是基于法拉第磁光效应，在对小电流进行测量时，由于电流产生的法拉第相移较小，影响了电流传感器的准确性，也限制了其测量范围。针对此种情形，若从光路提高其产生的法拉第相移，通常有两种方法。一种是增加传感光纤匝数，这样确实可以增大法拉第相移，但是在传感光纤匝数增加的同时，传感光纤引入的线性双折射和圆双折射也随之增加，这些引入的线性双折射和圆双折射会增大整个传感系统的误差。虽然近年来先后提出了“高圆双折射光纤”、“旋制光纤”、“扭转光纤”、“退火光纤”、“低双折射光纤”等，线性双折射仍是影响光纤电流传感器的偏振误差的一个很重要的因素。另一种提高法拉第相移的方法是采用费尔德常数较大的传感光纤，如CdSe掺杂光纤等，这类光纤往往成本较高，离产品化还有一定的距离。因此，寻求一种方法能增加微弱电流产生的法拉第相移，对光纤电流传感器的广泛应用有着十分重要的意义。

公开号为CN103197119A的中国发明专利申请公开了一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其包括宽带光源、光纤耦合器、光纤“圆”起偏器、“圆”保偏光纤耦合器、光纤磁光调制器、“圆”保偏传输光缆、传感光纤环、光电探测器和信号处理单元，其中宽带光源通过光纤耦合器后，与光纤“圆”起偏器的输入端相连，“圆”起偏器的输出端与“圆”保偏光纤耦合器的一输入端相连；“圆”保偏光纤耦合器的一输出端与“圆”保偏传输光缆的一端连接，“圆”保偏传输光缆的另一端与传感光纤环连接；“圆”保偏光纤耦合器的另一输出端与磁光调制器的输入端相连；磁光调制器的输出端与传感光纤环相连；信号处理单元中的一个调制信号发生器与磁光调制器相连；探测器与信号处理单元中的一个光电转换单元相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。虽然该光纤电流传感器具有降低调制速度、不需要在焊接时进行偏振主轴的对准以及可大大降低干涉型光纤电流传感器有源调制方案的技术难度等优点，但由于其测量精度还不够精准，抗环境干扰能力难以满足要求，工艺复杂、成本高等因素，因此不利于进行光纤电流传感器的电流测量工程化。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于法拉第旋转镜FP腔的干涉环式全光纤电流互感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种干涉环式全光纤电流互感器，包括光路单元以及分别与光路单元相连接的电路单元和FP腔，其中：

所述光路单元包括光源、光学环行器、Y分支相位调制器，位于Y分支相位调制器一侧的一个端口通过光学环行器与光源连接，位于Y分支相位调制器另一侧的两个端口分别通过保偏光纤与一四分之一波片连接；

所述电路单元包括光电探测器和信号处理单元，所述光电探测器的一端连接信号处理单元、另一端连接光路单元中的光学环行器；

所述FP腔包括两个保偏耦合器、两个法拉第旋转镜以及连接有待测电流导线的传感光纤，两个保偏耦合器的两侧分别设有两个端口，其中一侧的两个端口分别连接有一四分之一波片和一法拉第旋转镜，另一侧的第一端口之间连接有传感光纤、第二端口闲置。

进一步地，所述信号处理单元包括A／D转换器、中央处理器和D／A转换器。

进一步地，所述信号处理单元的中央处理器产生的调制信号与光电探测器输出的光强信号无关，形成开环调制；或者与光电探测器输出的光强信号相关，形成闭环调制。

进一步地，所述保偏耦合器的分光比为1∶99至10∶99。

进一步地，所述保偏耦合器的类型为1×2保偏耦合器或2×2保偏耦合器。

进一步地，所述光源发出的光经过光学环行器传输至Y分支相位调制器后变为线偏振光，所述Y分支相位调制器将该线偏振光分成两路光路，分别经过各自的保偏光纤传输至相应四分之一波片，变为两路左旋圆偏振光；两路左旋圆偏振光进入FP腔中进行循环反射，每次经过反射后的一部分光通过四分之一波片、保偏光纤传回光路单元，在Y分支相位调制器处发生干涉，再由信号处理单元探测干涉光强信息并进行信号处理后，得到携带有待测电流信息的数字信号输出。

进一步地，所述两束圆偏振光进入FP腔中进行循环反射的过程如下：

两路左旋圆偏振光经过各自的保偏耦合器进入传感光纤传输，在携带了电流引起的法拉第相移后，再次经传感光纤进入各自的保偏耦合器，此时两路左旋圆偏振光分为两部分输出，一部分光进入相应的四分之一波片后，经相应的保偏光纤在Y分支相位调制器处发生干涉，然后经过光学环行器进入光电探测器；另一部分光经过两个法拉第旋转镜反射，再次经过各自的保偏耦合器进入传感光纤传输，如此进行循环反射；所述法拉第相移的计算公式为：

其中

为法拉第相移，N为光纤匝数，V_d为等效Verdet常数，I为电流强度

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过增加由两个保偏耦合器、传感光纤和两个法拉第旋镜构成的FP腔，使得输入光进入法拉第旋镜FP腔后，在两个法拉第旋镜间进行多次反射，以增大系统输出光中电流引入的法拉第相移，在相同的光纤长度下，可以获得数倍于传统干涉型光纤电流传感器的测量精度，能够更好地实现电流尤其是小电流的测量，从而为光纤电流传感器的电流测量工程化提供了一种可行的方法。

此外，如果要获得与现有技术相同的检测精度，本发明能够大大缩短传感光纤的长度。本发明既可用于对直流电流的测量，又可用于对交流电流的测量。

附图说明

图1为本发明光纤电流传感器实施例的结构示意图；

图2为光学环行器运行示意图；

图3为Y分支相位调制器的端口位置示意图；

图4为本发明中法拉第旋转镜FP腔的结构示意图；

其中，1-光源，2-光学环行器，3-Y分支相位调制器，4-保偏光纤，5-四分之一波片，6-法拉第旋转镜，7-保偏耦合器，8-传感光纤，9-待测电流导线，10-保偏耦合器，11-法拉第旋转镜，12-四分之一波片，13-保偏光纤，14-光电探测器，15-信号处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的反射式萨格奈克型光纤电流传感器作进一步详细的描述。

如图1所示，本例的干涉环式全光纤电流传感器包括光源1(本例中采用宽带光源，如超辐射发光二极管SLD)、光学环行器2、Y分支相位调制器3、保偏光纤4、1／4波片5、法拉第旋转镜6、保偏耦合器7(分光比为10∶90)、传感光纤8、待测电流导线9、保偏耦合器10(分光比为10∶90)、法拉第旋转镜11、1／4波片12、保偏光纤13、光电探测器14和信号处理单元15。宽带光源1与光学环行器2的端口a(如图2所示)相连，光学环行器的端口b与Y分支相位调制器3相连，Y分支相位调制器的端口A(如图3所示)与保偏光纤4相连，保偏光纤4与1／4波片5相连，1／4波片5与保偏耦合器7端口II(如图4所示)相连，保偏耦合器7的端口I与法拉第旋转镜6相连，保偏耦合器7的端口IV与传感光纤8的一端相连，传感光纤8的另一端与保偏耦合器10的端口III相连，保偏耦合器10的端口I与1／4波片12相连，保偏耦合器10的端口II与法拉第旋转镜11相连，1／4波片12与保偏光纤13相连，保偏光纤13与Y分支相位调制器3的端口C相连，光电探测器14的一端与光学环行器的端口c相连，光电探测器14的另一端与信号处理单元15相连。

该光纤电流传感器的工作原理是：宽带光源SLD1发出的光经过光学环行器2传输到Y分支相位调制器3后变为线偏振光，Y分支相位调制器将线偏振光分成两路光路，Y分支相位调制器3依照信号处理单元15中的中央处理器给出的调制信号对两路光路进行同步调制后，分别经过保偏光纤4、1／4波片5以及保偏光纤13、1／4波片12变成两路左旋圆偏振光，两路左旋圆偏振光经传感光纤8进入电流磁场后由于法拉第磁致旋光效应，因为进入磁场的方向相反，其磁场引起的旋光效应相反，增加了传感效果。两路左旋圆偏振光在携带了电流引起的法拉第相移(法拉第相移的计算公式为：

其中

为法拉第相移，N为光纤匝数，V_d为等效Verdet常数，I为电流强度)后，各自进入保偏耦合器7、10，经过保偏耦合器7、10后，10％的光从保偏耦合器7、10出射，分别进入对应的光纤四分之一波片5、12，后经对应的保偏光纤4、13在Y分支相位调制器3的端口处发生干涉，再经过光学环行器2进入光电探测器14。余下的90％的光从两个保偏耦合器出射，分别经过两个法拉第旋转镜6、11反射，经过保偏耦合器后再次进入传感光纤8传输。经保偏耦合器进入传感光纤的光再经过法拉第旋转镜6、11后，总有90％的光回到保偏光纤耦合器进入传感光纤。所以，法拉第旋转镜6、法拉第旋转镜11、保偏耦合器8、保偏耦合器10和传感光纤8构成了一个法拉第旋镜FP腔。在光电探测器处检测到的信号是在法拉第旋镜FP腔中反射不同周次后的两束相干光的所有干涉信号组成。通过对信号处理单元的设计，可以实现对循环特定次数的信号的提取，从而得到待测电流值。

信号处理单元可以包括模数转换器、数模转换器和中央处理器。

信号处理单元中的中央处理器产生的调制信号与光电探测器输出的光强信号无关，形成开环调制；或者调制信号与光电探测器输出的光强信号相关，形成闭环调制。下面以闭环控制为例对信号处理单元进行说明：

光电探测器，用于探测光路部分发出的干涉光强信号、并将该信号转换为模拟电压信号，送至模数转换器；

模数转换器(A／D转换器)，用于将模拟电压信号转换为离散的数字量信号后送入中央处理器；

数模转换器(D／A转换器)，用于将中央处理器产生的数字阶梯波转换为模拟阶梯波；

中央处理器，一方面用于对数字量信号进行数据解调，通过积分处理后，产生阶梯波台阶高度，经过累加形成数字阶梯波，送至数字模拟转换器转换为模拟阶梯波后，向光路单元中的光学相位调制器发出调制信号，实现闭环控制；另一方面用于对数字量信号进行平滑滤波后，形成数字信号输出。

综上，本发明利用两个法拉第旋转镜、两个保偏耦合器及一根传感光纤，形成一个法拉第旋镜FP腔，作为系统的光纤电流传感单元。通过调整保偏耦合器的分光比及传感光纤的种类和匝数，可以更好的实现电流尤其是小电流的测量。本发明可以用于对直流电流的测量，也可以应用于对交流电流的测量。因此本发明具有很好的实际应用价值。

以上所述的实例仅以分光比为10∶90的保偏耦合器为例进行说明，而且没有特定传感光纤的种类及匝数。保偏耦合器的类型可以为1×2保偏耦合器或2×2保偏耦合器，保偏耦合器的分光比可以为1∶99值10∶99，实际应用中，通过提高保偏光纤耦合器的分光比(如1∶99)，同时选择合适类型的传感光纤及其匝数，可以对电流尤其是小电流实现更为精确的测量。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，比如在保偏耦合器和法拉第旋镜之间加入一段新的传感光纤或者用光纤耦合器代替光学环行器等，这些等同变形和替换也应视为本发明的保护范围。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种干涉环式全光纤电流互感器，包括光路单元以及分别与光路单元相连接的电路单元和FP腔，其特征在于：

所述光路单元包括光源、光学环行器、Y分支相位调制器，位于Y分支相位调制器一侧的一个端口通过光学环行器与光源连接，位于Y分支相位调制器另一侧的两个端口分别通过保偏光纤与一四分之一波片连接；

所述电路单元包括光电探测器和信号处理单元，所述光电探测器的一端连接信号处理单元、另一端连接光路单元中的光学环行器；

所述FP腔包括两个保偏耦合器、两个法拉第旋转镜以及连接有待测电流导线的传感光纤，两个保偏耦合器的两侧分别设有两个端口，其中一侧的两个端口分别连接有一四分之一波片和一法拉第旋转镜，另一侧的第一端口之间连接有传感光纤、第二端口闲置。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述信号处理单元包括A／D转换器、中央处理器和D／A转换器。

3.根据权利要求2所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述信号处理单元的中央处理器产生的调制信号与光电探测器输出的光强信号无关，形成开环调制；或者与光电探测器输出的光强信号相关，形成闭环调制。

4.根据权利要求1所述光纤电流传感器，其特征在于：所述保偏耦合器的分光比为1∶99至10∶99。

5.根据权利要求1所述光纤电流传感器，其特征在于：所述保偏耦合器的类型为1×2保偏耦合器或2×2保偏耦合器。

6.根据权利要求1-5任一所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述光源发出的光经过光学环行器传输至Y分支相位调制器后变为线偏振光，所述Y分支相位调制器将该线偏振光分成两路光路，分别经过各自的保偏光纤传输至相应四分之一波片，变为两路左旋圆偏振光；两路左旋圆偏振光进入FP腔中进行循环反射，每次经过反射后的一部分光通过四分之一波片、保偏光纤传回光路单元，在Y分支相位调制器处发生干涉，再由信号处理单元探测干涉光强信息并进行信号处理后，得到携带有待测电流信息的数字信号输出。

7.根据权利要求6所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述两束圆偏振光进入FP腔中进行循环反射的过程如下：

两路左旋圆偏振光经过各自的保偏耦合器进入传感光纤传输，在携带了电流引起的法拉第相移后，再次经传感光纤进入各自的保偏耦合器，此时两路左旋圆偏振光分为两部分输出，一部分光进入相应的四分之一波片后，经相应的保偏光纤在Y分支相位调制器处发生干涉，然后经过光学环行器进入光电探测器；另一部分光经过两个法拉第旋转镜反射，再次经过各自的保偏耦合器进入传感光纤传输，如此进行循环反射；所述法拉第相移的计算公式为：

其中

为法拉第相移，N为光纤匝数，V_d为等效Verdet常数，I为电流强度。

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