CN103777063A - 一种光纤电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光纤电流传感器，包括通过保偏光纤连接的光路单元和FP腔，保偏光纤与FP腔之间连接有四分之一波片，光路单元包括依次连接的光源、光学环行器、光纤起偏器和光学相位调制器，光学环行器还通过光电探测器与信号处理单元连接，其中FP腔包括保偏耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜以及用于连接待测电流导线的传感光纤，传感光纤的一端与第一法拉第旋转镜连接、另一端与保偏耦合器一侧上的一个端口连接，保偏耦合器另一侧上的两个端口分别与第二法拉第旋转镜和四分之一波片连接。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

一种光纤电流传感器

技术领域

本发明属于光纤电流传感器领域，具体涉及一种基于偏振干涉和法拉第旋镜FP腔的反射式萨格奈克型光纤电流传感器。

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反射式萨格奈克型光纤电流传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种光纤电流传感器，包括通过保偏光纤连接的光路单元和FP腔，所述保偏光纤与FP腔之间连接有四分之一波片，所述光路单元包括依次连接的光源、光学环行器、光纤起偏器和光学相位调制器，所述光学环行器还通过光电探测器与信号处理单元连接，其特征在于：

所述FP腔包括保偏耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜以及连接有待测电流导线的传感光纤，所述传感光纤的一端与第一法拉第旋转镜连接、另一端与保偏耦合器一侧上的一个端口连接，所述保偏耦合器另一侧上的两个端口分别与第二法拉第旋转镜和四分之一波片连接。

进一步地，所述光纤起偏器的尾纤主轴与光学相位调制器的入纤主轴成45°熔接，所述保偏光纤的尾纤主轴与四分之一波片的入纤主轴成45°熔接。

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光纤起偏器后变为线偏振光，所述线偏振光通过光纤起偏器分为两束正交的线偏振光后分别传播进入光学相位调制器，所述光学相位调制器依照信号处理单元给出的调制信号对两束正交的线偏振光进行同步调制后经过保偏光纤传输至四分之一波片，分别变为两束圆偏振光，即：左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；两束圆偏振光进入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进行干涉，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：

两束圆偏振光经过保偏光纤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，经过第一法拉第旋转镜反射后两束圆偏振光的偏振态互换，并再次经过传感光纤进入保偏光纤耦合器，此时两束圆偏振光分为两部分输出，一部分光进入光纤四分之一波片后，依次经过保偏光纤、光学相位调制器，在光纤起偏器处发生干涉后，经过光学环行器进入光电探测器；另一部分光经过第二法拉第旋转镜反射后，两束圆偏振光的偏振态再次发生变化，并再次通过保偏光纤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：

本发明通过增加一个由保偏耦合器、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为本发明中法拉第旋转镜FP腔的结构示意图；

图3为光学环行器运行示意图；

其中，1-光源，2-光学环行器，3-光纤起偏器，4-光学相位调制器，5-保偏光纤，6-四分之一波片，7-保偏耦合器，8-传感光纤，9-第一法拉第旋转镜，10-第二法拉第旋转镜，11-光电探测器，12-信号处理单元，13-待测电流导线。

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，本例的光纤电流传感器包括光源1(本例中采用宽带光源)、光学环行器2、光纤起偏器3、光学相位调制器4、保偏光纤5、四分之一波片6、保偏耦合器7(本例中选用的分光比为10：90)、传感光纤8、待测电流导线13、第一法拉第旋转镜9、第二法拉第旋转镜10、光电探测器11和信号处理单元12。

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传输到光纤起偏器3后变为线偏振光，光纤起偏器3的另一端与光学相位调制器4的尾纤进行45度熔接，将输入的线偏振光等分为两束正交的线偏振光。两束偏振光分别传播进入光学相位调制器4，光学相位调制器依照信号处理单元给出的调制信号对两束正交的线偏振光进行同步调制，后经过保偏光纤5传输。两束经过调制的相互正交的线偏振光在经过保偏光纤以及与保偏光纤进行45度熔接的光纤四分之一波片6后，分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。这两束圆偏振光经过保偏耦合器端口b后从端口c出射进入传感光纤8传输，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，经过第一法拉第旋转镜9反射，之前的左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，之前的右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光，再次经过传感光纤进入保偏耦合器端口c，经过保偏耦合器后，10％的光从保偏耦合器端口b出射，进入光纤四分之一波片，后经保偏光纤、光学相位调制器，在起偏器处发生干涉，再经过光学环行器进入光电探测器。余下的90％的光从保偏耦合器端口a出射，经过第二法拉第旋转镜10反射，两束光的偏振态再次发生变化，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光，经过保偏耦合器端口a后再次进入传感光纤传输，从保偏耦合器端口b进入传感光纤的光在经过第一法拉第旋转镜9反射后总有90％的光再次经过第二法拉第旋转镜10反射回保偏耦合器7进入传感光纤8。所以，第一法拉第旋转镜9、第二法拉第旋转镜10、保偏耦合器7和传感光纤8构成了一个法拉第旋镜FP腔。在光电探测器11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12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和一个保偏耦合器及传感光纤，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第一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 (8)

1.一种光纤电流传感器，包括通过保偏光纤连接的光路单元和FP腔，所述保偏光纤与FP腔之间连接有四分之一波片，所述光路单元包括依次连接的光源、光学环行器、光纤起偏器和光学相位调制器，所述光学环行器还通过光电探测器与信号处理单元连接，其特征在于：

所述FP腔包括保偏耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜以及连接有待测电流导线的传感光纤，所述传感光纤的一端与第一法拉第旋转镜连接、另一端与保偏耦合器一侧上的一个端口连接，所述保偏耦合器另一侧上的两个端口分别与第二法拉第旋转镜和四分之一波片连接。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤起偏器的尾纤主轴与光学相位调制器的入纤主轴成45°熔接，所述保偏光纤的尾纤主轴与四分之一波片的入纤主轴成45°熔接。

3.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。

4.根据权利要求3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。

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

6.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。

7.根据权利要求1-6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光纤起偏器后变为线偏振光，所述线偏振光通过光纤起偏器分为两束正交的线偏振光后分别传播进入光学相位调制器，所述光学相位调制器依照信号处理单元给出的调制信号对两束正交的线偏振光进行同步调制后经过保偏光纤传输至四分之一波片，分别变为两束圆偏振光，即：左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；两束圆偏振光进入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进行干涉，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。

8.根据权利要求7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：

两束圆偏振光经过保偏光纤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，经过第一法拉第旋转镜反射后两束圆偏振光的偏振态互换，并再次经过传感光纤进入保偏光纤耦合器，此时两束圆偏振光分为两部分输出，一部分光进入光纤四分之一波片后，依次经过保偏光纤、光学相位调制器，在光纤起偏器处发生干涉后，经过光学环行器进入光电探测器；另一部分光经过第二法拉第旋转镜反射后，两束圆偏振光的偏振态再次发生变化，并再次通过保偏光纤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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