CN103954827A - 一种光学电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学电流传感器，包括光源和光源入射光的光路上依次设置的第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环和反射镜，传感光纤环、第二1/4波片、分光镜还依次位于从反射镜反射后返回光的光路上，在返回光的光路上分光镜的输出端连接有第二偏振棱镜的输入端，第二偏振棱镜的反射端和透射端分别连接有第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器，第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器均连接信号处理装置，信号处理装置对接收的两路电信号进行数据处理得到待测电流数据信息。该光学电流传感器能够较大程度降低成本，而且具有结构简单、测量准确度和可靠性高的优点。

Description

一种光学电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电力设备技术领域，特别是一种新型的光学电流传感器。

背景技术

电流传感器是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，用来测量传输中的电流大小，并将测量到的电流大小发送至测量仪器和继电保护装置。其长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。传统的基于电磁感应原理的电流传感器是从一次电流上互相感应能量，在使用过程中往往出现绝缘性不够而击穿，受电磁干扰严重而误动，乃至出现短路、爆炸等安全隐患。

为了解决以上问题，近年出现了基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，使得该光学电流传感器在靠近高压侧无源工作，且一次侧和二次侧之间通过光纤隔离，较有效的解决了传统电磁式互感器的问题。传统的光学电流传感器的结构如图1所示，包括光源101、耦合器102、光纤偏振器103、相位调制器104、延时光纤105、1/4波片106、传感光纤环107、反射镜108、光电探测器109、前置放大滤波电路110、A/D转换器111、信号处理单元112、D/A转换器113和后置放大驱动电路114等器件。其中，相位调制器104、光纤偏振器103、耦合器102、光电探测器109、前置放大滤波电路110、A/D转换器111、信号处理单元112、D/A转换器113和后置放大驱动电路114形成闭环结构，由于反射镜108反射后的返回光在经过相位调制器104和光纤偏振器103后光功率衰减比较大，进入光电探测器109的光功率非常小，故对光电探测器109接收光的灵敏度要求高，需要采用高精度的光电探测器，高精度的光电探测器价格昂贵，这就提高了成本。而且，这种光学电流传感器还使用了其它价格昂贵的光学器件如相位调制器104等，相位调制器104的闭环控制精度较高，但是成本也高，进一步提高了该光学电流传感器的成本。此外，信号处理单元112应用的信号调制解调方案需要用到高速的闭环调制，其结构复杂，而且为使光信号传输和返回的速度匹配，需要有高速的芯片处理速度，提高了其信号处理的要求。

发明内容

本发明针对传统的基于电磁感应原理的电流传感器在使用过程中容易出现击穿危险和受电磁干扰影响以及传统的光学电流传感器存在成本高和结构复杂等问题，提供一种新型的光学电流传感器，能够较大程度降低成本，而且具有结构简单、测量准确度和可靠性高的优点。

本发明的技术方案如下：

一种光学电流传感器，其特征在于，包括光源和光源入射光的光路上依次设置的第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环和反射镜，所述传感光纤环、第二1/4波片、分光镜还依次位于从反射镜反射后返回光的光路上，在返回光的光路上所述分光镜的输出端连接有第二偏振棱镜的输入端，所述第二偏振棱镜的反射端和透射端分别连接有第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器，所述第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器均连接信号处理装置，所述信号处理装置对接收的两路电信号进行数据处理得到待测电流数据信息。

所述光源通过第一准直器与第一偏振棱镜相连，所述第二偏振棱镜的反射端通过第三准直器与第一光电二极管探测器相连，所述第二偏振棱镜的透射端通过第四准直器与第二光电二极管探测器相连。

所述第二1/4波片采用玻璃1/4波片，所述第二1/4波片依次通过第二准直器和低双折射光纤连接传感光纤环。

所述第二1/4波片采用光纤1/4波片，所述分光镜依次通过第二准直器和高双折射光纤连接第二1/4波片，所述第二1/4波片与传感光纤环的一端焊接。

所述信号处理装置包括依次连接的A/D转换器和数字信号处理单元，所述A/D转换器将第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器发来的电信号分别进行AD转换形成两路数字信号，所述数字信号处理单元分别将所述两路数字信号进行差分处理得到待测电流数据信息。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的光学电流传感器，包括光源、第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环、反射镜、第二偏振棱镜、第一光电二极管探测器、第二光电二极管探测器和信号处理装置，光源发出的入射光经过第一偏振棱镜后形成线偏振光，经第一1/4波片后形成圆偏振光，等效成两束偏振方向垂直的线偏振光，经分光镜和第二1/4波片后形成两束旋转方向相反的圆偏振光，进入传感光纤环，传感光纤环受法拉第磁光效应作用产生相位差，经反光镜返回至第二1/4波片后，形成两束线偏振光，且均携带待测电流数据信息，经分光镜后进入第二偏振棱镜经反射和透射分别进入第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器，最终由信号处理装置对接收的两路电信号进行数据处理得到待测电流数据信息。本发明为基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，可以避免传统的基于电磁感应原理的电流传感器在使用过程中易产生的击穿危险、易受电磁干扰影响等问题，具有安全、高效的优点；而且避免了传统的光学电流传感器的闭环调节解调结构，设置分光镜作为一种半透半反镜分别利用透射和反射原理将入射光和返回光引至不同的光路这样就降低了信号处理单元的要求，无需采用相位调制器和高精度的光电探测器等价格昂贵的器件，采用成本低的光电二极管探测器即可满足要求，同时配合分光镜以及具有起偏和增光作用的偏振棱镜等价格低廉的光学器件，使得整个光学电流传感器的成本有较大降低。本发明的光学电流传感器的成本上远低于传统的光学电流传感器的技术方案的整体成本，与传统的基于电磁感应原理的电流传感器的成本相差较少，从而具有在中压电流测量领域大规模推广的潜力。而且本发明的光学电流传感器结构简单紧凑，能够较大的减小电流传感器的体积，提高中压开关柜等设备的系统集成度，进一步提高了测量准确度和可靠性。

设置光源通过第一准直器与第一偏振棱镜相连，光源发出的自然光经过第一准直器耦合进入第一偏振棱镜，第一准直器的端面与玻璃的第一偏振棱镜平行度高，实现光从光纤到玻璃的自然耦合，进入第一偏振棱镜的光为平行光，进一步提高了测量的准确性和可靠性能。同理，设置其它准直器也是为了实现光电信号从光纤到玻璃或是从玻璃到光纤的自然耦合性能，提高本发明的光学电流传感器的测量的准确性。

附图说明

图1为传统的光学电流传感器的结构示意图。

图2为本发明光学电流传感器的一种优选结构示意图。

图3为本发明光学电流传感器中的信号处理装置的优选结构示意图。

图4为本发明光学电流传感器的另一种优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

101－光源；102－耦合器；103－光纤偏振器；104－相位调制器；105－延时光纤；106－1/4波片；107－传感光纤环；108－反射镜；109－光电探测器；110－前置放大滤波电路；111－A/D转换器；112－信号处理单元；113－D/A转换器；114－后置放大驱动电路；201－光源；202－第一准直器；203－第一偏振棱镜；204－第一1/4波片；205－分光镜；206－第二1/4波片；207－第二准直器；208－传感光纤环；209－反射镜；210－第二偏振棱镜；211－第三准直器；212－第一光电二极管探测器；213－第四准直器；214－第二光电二极管探测器；215－信号处理装置；216－高双折射光纤；301－A/D转换器；302－数字信号处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种光学电流传感器，包括光源、第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环、反射镜、第二偏振棱镜、第一光电二极管探测器、第二光电二极管探测器和信号处理装置。光源入射光的光路上依次设置第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环和反射镜，传感光纤环、第二1/4波片、分光镜依次还位于从反射镜反射后返回光的光路上，在返回光的光路上所述分光镜的输出端连接有第二偏振棱镜的输入端，第二偏振棱镜的反射端和透射端分别连接有第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器，第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器均连接信号处理装置，信号处理装置对接收的两路电信号进行数据处理得到待测电流数据信息。

图2为本发明光学电流传感器的一种优选结构示意图。该实施例中的光学电流传感器包括光源201以及光源201发出的入射光的光路上依次设置的第一准直器202、第一偏振棱镜203、第一1/4波片204、分光镜205、第二1/4波片206、第二准直器207、传感光纤环208和反射镜209，在反射镜209返回光的光路上依次经过传感光纤环208、第二准直器207、第二1/4波片206和分光镜205进入第二偏振棱镜210，第二偏振棱镜210通过反射端和透射端分成两路信号输出，一路经第三准直器211进入第一光电二极管探测器212，另一路经第四准直器213进入第二光电二极管探测器214，第一光电二极管探测器212和第二光电二极管探测器214均连接信号处理装置215。

本发明的光学电流传感器的工作过程为：光源201发出自然光通过第一准直器202以平行光的形态自然耦合进入第一偏振棱镜203，经过第一偏振棱镜203起偏后生成线偏振光，该线偏振光经透射进入第一1/4波片204，透射的线偏振光与第一1/4波片204的快轴方向成45°，经过第一1/4波片204后变成一束圆偏振光，等效成两束相位相差90°且偏振方向垂直的线偏振光。这两束线偏振光经过分光镜205继续透射进入第二1/4波片206，两束线偏振光的偏振方向与第二1/4波片206的快轴夹角分别为45°和-45°，因而经过第二1/4波片206后变成两束旋转方向相反的圆偏振光。再经过第二准直器207自然耦合进入传感光纤环208。传感光纤环208绕在待测电流母线上。绝缘性能良好的传感光纤环208对待测电流信号进行感应，根据法拉第磁光效应，母线电流形成的环形磁场调制传感光纤环208的光相位，该磁场在传感光纤环208上的分量使得两束圆偏振光一个速度变快，另一个速度变慢，从而出现相位差。两束圆偏振光到达传感光纤环208末端，遇到反射镜209后反射后原路返回，经第二准直器207回到第二1/4波片206时，两束圆偏振光转换为两束线偏振光，这两束线偏振光均为携带待测电流信息的线偏振光。当母线电流不为0时，传感光纤环208末端反射回来再转换的线偏振光与其入射的偏振方向会出现偏角φ，φ为磁光效应导致的相位差。两束线偏振光回到分光镜205，经过反射后进入第二偏振棱镜210，发生透射与反射，该实施例中是反射的线偏振光经过第三准直器211自然耦合进入第一光电二极管探测器212，透射的线偏振光经过第四准直器213自然耦合进入第二光电二极管探测器214，最后由信号处理装置215接收的两路电信号基于差分感应进行运算处理得到待测电流数据信息，完成待测电流信号测量。

该光学电流传感器采用第一准直器202、第二准直器207、第三准直器211和第四准直器213均能够实现光纤与玻璃器件之间的自然耦合，提高光学电流传感器的测量准确度和可靠性能，这里所指的玻璃器件指如各偏振棱镜和分光镜等器件。

以下进行本发明的光学电流传感器进行原理推导说明。具体是根据琼斯矩阵推导第一光电二极管探测器212和第二光电二极管探测器214的光强：

光源的琼斯矩阵：Ex和Ey代表光强E在x、y两个方向的值。

$E=\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

第一偏振棱镜203和第二偏振棱镜210在透射方向的琼斯矩阵：

$\mathrm{Jpx}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

第一偏振棱镜203和第二偏振棱镜210在反射方向的琼斯矩阵：

$\mathrm{Jpy}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

第一1/4波片204的琼斯矩阵(快轴与x轴成45°)：

$\mathrm{Jq}=\left[\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}I\\ -\frac{\sqrt{2}}{2}I& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right]$

第二1/4波片206的琼斯矩阵(快轴与x轴成0°)：

$\mathrm{Jpx}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& I\end{array}\right]$

传感光纤环208发生磁光效应的琼斯矩阵（设单程的磁光效应相位差为δ/2）：

$\mathrm{Js}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{1}{2}\mathrm{\δ}\right)& -\sin \left(\frac{1}{2}\mathrm{\δ}\right)\\ \sin \left(\frac{1}{2}\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\frac{1}{2}\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]$

反射镜209的琼斯矩阵：

$\mathrm{Jm}=\left[\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]$

各准直器和分光镜只影响光功率大小，不影响偏振态，设其对光功率总的影响比例因子为k（0<k<1）。从光源发出的入射光最终经过第二偏振棱镜210反射进入第三准直器211耦合，被第一光电二极管探测器212接收的光场强为：

$k*\mathrm{Jpy}*\mathrm{Js}*\mathrm{Jm}*\mathrm{Js}*\mathrm{Jqx}*\mathrm{Jq}*\mathrm{Jpx}*E=k\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{-1}{2}I\sqrt{2}\mathrm{Ex}(\cos \left(\mathrm{\&delta;}\right)+\sin \left(\mathrm{\&delta;}\right))\end{array}\right]$

从光源发出的入射光最终经过第二偏振棱镜210透射进入第四准直器213耦合，被第二光电二极管探测器214接收的光场强为：

$k*\mathrm{Jpx}*\mathrm{Js}*\mathrm{Jm}*\mathrm{Js}*\mathrm{Jqx}*\mathrm{Jq}*\mathrm{Jpx}*E=k\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{2}\sqrt{2}\mathrm{Ex}(\cos \left(\mathrm{\&delta;}\right)-\sin \left(\mathrm{\&delta;}\right))\\ 0\end{array}\right]$

从上式可知，

第一光电二极管探测器212收到的y轴线偏振光，光场强为

第二光电二极管探测器214收到的x轴线偏振光，光场强为

其中，I为复数的虚步符号，表明第二光电二极管探测器214的线偏振光相位与第一光电二极管探测器212的线偏振光相差90°。

光功率为场强的共轭平方，

第一光电二极管探测器212接收的光功率为：

第二光电二极管探测器214接收的光功率为：

其中，δ与母线电流成正比。

当δ《1时，第一光电二极管探测器212接收的光强为：

第二光电二极管探测器214接收的光强为：

本发明的光学电流传感器中的信号处理装置的优选结构如图3所示，该信号处理装置包括依次连接的A/D转换器301和数字信号处理单元302。

两路光强信号分别经过第一光电二极管探测器212和第二光电二极管探测器214的转换后，变成电信号，由于每个光电二极管探测器的转换效率不同，设两个光电二极管探测器的转换效率分别为k1，k2。

第一光电二极管探测器212的光强转换为电信号：

$\frac{1}{2}{k}_1{k}^2{E_x}^2(1+2\mathrm{\&delta;})$

第二光电二极管探测器214的光强转换为电信号：

$\frac{1}{2}{k}_1{k}^2{E_x}^2(1-2\mathrm{\&delta;})$

A/D转换器301将第一光电二极管探测器212和第二光电二极管探测器214发来的电信号分别进行AD转换形成两路数字信号，进入数字信号处理单元302。数字信号处理单元302分别将两路数字信号进行差分处理得到待测电流数据信息，在信号解调上使用双光路接收的差分处理方式，结构相对简单。具体是将每一路数字信号分成两路，一路进行缓存，一路进行平均。经过长时间平均，只保留直流偏置。

第一路信号平均值为：

第二路信号平均值为：

归一化：将第一路缓存的即时值除以第一路信号的平均值可得1+2δ，将第二路缓存的即时值除以第二路信号的平均值可得1-2δ；将以上两路归一化信号再相减可得4δ。

而δ与母线电流成正比，即传感光纤环的磁光效应的参数与母线电流成正比，将光学电流传感器的输出值与标准样本电流值作对比，确定输出值与标准样本之间的比例系数。在测试其它电流时，将光学电流互感器的输出值乘以之前确定的比例系数，即可获得准确的测试电流值。

图2所示实施例的光学电流传感器中的第一1/4波片204以及第二1/4波片206均采用了玻璃1/4波片，在第二1/4波片206采用玻璃1/4波片时，是将玻璃1/4波片依次通过第二准直器207和低双折射光纤连接传感光纤环208。使用低双折射光纤有利于入射光的光路上从第二准直器207出射的两束圆偏振光以及返回光的光路上从传感光纤环208输出的两束圆偏振光的保持。当然，这并非唯一方案，也可以设置第二准直器207直接与传感光纤环208耦合，此时要求传感光纤环208上的反射镜末端与第二准直器207位置重合，实现传感光纤环208的光路闭合。还可以是如图4所示的本发明光学电流传感器的另一种优选结构，该实施例与图2所示结构的区别是，图4中的第二1/4波片206采用光纤1/4波片，此时是分光镜205依次通过第二准直器207和高双折射光纤216连接第二1/4波片206，光纤1/4波片的作用是在入射光的光路上将接收的两束线偏振光转换为两束旋转方向相反的圆偏振光后传输至传感光纤环208以及在返回光的光路上将传感光纤环208返回的两束圆偏振光转换为两束线偏振光。由于第二1/4波片206为光纤1/4波片，故其与传感光纤环208的一端直接焊接即可，光纤1/4波片通过第二准直器207实现光纤与玻璃器件——分光镜205的自然耦合，第二准直器207与光纤1/4波片之间要使用高双折射光纤216，高双折射光纤216使得入射光的光路上从第二准直器207出射的两束线偏振光以及返回光的光路上从光纤1/4波片生成输出的两束线偏振光在传输过程中均能够保持其偏振状态，而单模光纤传输会使得光的偏振状态发生不可控的变化，故在该实施例中单模光纤不宜使用。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种光学电流传感器，其特征在于，包括光源和光源入射光的光路上依次设置的第一偏振棱镜、第一1/4波片、分光镜、第二1/4波片、传感光纤环和反射镜，所述传感光纤环、第二1/4波片、分光镜还依次位于从反射镜反射后返回光的光路上，在返回光的光路上所述分光镜的输出端连接有第二偏振棱镜的输入端，所述第二偏振棱镜的反射端和透射端分别连接有第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器，所述第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器均连接信号处理装置，所述信号处理装置对接收的两路电信号进行数据处理得到待测电流数据信息。

2.根据权利要求1所述的光学电流传感器，其特征在于，所述光源通过第一准直器与第一偏振棱镜相连，所述第二偏振棱镜的反射端通过第三准直器与第一光电二极管探测器相连，所述第二偏振棱镜的透射端通过第四准直器与第二光电二极管探测器相连。

3.根据权利要求1或2所述的光学电流传感器，其特征在于，所述第二1/4波片采用玻璃1/4波片，所述第二1/4波片依次通过第二准直器和低双折射光纤连接传感光纤环。

4.根据权利要求1或2所述的光学电流传感器，其特征在于，所述第二1/4波片采用光纤1/4波片，所述分光镜依次通过第二准直器和高双折射光纤连接第二1/4波片，所述第二1/4波片与传感光纤环的一端焊接。

5.根据权利要求1或2所述的光学电流传感器，其特征在于，所述信号处理装置包括依次连接的A/D转换器和数字信号处理单元，所述A/D转换器将第一光电二极管探测器和第二光电二极管探测器发来的电信号分别进行AD转换形成两路数字信号，所述数字信号处理单元分别将所述两路数字信号进行差分处理得到待测电流数据信息。