CN104020337A

CN104020337A - 石榴石型电压电流传感器

Info

Publication number: CN104020337A
Application number: CN201410268601.0A
Authority: CN
Inventors: 焦新兵; 高军; 陈林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明提供的石榴石型电压电流传感器，用于测量所述高压导线的电流I和电压U，具有这样的特征，包括：光源转换部，包含：用于发射出光源的光源单元、及将光源转换为平行光的第一光纤准直器，分光起偏部，包含：将平行光分成为测电流用平行光和测电压用平行光的第一分光棱镜、设在测电流用平行光的光路上改变测电流用平行光的传播方向使得测电流用平行光与测电压用平行光相平行的反射镜、及将测电流用平行光与测电压用平行光分别转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光的石榴石起偏单元，电流测量部，设在测电流用线偏振光的光路上，用于测量出电流I，以及电压测量部，设在测电压用线偏振光的光路上，用于测量出电压U。

Description

石榴石型电压电流传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种既能够测量电流又能够测量电压的石榴石型电压电流传感器。

背景技术

目前，在电力系统及其相关领域已经出现了各式各样的电压传感器和电流传感器，通过电压传感器能够测量出待测物的电压，通过电流传感器能够测量出待测物的电流，然而，当需要测量出同一待测物的电压和电流时，此时，需要通过电压传感器和电流传感器分别测量出待测物的电压和电流，即、待测物的电压和电流无法通过一个传感器同时测量出。因此，现有技术中缺乏一种既能够测量电流又能够测量电压的传感器。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种既能够测量电流又能够测量电压的石榴石型电压电流传感器。

本发明提供的石榴石型电压电流传感器，用于测量所述高压导线的电流I和电压U，具有这样的特征，包括：光源转换部，包含：用于发射出光源的光源单元、及将光源转换为平行光的第一光纤准直器，分光起偏部，包含：将平行光分成为测电流用平行光和测电压用平行光的第一分光棱镜、设在测电流用平行光的光路上改变测电流用平行光的传播方向使得测电流用平行光与测电压用平行光相平行的反射镜、及将测电流用平行光与测电压用平行光分别转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光的石榴石起偏单元，电流测量部，设在测电流用线偏振光的光路上，包含：对测电流用线偏振光进行检偏的石榴石检偏单元、将经过石榴石检偏单元后的测电流用线偏振光转换为待测平行光的第二光纤准直器、及用于探测待测平行光的旋转角度θ并根据马吕斯定律计算出电流I的探测计算单元，以及电压测量部，设在测电压用线偏振光的光路上，包含：使测电压用线偏振光的折射率发生变化并出射为BGO线偏振光的锗酸铋晶体部(BG0晶体部)、将BGO线偏振光分成为第一BGO线偏振光和第二BGO线偏振光的第二分光棱镜、设在第一BGO线偏振光的光路上使第一BGO线偏振光发生相位延迟并出射为延迟线偏振光的四分之一波片、及根据延迟线偏振光和第二BGO线偏振光之间由于相位延迟而得到的光强关系计算出电压U的信号处理单元，其中，反光镜与被发射出的光源之间呈一定夹角，石榴石起偏单元的透射轴与石榴石检偏单元的透射轴之间的夹角α为45度，BGO晶体部包含两个与高压导线相连接的电极引线。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，反光镜与被发射出的光源之间的一定夹角为45度。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，石榴石起偏单元包含第一石榴石和位于第一石榴石的入射侧的第一层状模块，石榴石检偏单元包含第二石榴石和位于第二石榴石的出射侧的第二层状模块。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，第一层状模块在测电流用平行光和测电压用平行光的光路上依次连接的第一缓冲层、第一永磁薄膜和第一保护层，第二层状模块在测电流用线偏振光的光路上依次连接的第二保护层、第二永磁薄膜和第二缓冲层。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，探测计算单元包含用于探测待测平行光的旋转角度的探测部件、及根据旋转角度θ和马吕斯定律计算出电流I的计算部件。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，旋转角度θ的计算公式为：θ＝B∫H·dL，B为菲尔德常数、H是磁场强度、L是光在磁光材料中通过的长度，在计算部件中，设定测电流用平行光的输入光强为Q₀,根据马吕斯定律得到待测平行光的输出光强Q为：Q＝Q₀cos²(α+θ),进而得到电流I。

在本发明提供的石榴石型电压电流传感器中，还可以具有这样的特征：其中，设定测电压用平行光的输入光强为Q₀，延迟线偏振光的输出光强Q₁为：第二BGO线偏振光的输出光强Q₂为：为相位差，相位差与所述电压U的关系为：U_π为半波电压，λ是入射光波长、n是BGO晶体的折射率、r是BGO晶体的相对电光系数，通过计算得到电压U。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的石榴石型电压电流传感器，光源单元所发射出的光源经第一光纤准直器被转换为平行光，得到的平行光经第一分光棱镜和石榴石起偏单元后被分成并转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光，测电流用线偏振光经石榴石检偏单元进行检偏后被第二光纤准直器转换为待测平行光，探测计算单元探测出待测平行光的旋转角度后计算出高压导线的电流，测电压用线偏振光入射BGO晶体部后得到折射率发生变化的BGO线偏振光，BGO线偏振光被第二分光棱镜分成为第一BGO线偏振光和第二BGO线偏振光，四分之一波片使第一BGO线偏振光发生相位延迟成为延迟线偏振光，信号处理单元根据延迟线偏振光和第二BGO线偏振光的光强关系计算出高压导线的电压，因此，本发明实现了对高压导线的电流和电压的测量，另外，本发明的石榴石型电压电流传感器具有测量方便、安全性高、频带宽、动态范围大及精度高的优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中石榴石型电压电流传感器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明石榴石型电压电流传感器作具体阐述。

如图1所示，在本实施例中，石榴石型电压电流传感器100用于图中未显示的高压导线的电流I和电压U，石榴石型电压电流传感器100靠近高压导线设置。其中，电流I的测量是依据磁光法拉第效应来实现的，一束线偏振光沿外加磁场方向或磁化强度方向通过抗磁性或磁光材料时偏振面发生旋转的现象叫法拉第效应，旋转角度与磁场强度和光穿越介质的长度的乘积成正比；电压U的测量是利用电光调制晶体的泡克尔斯效应(Pockels效应)来实现的，Pockels效应是指在某些晶体上施加外电场时折射率会发生变化，这种折射率变化引起的光学效应可以通过一定的方法精确地测量出来，从而达到测量电压的目的。

石榴石型电压电流传感器100包含：光源转换部10、分光起偏部20、电流测量部30以及电压测量部40。

光源转换部10包含：光源单元11和第一光纤准直器12。

光源单元11用于提供为测量出高压导线的电流I和电压U所必须的光源，在本发明中，光源为符合需要的光源即可，本实施例中，该光源采用激光。光源单元11与第一光纤准直器12之间通过光纤连接，光源单元11发射出的光源经由相连接的光纤进行传播，进而传送至第一光纤准直器12，第一光纤准直器12将该光源转换为平行光，该平行光被提供给分光起偏部20。

分光起偏部20包含：第一分光棱镜21、反光镜22以及石榴石起偏单元23。

第一分光棱镜21设置在平行光的光路上，将入射的平行光平均分成两束光，其中一束光用于测量高压导线的电流I，另一束光用于测量高压导线的电压U,即、第一分光棱镜21将入射的平行光平均分成为用于测量高压导线的电流I的测电流用平行光和用于测量高压导向的电压U的测电压用平行光，因而，测电流用平行光和测电压用平行光的输入光强相等，设定为Q₀。另外，测电流用平行光与测电压用平行光相垂直。反光镜22设在测电流用平行光的光路上，用于改变测电流用平行光的传播方向，反光镜22与光源单元11所发射出的光源之间呈一定夹角，在本实施例中，该一定夹角为45度。经过反光镜22改变传播方向后的测电流用平行光与测电压用平行光相平行，此时，测电流用平行光与测电压用平行光入射到石榴石起偏单元23上，进而被相应地转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光。

石榴石起偏单元23包含：第一石榴石231和位于第一石榴石231的入射侧的第一层状模块232。第一层状模块232包含：图中未显示的第一缓冲层、第一永磁薄膜和第一保护层，即、以图1中的方向来看，第一层状模块232包含由左至右依次连接的第一缓冲层、第一永磁薄膜和第一保护层，第一保护层紧贴第一石榴石231的外侧壁。由于第一层状模块232位于第一石榴石231的入射侧，因此，石榴石起偏单元23能够将入射的测电流用平行光和测电压用平行光转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光。测电流用线偏振光入射进入电流测量部30，测电压用线偏振光入射进入电压测量部40。

电流测量部30设置在测电流用线偏振光的光路上，包含：石榴石检偏单元31、第二光纤准直器32以及探测计算单元33。

石榴石检偏单元31对入射的电流用线偏振光进行检偏，石榴石检偏单元31包含：第二石榴石311和位于第二石榴石311的出射侧的第二层状模块312。第二层状模块312包含：图中未显示的第二保护层、第二永磁薄膜和第二缓冲层，即、以图1中的方向来看，第二层状模块312包含由左至右依次连接的第二保护层、第二用词薄膜和第二缓冲层，第二保护层紧贴第二石榴石311的外侧壁。由于第二层状模块312位于第二石榴石311的出射侧，因此，石榴石检偏单元31能够对入射的电流用线偏振光进行检偏。被检偏后的电流用线偏振光进入第二光纤准直器32中，由第二光纤准直器32将入射的电流线偏振光转换为待测平行光。第二光纤准直器32与探测计算单元33通过光纤连接，该待测平行光通过光纤进行传播至探测计算单元33中。

探测计算单元33包含：图中未显示的探测部件和计算部件。

探测部件用于探测由光纤传播过来的待测平行光的旋转角度θ，根据磁光法拉第效应，得到旋转角度θ的计算公式为：θ＝B∫H·dL，其中，B为材料的菲尔德常数、H是磁场强度、L是光在磁光材料中通过的长度，即可计算出旋转角度θ的值。

计算部件用于计算高压导线的电流I，首先，根据马吕斯定律得到所述待测平行光的输出光强Q与测电流用平行光的输入光强Q₀之间的关系为：Q＝Q₀cos²(α+θ)，即根据测电流用平行光的输入光强Q₀与待测平行光的输出光强Q之间的变化即可得到高压导线的电流I。

电压测量部40包含：锗酸铋晶体部41、第二分光棱镜42、四分之一波片43以及信号处理单元44。

锗酸铋晶体部即为BGO晶体部，BGO是Bi₂O₃-GeO₂系化合物的总称锗酸铋的缩写，BGO是一种闪烁晶体，无色透明，当一定能量的电子、γ射线或重带电粒子进入BGO时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子、γ射线等的能量和位置。因而，BGO一般被用作高能粒子的“探测器”。在本实施例中，BGO晶体部41包含两个与高压导线相连接的电极引线41a，在高压导线的电场作用下，BGO晶体部41使入射的测电压用线偏振光的折射率发生变化，因而由BGO晶体部41出射的光为折射率发生变化的BGO线偏振光。第二分光棱镜42设置在BGO线偏振光的光路上，将BGO线偏振光分成为第一BGO线偏振光和第二BGO线偏振光。四分之一波片43设置在第二BGO线偏振光的光路上，使第一BGO线偏振光发生相位延迟，因而，经过四分之一波片43后出射的光为已发生相位延迟的延迟线偏振光，该延迟线偏振光被引入信号处理单元44中，第二BGO线偏振光被直接引入信号处理单元44中，信号处理单元44根据延迟线偏振光的光强Q₁和第二BGO线偏振光的光强Q₂分别与测电压用平行光的输入光强Q₀之间的关系计算出高压导线的电压U。即、

延迟线偏振光的光强Q₁与测电压用平行光的输入光强Q₀之间的关系为：第二BGO线偏振光的光强Q₂与测电压用平行光的输入光强Q₀之间的关系为：其中，即为相位差，

然而，相位差与高压导线的电压U的关系其中，U_π为半波电压，而λ是入射光波长、n是BGO晶体的折射率、r是BGO晶体的相对电光系数，

计算出U_π的值后即可得到相位差与高压导线的电压U之间的关系，代入延迟线偏振光的光强Q₁和第二BGO线偏振光的光强Q₂的计算公式即可得到高压导线的电压U。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的石榴石型电压电流传感器，光源单元所发射出的光源经第一光纤准直器被转换为平行光，得到的平行光经第一分光棱镜和石榴石起偏单元后被分成并转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光，测电流用线偏振光经石榴石检偏单元进行检偏后被第二光纤准直器转换为待测平行光，探测计算单元探测出待测平行光的旋转角度后计算出高压导线的电流，测电压用线偏振光入射BGO晶体部后得到折射率发生变化的BGO线偏振光，BGO线偏振光被第二分光棱镜分成为第一BGO线偏振光和第二BGO线偏振光，四分之一波片使第一BGO线偏振光发生相位延迟成为延迟线偏振光，信号处理单元根据延迟线偏振光和第二BGO线偏振光的光强关系计算出高压导线的电压，因此，本实施例实现了对高压导线的电流和电压的测量，另外，本实施例的石榴石型电压电流传感器具有测量方便、安全性高、频带宽、动态范围大及精度高的优点。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种石榴石型电压电流传感器，用于测量所述高压导线的电流I和电压U，其特征在于，包括：

光源转换部，包含：用于发射出光源的光源单元、及将所述光源转换为平行光的第一光纤准直器；

分光起偏部，包含：将所述平行光分成为测电流用平行光和测电压用平行光的第一分光棱镜、设在所述测电流用平行光的光路上改变所述测电流用平行光的传播方向使得所述测电流用平行光与所述测电压用平行光相平行的反射镜、及将所述测电流用平行光与所述测电压用平行光分别转换为测电流用线偏振光和测电压用线偏振光的石榴石起偏单元；

电流测量部，设在所述测电流用线偏振光的光路上，包含：对所述测电流用线偏振光进行检偏的石榴石检偏单元、将经过所述石榴石检偏单元后的所述测电流用线偏振光转换为待测平行光的第二光纤准直器、及用于探测所述待测平行光的旋转角度θ并根据马吕斯定律计算出所述电流I的探测计算单元；以及

电压测量部，设在所述测电压用线偏振光的光路上，包含：使所述测电压用线偏振光的折射率发生变化并出射为BGO线偏振光的锗酸铋晶体部(BG0晶体部)、将所述BGO线偏振光分成为第一BGO线偏振光和第二BGO线偏振光的第二分光棱镜、设在所述第一BGO线偏振光的光路上使所述第一BGO线偏振光发生相位延迟并出射为延迟线偏振光的四分之一波片、及根据所述延迟线偏振光和所述第二BGO线偏振光之间由于相位延迟而得到的光强关系计算出所述电压U的信号处理单元，

其中，所述反光镜与被发射出的所述光源之间呈一定夹角，

所述石榴石起偏单元的透射轴与所述石榴石检偏单元的透射轴之间的夹角α为45度，

所述BGO晶体部包含两个与所述高压导线相连接的电极引线。

2.根据权利要求1所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，所述反光镜与被发射出的所述光源之间的所述一定夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，所述石榴石起偏单元包含第一石榴石和位于所述第一石榴石的入射侧的第一层状模块，

所述石榴石检偏单元包含第二石榴石和位于所述第二石榴石的出射侧的第二层状模块。

4.根据权利要求1所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，所述第一层状模块在所述测电流用平行光和所述测电压用平行光的光路上依次连接的第一缓冲层、第一永磁薄膜和第一保护层，

所述第二层状模块在所述测电流用线偏振光的光路上依次连接的第二保护层、第二永磁薄膜和第二缓冲层。

5.根据权利要求1所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，所述探测计算单元包含用于探测所述待测平行光的旋转角度的探测部件、及根据所述旋转角度θ和所述马吕斯定律计算出所述电流I的计算部件。

6.根据权利要求5所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，所述旋转角度θ的计算公式为：θ＝B∫H·dL，B为菲尔德常数、H是磁场强度、L是光在磁光材料中通过的长度，

在所述计算部件中，设定所述测电流用平行光的输入光强为Q₀,根据所述马吕斯定律得到所述待测平行光的输出光强Q为：Q＝Q₀cos²(α+θ),进而得到所述电流I。

7.根据权利要求1所述的石榴石型电压电流传感器，其特征在于：

其中，设定所述测电压用平行光的输入光强为Q₀，所述延迟线偏振光的输出光强Q₁为：所述第二BGO线偏振光的输出光强Q₂为：为相位差，

所述相位差与所述电压U的关系为：U_π为半波电压，

λ是入射光波长、n是BGO晶体的折射率、r是BGO晶体的相对电光系数，通过计算得到所述电压U。