CN104459267A - 具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，属于光学电流传感器技术领域。为了解决光纤电流互感器易受温度和振动影响而测量准确性低问题。包括：光源发出光依次经环形器、第一保偏光纤耦合器和Y波导，Y波导输出两路光，一路经熔接支路旋转90°入射至第二保偏光纤耦合器，另一路经补偿线圈入射至第二保偏光纤耦合器，第二保偏光纤耦合器将两路光耦合成一路光输入1/4波片，1/4波片输出左右旋光在传感光纤内发生法拉第效应后返回至第一保偏光纤耦合器，返回时，其中原经熔接支路返回的一路光输入至补偿线圈，另一路光输入至经熔接支路，第一保偏光纤耦合器输入至处理模块，处理模块对输入光进行处理得到待测电流值。它用于测量电流值。

Description

具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器

技术领域

本发明属于光学电流传感器技术领域。

背景技术

电流是电力系统的基本参数，电流互感器是测量电流的重要器件。一直以来，电磁感应式电流互感器在电力系统中的电流计量、电力分配、继电保护、控制和监视等起着非常关键的作用。光学电流互感器具有绝缘好、频带宽、无磁饱和等优点，将会成为在高压、超高压电力输送中使用的电磁式电流互感器的理想取代者。目前，光纤电流互感器是光学电流互感器中最具实用化的类型，而全光纤电流互感器是光纤电流互感器中最具发展前景的类型。全光纤型光学电流互感器以低双折射的单模光纤作为传感材料，将光纤绕在被测电流导线周围，形成光回路。其工作过程为：光源发出的光经起偏器起偏后，经传输光纤进入传感光纤线圈，由于电流产生的磁场使得入射线偏振光的偏振面发生法拉第旋转，而偏振面的旋转角度与待测电流值的大小成正比，经过适当的相对计算就能获得待测电流值。

目前在全光纤电流互感器设计中，常用的是反射型的Sagnac式光纤电流互感器，该类型具有高精度的优点，在反射型的Sagnac式光纤电流互感器中，光沿环路传播时，由于转动引起光程差的现象称为Sagnac效应，由于受到振动时产生的Sagnac效应与Faraday效应一样也是非互易效应，因此不能区分，从而产生测量误差。同时，外界环境温度的变化也会通过磁光材料影响偏振光的偏振角改变，并且这种偏振光的偏振角改变与由Faraday效应产生的偏振角改变是难于区分的。所以，在利用目前的反射型的Sagnac式光纤电流互感器中，需要外界环境的震动和温度变化很小。所以在其测量电流过程中对外界环境要求较高，外界振动产生的Sagnac效应对系统测量精度会产生影响，并且外界环境温度的变化也会严重影响测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了解决反射型的Sagnac式光纤电流互感器易受温度和振动影响而测量准确性低的问题，本发明提供一种具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器。

本发明的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，

所述全光纤电流互感器包括光源、光经环形器1、第一保偏光纤耦合器2、Y波导相位调制器3、熔接支路4、第二保偏光纤耦合器5、1/4波片6、传输光纤8、传感光纤9和补偿线圈10、；

光源发出的光经环形器1入射至第一保偏光纤耦合器2，第一保偏光纤耦合器2发出的光入射至Y波导相位调制器3，Y波导相位调制器3先将入射的光进行起偏变为线偏振光，再将线偏振光分成两路平行的线偏振光输出，所述两路平行的线偏振光中的一路经熔接支路4旋转90°后入射至第二保偏光纤耦合器5，另一路经至补偿线圈10后入射至第二保偏光纤耦合器5，第二保偏光纤耦合器5将两路入射的光耦合成偏振模式正交的光输入至1/4波片6，1/4波片6将偏振模式正交的光分别变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过传输光纤8输入至传感光纤9，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在传感光纤9内发生法拉第效应后返回至1/4波片6，1/4波片6输出偏振模式正交的光输入至第三保偏光纤耦合器11，所述第三保偏光纤耦合器11输出两路光，其中原经熔接支路4返回的一路光经补偿线圈10输入至Y波导相位调制器3，另一路光输入至经熔接支路4旋转90°后输入至Y波导相位调制器3，这两路光在Y波导相位调制器3内先偏振再发生干涉，干涉后的光经第一保偏光纤耦合器2输入至处理模块，处理模块对输入的光进行处理得到待测电流值。

所述传感光纤9包括光纤包层18、纤芯19、FBG光栅20、磁光材料21、反射金膜22和反射银膜23；

纤芯19的首端设包层18，纤芯19的末端设置有反射银膜23，纤芯19内设置有FBG光栅20，纤芯19的外表面包有磁光材料21，磁光材料21的外表面包有反射金膜22。

所述处理模块包括第三保偏光纤耦合器11、偏振仪12、电流转换器13、波长仪14、温度转换器15、信号处理器16和显示器17；

Y波导相位调制器3内干涉后的光经第一保偏光纤耦合器2输入至第三保偏光纤耦合器11，第三保偏光纤耦合器11将输入的光分成两束，

其中一束输入至波长仪14且与环形器1内的光进行比较后输出波长移动信号，所述波长移动信号输入至温度转换器15，温度转换器15输出温度变化信号输入至电流转换器13，同时，

另一束输入至偏振仪12，偏振仪12输出偏振角变化信号输入至电流转换器13，电流转换器13根据温度变化信号和偏振角变化信号输出待测电流值变化信号，所述待测电流值变化信号输入至信号处理16，信号处理器16待测电流值变化信号输出待测电流值，并控制显示器17显示。

本发明的有益效果在于，(1)本发明为反射式，具有测量精度高的优势；(2)本发明测量电流的传感光纤9部分利用薄膜形式来实现的，并且具有同时测量电流与温度的功能；(3)本发明针对光路所引入的Sagnac效应，为系统增加了一个补偿线圈10，从而消除外界振动引起的Sagnac效应对测量结果带来的误差；(4)本发明利用Y波导相位调制器3来实现偏振、分束和调制三种功能于一体，具有结构简单的优势；(5)本发明的传感光纤9中具有FBG光栅20、磁光材料21、反射金膜22三层结构，能利用FBG光栅20测量温度、利用磁光材料21和反射金膜22形成的全反射测量由Faraday效应和温度引起的偏振光偏振角的变化，并且利用反射银膜23形成反射，同时全部的薄膜结构使系统具有器件化。

附图说明

图1为本发明所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器的原理示意图。

图2为具体实施方式一中所述的补偿环的结构原理示意图。

图3为具体实施方式二中所述的传感光纤的原理示意图。

图4为光纤布拉格光栅结构的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，所述全光纤电流互感器包括光源、光经环形器1、第一保偏光纤耦合器2、Y波导相位调制器3、熔接支路4、第二保偏光纤耦合器5、1/4波片6、传输光纤8、传感光纤9和补偿线圈10、；

光源发出的光经环形器1入射至第一保偏光纤耦合器2，第一保偏光纤耦合器2发出的光入射至Y波导相位调制器3，Y波导相位调制器3先将入射的光进行起偏变为线偏振光，再将线偏振光分成两路平行的线偏振光输出，所述两路平行的线偏振光中的一路经熔接支路4旋转90°后入射至第二保偏光纤耦合器5，另一路经至补偿线圈10后入射至第二保偏光纤耦合器5，第二保偏光纤耦合器5将两路入射的光耦合成偏振模式正交的光输入至1/4波片6，1/4波片6将偏振模式正交的光分别变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过传输光纤8输入至传感光纤9，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在传感光纤9内发生法拉第效应后返回至1/4波片6，1/4波片6输出偏振模式正交的光输入至第三保偏光纤耦合器11，所述第三保偏光纤耦合器11输出两路光，其中原经熔接支路4返回的一路光经补偿线圈10输入至Y波导相位调制器3，另一路光输入至经熔接支路4旋转90°后输入至Y波导相位调制器3，这两路光在Y波导相位调制器3内先偏振再发生干涉，干涉后的光经第一保偏光纤耦合器2输入至处理模块，处理模块对输入的光进行处理得到待测电流值；

本实施方式中，在传感光纤11内，光入射进去，再反射回来发生两次法拉第效应，法拉第磁光效应指在某些媒质中，沿磁场方向传播的光线偏振面会发生旋转，其旋转角度Δφ与磁场强度H、与磁场中光路的长度L成正比：

式中V为光纤的费尔德常数。对于光纤电流互感器，由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定理，所以光纤中的旋转角度为:

式中N为传感光纤环的总圈数，I为光纤中的电流；

由于光纤电流互感器在实际的应用环境中会受到振动因素的影响，而Sagnac干涉环结构极易敏感振动因素，从而在输出信号中夹杂了振动信号的输出，大大降低了系统的测量精度；

本实施方式采用光纤补偿线圈10的方法消除该Sagnac效应，下面利用琼斯矩阵方法证明该方案的可行性；

图2为补偿环的结构原理示意图，假设介质是线性的，设外界振动因素引起的两束反向传播光的相位差为δ。

右行光补偿线圈的琼斯矩阵：

${\mathrm{Lci}}_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right];$

左行光补偿线圈的琼斯矩阵：

${\mathrm{Lco}}_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)& \sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]$

右行光延迟线圈的琼斯矩阵：

${\mathrm{Lci}}_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)& \sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]$

左行光延迟线圈的琼斯矩阵：

${\mathrm{Lco}}_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]$

右行光对应琼斯矩阵：

$\begin{array}{c}\mathrm{Li}={\mathrm{Lci}}_1\·{\mathrm{Lci}}_2\\ =\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\\ -\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& -\sin \mathrm{\δ}\\ \sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

左行光对应琼斯矩阵：

$\begin{array}{c}\mathrm{Lo}={\mathrm{Lco}}_1\·{\mathrm{Lco}}_2\\ =\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& -\sin \mathrm{\δ}\\ \sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\\ -\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

根据以上所得的琼斯矩阵可以看出，本实施方式采用光纤补偿线圈10的方法输出公式中不会有振动因素δ的影响，从理论证明了本实施方式的可行性。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器的进一步限定，

所述传感光纤9包括光纤包层18、纤芯19、FBG光栅20、磁光材料21、反射金膜22和反射银膜23；

纤芯19的首端设包层18，纤芯19的末端设置有反射银膜23，纤芯19内设置有FBG光栅20，纤芯19的外表面包有磁光材料21，磁光材料21的外表面包有反射金膜22。

如图3所示为传感光纤9的结构示意图，其中FBG光栅20用来进行温度测量，磁光材料21用来进行磁场的测量，反射金膜22用来形成全发射，反射银膜23用来实现反射；

本实施方式中，磁光材料21为YIG掺杂磁光材料，用来实现法拉第磁光效应测量磁场，其与反射金膜22实现全反射以保证光能够在光纤中传输；

FBG光栅20用来测量环境的温度变化，用来补偿磁光材料21中温度引起的偏振光偏转角的变化，结合图4说明，其工作原理为：

FBG是在光纤的一小段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅，实质是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器和反射镜，对入射到光栅上的部分光谱进行反射或透射，宽带光源发出的光从FBG一端入射，由于折射率的周期变化，使纤芯中向前和向后传输的光波耦合，当满足布拉格条件时，波长为λ_B的光功率耦合到向后传输波中，在反射谱中形成λ_B的峰值，绝大部分光将被透射形成透射谱，如图4所示。布拉格条件为

λ_B＝2n_effΛ

式中λ_B为FBG的反射中心波长(也称布拉格波长)；n_eff为光栅栅区的纤芯有效折射率；Λ为FBG栅格周期。由上式可知，布拉格波长λ_B随n_eff和Λ的变化而改变，而n_eff和Λ对应变和温度都较为敏感。

当外界温度变化作用到FBG时，纤芯有效折射率和栅格周期的变化导致FBG中心波长漂移为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}$

通过检测FBG中心波长的漂移，间接地测量外界温度变化的大小。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器的进一步限定，所述处理模块包括第三保偏光纤耦合器11、偏振仪12、电流转换器13、波长仪14、温度转换器15、信号处理器16和显示器17；

Y波导相位调制器3内干涉后的光经第一保偏光纤耦合器2输入至第三保偏光纤耦合器11，第三保偏光纤耦合器11将输入的光分成两束，

其中一束输入至波长仪14且与环形器1内的光进行比较后输出波长移动信号，所述波长移动信号输入至温度转换器15，温度转换器15输出温度变化信号输入至电流转换器13，同时，

另一束输入至偏振仪12，偏振仪12输出偏振角变化信号输入至电流转换器13，电流转换器13根据温度变化信号和偏振角变化信号输出待测电流值变化信号，所述待测电流值变化信号输入至信号处理器16，信号处理器16待测电流值变化信号输出待测电流值，并控制显示器17显示。

本发明主要围绕解决反射型Sagnac式全光纤电流互感器对外界环境的苛刻要求的问题，通过利用特殊结构的传感光纤9实现消除温度的影响、利用补偿线圈10实现消除外界震动对测量结果的影响，并且通过使用薄膜型传感头结构，使该发明更加具有实用性。

Claims (3)

1.具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，其特征在于，所述全光纤电流互感器包括光源(7)、光经环形器(1)、第一保偏光纤耦合器(2)、Y波导相位调制器(3)、熔接支路(4)、第二保偏光纤耦合器(5)、1/4波片(6)、传输光纤(8)、传感光纤(9)和补偿线圈(10)；

光源(7)发出的光经环形器(1)入射至第一保偏光纤耦合器(2)，第一保偏光纤耦合器(2)发出的光入射至Y波导相位调制器(3)，Y波导相位调制器(3)先将入射的光进行起偏变为线偏振光，再将线偏振光分成两路平行的线偏振光输出，所述两路平行的线偏振光中的一路经熔接支路(4)旋转90°后入射至第二保偏光纤耦合器(5)，另一路经至补偿线圈(10)后入射至第二保偏光纤耦合器(5)，第二保偏光纤耦合器(5)将两路入射的光耦合成偏振模式正交的光输入至1/4波片(6)，1/4波片(6)将偏振模式正交的光分别变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过传输光纤(8)输入至传感光纤(9)，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在传感光纤(9)内发生法拉第效应后返回至1/4波片(6)，1/4波片(6)输出偏振模式正交的光输入至第三保偏光纤耦合器(11)，所述第三保偏光纤耦合器(11)输出两路光，其中原经熔接支路(4)返回的一路光经补偿线圈(10)输入至Y波导相位调制器(3)，另一路光输入至经熔接支路(4)旋转90°后输入至Y波导相位调制器(3)，这两路光在Y波导相位调制器(3)内先偏振再发生干涉，干涉后的光经第一保偏光纤耦合器(2)输入至处理模块，处理模块对输入的光进行处理得到待测电流值。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，其特征在于，所述传感光纤(9)包括光纤包层(18)、纤芯(19)、FBG光栅(20)、磁光材料(21)、反射金膜(22)和反射银膜(23)；

纤芯(19)的首端设光纤包层(18)，纤芯(19)的末端设置有反射银膜(23)，纤芯(19)内设置有FBG光栅(20)，纤芯(19)的外表面包有磁光材料(21)，磁光材料(21)的外表面包有反射金膜(22)。

3.根据权利要求1或2所述的具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器，其特征在于，所述处理模块包括第三保偏光纤耦合器(11)、偏振仪(12)、电流转换器(13)、波长仪(14)、温度转换器(15)、信号处理器(16)和显示器(17)；

Y波导相位调制器(3)内干涉后的光经第一保偏光纤耦合器(2)输入至第三保偏光纤耦合器(11)，第三保偏光纤耦合器(11)将输入的光分成两束，

其中一束输入至波长仪(14)且与环形器1内的光进行比较后输出波长移动信号，所述波长移动信号输入至温度转换器(15)，温度转换器(15)输出温度变化信号输入至电流转换器(13)，同时，另一束输入至偏振仪(12)，偏振仪(12)输出偏振角变化信号输入至电流转换器(13)，电流转换器(13)根据温度变化信号和偏振角变化信号输出待测电流值变化信号，所述待测电流值变化信号输入至信号处理器(16)，信号处理器(16)待测电流值变化信号输出待测电流值，并控制显示器(17)显示。