CN106483359B - 一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器 - Google Patents

一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其包括依次相连接的超辐射二极管、起偏器、保偏耦合器、偏振控制器、检偏器、光电探测器及降噪放大器、以及法拉第反射镜。所述单模光纤电流传感器还包括两端分别连接所述法拉第反射镜及所述保偏耦合器的单模光纤，所述单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环。

Description

一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器。
背景技术
传统的电流互感器因为其体积巨大，重量惊人，造价昂贵且精度不高，使其逐渐达到发展瓶颈，上个世纪80年代光纤电流传感器应运而生。光纤电流传感器因其拥有体积小、重量轻、抗电磁干扰、测量范围大、完全电隔离等优势，在近些年发展迅速。光纤电流传感器主要原理是利用法拉第效应将待测电流信号转换为光纤中的光信号，再通过光电探测器和降噪放大器将待测信号还原，以实现对待测电流信号的测量。
传感光纤是现有的光纤电流传感器中的关键部件，其大都采用一种名为旋转保偏的特种光纤，然而，所述特种光纤价格昂贵(每米约60美元)，依赖进口，导致光纤电流传感器的成本较高，不利于推广应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其基于法拉第效应和安培环路定理，针对光纤电流传感器的结构进行了设计。所述单模光纤电流传感器采用单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环；法拉第反射镜连接于所述单模光纤的一端，降低了成本，且能够通过增加单模光纤环的圈数来提高最小探测能力，增加单模光纤环的直径来适配更多规格的待测对象，有利于推广应用。此外，所述单模光纤电流传感器不通过四分之一波片而是直接测量线偏振光的偏振态，避免了温度的影响，提高了测量准确性。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其包括依次相连接的超辐射二极管、起偏器、保偏耦合器、偏振控制器、检偏器、光电探测器及降噪放大器、以及法拉第反射镜，其特征在于：
所述单模光纤电流传感器还包括两端分别连接所述法拉第反射镜及所述保偏耦合器的单模光纤，所述单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环。进一步的，所述单模光纤环的圈数为100圈。
进一步的，所述超辐射二极管用于发射预定波长和半高宽的非相干光。
进一步的，所述非相干光的半高宽小于100纳米，功率小于等于1.5瓦。
进一步的，所述待测件的电流Ix由以下公式计算获得：
式中，I为已知大小的电流；U为电流I流经所述待测件时，记录下的所述降噪放大器的输出电压；Ux为电流Ix流经所述待测件时，记录下的所述降噪放大器的输出电压。
进一步的，所述偏振控制器的数量为两个，两个所述偏振控制器中的一个连接所述检偏器及所述保偏耦合器，另一个连接所述法拉第反射镜及所述保偏耦合器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其采用单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环；法拉第反射镜连接于所述单模光纤的一端，应用单模光纤降低了成本，且能够通过增加单模光纤环的圈数来提高最小探测能力，增加单模光纤环的直径来适配更多规格的待测对象，有利于推广应用。此外，所述单模光纤电流传感器不通过四分之一波片而是直接测量线偏振光的偏振态，避免了温度的影响，提高了测量准确性。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器的示意图。
图2是本发明第二实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器的示意图。
图3是本发明第三实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-起偏器，2-超辐射二极管，3-光电探测器，4-检偏器，5-偏振控制器，6-法拉第反射镜，7-单模光纤，8-待测件，9-保偏耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明第一实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器100，其基于法拉第效应和安培环路定理，将待测电信号转换为光信号，并通过光电探测器及降噪放大器还原待测电信号。
所述单模光纤电流传感器100包括起偏器1、超辐射二极管2、光电探测器3、检偏器4、偏振控制器5、法拉第反射镜6、单模光纤7、保偏耦合器9及降噪放大器。所述超辐射二极管2、所述起偏器1、所述保偏耦合器9、所述偏振控制器5、所述检偏器4及所述光电探测器3依次相连接。所述单模光纤7绕待测件8的中心轴缠绕形成单模光纤环，其两端分别连接于所述保偏耦合器9及所述法拉第反射镜6；所述待测件8穿过所述单模光纤环。本实施方式中，所述单模光纤环的圈数为100圈，可以理解，在其他实施方式中，所述单模光纤环的圈数可以根据实际探测需要改变。
所述超辐射二极管2用于产生预定波长和半高宽的非相干光。本实施方式中，所述非相干光的波长固定且半高宽小于100纳米，功率小于等于1.5w。
所述起偏器1用于将接受到的来自所述超辐射二极管2的光转变为线偏振光，并将所述线偏振光传输到所述保偏耦合器9。本实施方式中，所述保偏耦合器9设置有入口A、出口B及出口C，所述入口A及所述出口B位于所述保偏耦合器9的一侧，所述出口C位于所述保偏耦合器9的另一侧。本实施方式中，所述起偏器1连接于所述入口A，所述偏振控制器5连接于所述出口B，所述单模光纤7连接于所述出口C。
所述法拉第反射镜6用于使反射后的线偏振光具有较高的消光比，提高了探测能力。对于不同的测量范围，可以通过调节所述偏振控制器5以相应地获得较好的探测能力。
所述超辐射二极管2产生一定波长和半高宽的非相干光并将所述非相干光传输到所述起偏器1。所述起偏器1将接收到的所述相干光转变为线偏振光并将所述线偏振光通过所述入口A传输给所述保偏耦合器9。所述线偏振光自所述保偏耦合器9的出口C进入所述单模光纤环中，所述线偏振光在所述单模光纤环中时受到待测件8的电流磁场的作用，所述线偏振光的偏振方向发生改变。偏振方向发生改变后的所述线偏振光自所述单模光纤环进入所述法拉第反射镜6，并经所述法拉第反射镜6反射回所述出口C后，自所述保偏耦合器9的出口B依次进入所述偏振控制器5、所述检偏器4及所述光电探测器3，所述线偏振光的偏振方向的变化量被转变为电信号，所述电信号经所述降噪放大器放大后以电压形式输出，进而根据输出结果实现对待测件的电流信号的测量。
所述单模光纤电流传感器100工作时，首先，对所述单模光纤电流传感器100进行标定，所述光电探测器3及所述降噪放大器选择适当倍数，将已知大小的电流I流经所述待测件，观察所述降噪放大器的输出，并相应调节所述偏振控制器5，使所述降噪放大器的输出达到最大，记录下此时所述降噪放大器的输出电压U，以完成标定。
使待测电流Ix流经所述待测件，记录此时所述降噪放大器的输出电压Ux，基于法拉第效应，根据公式(1)即可计算获得待测电流Ix的大小。
请参阅图2，本发明第二实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器100与本发明第一实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤传感器100基本相同，不同点在于本发明第二实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器100的偏振控制器5连接所述保偏耦合器9及所述法拉第反射镜6。
请参阅图3，本发明第三实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器100与本发明第一实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤传感器100基本相同，不同点在于本发明第三实施方式提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器100的偏振控制器5的数量为两个，两个所述偏振控制器5中的一个连接所述检偏器4及所述保偏耦合器9，另一个连接所述法拉第反射镜6及所述保偏耦合器9。本发明提供的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其采用单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环；法拉第反射镜连接于所述单模光纤的一端且邻近所述待测件设置，降低了成本，且能够通过增加单模光纤环的圈数来提高最小探测能力，增加单模光纤环的直径来适配更多规格的待测对象，有利于推广应用。此外，所述单模光纤电流传感器不通过四分之一波片而是直接测量线偏振光的偏振态，避免了温度的影响，提高了测量准确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其包括依次相连接的超辐射二极管、起偏器、保偏耦合器、偏振控制器、检偏器、光电探测器及降噪放大器、以及法拉第反射镜，其特征在于：
所述单模光纤电流传感器还包括两端分别连接所述法拉第反射镜及所述保偏耦合器的单模光纤，所述单模光纤绕待测件的中心轴缠绕形成单模光纤环，所述待测件穿过所述单模光纤环；
所述偏振控制器的数量为两个，两个所述偏振控制器中的一个连接所述检偏器及所述保偏耦合器，另一个连接所述法拉第反射镜及所述保偏耦合器；通过调节所述偏振控制器以相应地提高探测能力。
2.如权利要求1所述的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其特征在于：所述单模光纤环的圈数为100圈。
3.如权利要求1所述的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其特征在于：所述超辐射二极管用于发射预定波长和半高宽的非相干光。
4.如权利要求3所述的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其特征在于：所述非相干光的半高宽小于100纳米，功率小于等于1.5瓦。
5.如权利要求1所述的基于偏振态调节的单模光纤电流传感器，其特征在于：所述待测件的电流Ix由以下公式计算获得：
式中，I为已知大小的电流；U为电流I流经所述待测件时，记录下的所述降噪放大器的输出电压；Ux为电流Ix流经所述待测件时，记录下的所述降噪放大器的输出电压。
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