CN109375137A - 全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置及方法。其中，该装置包括：宽谱光源，其与第一耦合器相连；第一耦合器的一支输出尾纤通过马赫曾德干涉参考相位臂与第二耦合器的一支输入尾纤相熔接；第一耦合器的另一支输出尾纤与待测1/4波片的一端以45°对轴熔接，待测1/4波片的另一端与第二耦合器的另一支输入尾纤以45°对轴熔接；所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于温度可调节且能保持稳定的空间内；第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤分别输出至相应探测器中，由探测器传送至处理器中求解出当前温度下1/4波片的相位延迟。

Description

全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置及方法

技术领域

本发明属于光纤电流互感器领域，尤其涉及一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置及方法。

背景技术

互感器是监测电网运行状态的重要设备，变电站中测量、监控和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。传统电磁式互感器存在电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、铁磁谐振过电压等问题，以在大范围内保持一定的精度和线性度。随着数字化变电站智能电网的不断发展推进，全光纤电流互感器凭借其区别于传统电磁式互感器的独特优势，越来越受到智能化电网建设的青睐。但目前制约全光纤电流互感器进一步大规模应用的主要因素是其长期运行精度稳定性差，其中在-40～60℃温度范围全光纤电流互感器的精度偏差难以满足要求，对温度比较敏感的1/4波片作为全光纤电流互感器的关键组成部分，其相位延迟的准确测量将会对全光纤电流互感器的性能提升有重要影响。

在理想情况下，1/4波片的相位延迟为90°，温度变化时，1/4波片的相位延迟角度也会发生变化，这会造成全光纤电流互感器的比例因子变化，进而影响系统的精度和稳定性。利用光纤1/4波片的温度特性也可以实现对传感光纤Verdet系数的在线补偿，要实现该技术，有必要对光纤1/4波片在不同温度下的相位延迟进行测试。

目前，国内大多采用光强法用分立器件测量晶体波片的相位延迟，需要旋转测量，但是全光纤电流互感器的1/4波片长度仅为1mm左右，很难用分离器件旋转测量。同时对于1/4波片相位误差的温度特性也基本上是根据理论推倒，没有可靠准确的测试装置及方法，无法建立更加准确的误差模型，从而影响到全光纤电流互感器的性能提升。

发明内容

为了解决目前光纤1/4波片相位延迟的测试还没有实际可行的方法，无法建立与传感光纤Verdet系数互补偿的准确温度模型的问题，本发明提出了一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其能够自动化测试1/4波片的相位延迟。

本发明的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，包括：

宽谱光源，其与第一耦合器相连；第一耦合器的一支输出尾纤通过马赫曾德干涉参考相位臂与第二耦合器的一支输入尾纤相熔接；第一耦合器的另一支输出尾纤与待测1/4波片的一端以45°对轴熔接，待测1/4波片的另一端与第二耦合器的另一支输入尾纤以45°对轴熔接；所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于温度可调节且能保持稳定的空间内；

第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤分别输出至相应探测器中，由探测器传送至处理器中求解出当前温度下1/4波片的相位延迟。

进一步地，待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为：

其中，T_out1和T_out2分别是第二耦合器的两个输出端口的透射系数；E_in是宽谱光源的输出场强；I_out1和I_outt2分别是第二耦合器的两个输出端口光强。

进一步的，所述处理器还被配置为：

存储不同温度下1/4波片相位延迟；

实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线。

本发明的该技术方案避免了繁琐的传统人工采集数据方式，提高了测试效率，而且绘制出不同温度下1/4波片相位延迟的变化规律，为光纤电流互感器的温度补偿提供数据支持。

进一步的，所述马赫曾德干涉参考相位臂是由第一耦合器的输出尾纤和第二耦合器的输入尾纤直接进行0度熔接形成。

进一步的，第一耦合器和第二耦合器的分光比均为1：1。

耦合器全部采用分光比为1:1的双入双出类型，在这种MZI(马赫曾德干涉)结构中，功分比50％的耦合器可以使得计算结果换得更高的准确度。

进一步的，所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于试验温箱内，所述试验温箱的温度可调范围为-40℃～70℃，温变速率设定为1℃/1min。

进一步的，所述探测器通过信号处理电路与处理器相连。

本发明的第二目的是提供一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法。

本发明的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，包括：

宽谱光源输出的光信号进入第一耦合器；

第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；

发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤输出；

探测器将检测到的第二耦合器的两输出尾纤输出的光信号并传送至处理器，由处理器求解出当前温度下1/4波片的相位延迟。

进一步地，待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为：

其中，T_out1和T_out2分别是第二耦合器的两个输出端口的透射系数；E_in是宽谱光源的输出场强；I_out1和I_outt2分别是第二耦合器的两个输出端口光强。

进一步的，所述全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，还包括：

存储不同温度下1/4波片相位延迟；

实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明克服了传统光强法难以测试光纤1/4波片相位延迟的技术难题，创新的提出了一种利用马赫曾德干涉(MZI)测试光纤1/4波片的相位延迟的装置及方法，MZI结构具有良好的光路互易性，能明显的提高测试精度。

(2)本发明测试全温范围内光纤1/4波片相位延迟时，将待测1/4波片设置于温度可调节且能保持稳定的空间内；随着温度变化，存储不同温度下1/4波片相位延迟；实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线，避免了繁琐的传统人工采集数据方式，提高了测试效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置示意图；

图2为本发明的MZI(马赫曾德干涉)结构光传输示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

MZI：Mach-Zehnder interferometer，马赫曾德干涉。

Verdet系数：维尔德系数，其与波长有关，且非常接近该材料的吸收谐振。

本发明的全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，详细说明如下：

在本实施例中，宽谱光源采用中心波长在1310nm附近的SLD光源来实现。

第一耦合器采用功分比为1：1的2×2耦合器A来实现，耦合器A为双入双出耦合器；

第二耦合器采用功分比为1：1的2×2耦合器B来实现，耦合器B为双入双出耦合器；

耦合器全部采用分光比为1:1的双入双出类型，在这种MZI结构中，功分比50％的耦合器可以使得计算结果换得更高的准确度。

在本实施例中，分别与第一耦合器和第二耦合器相连的探测器分别为探测器1和探测器2。

马赫曾德干涉参考相位臂，是由第一耦合器的输出尾纤和第二耦合器的输入尾纤直接进行0度熔接形成。

在本实施例中，所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于试验温箱内，所述试验温箱的温度可调范围为-40℃～70℃，温变速率设定为1℃/1min。

在本实施例中，探测器通过信号处理电路与处理器相连。信号处理电路中设置AD每隔30s采集一次数据，每次计算对应温度下的相位延迟，处理器实时拟合相位延迟随温度变化曲线。

在其他实施例中，宽谱光源可以是其它宽谱光源，包括ASE光源，波长也不仅限于1310nm，可以是可见光到红外光范围。

第一耦合器和第二耦合器可以是单模耦合器、保偏耦合器等其它对应光源输出波长的耦合器。

如图1所示，本实施例提供的全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置包括：

中心波长在1310nm附近的SLD光源(1)、2×2耦合器A(2)、MZI参考相位臂(3)、待测1/4波片(4)、2×2耦合器B(5)、探测器1(6)和探测器2(7)。

其中，SLD光源(1)发出的光经过耦合器A(2)分为功率近似相等的两束光，耦合器A(2)的输出尾纤的上半支经过参考相位臂(3)和耦合器B(5)相熔接，耦合器A(2)的输出尾纤下半支与待测1/4波片(4)以θ₁角度(在本实施例中为45°)熔接，与耦合器B(5)的输入尾纤以θ₂角度(在本实施例中为45°)熔接，耦合器A(3)的下半支尾纤经过待测1/4波片(4)后再输入到耦合器B(5)，与上半支输出的光在耦合器B(5)中发生干涉后分两路输出到探测器1(6)和探测器2(7)中。

探测器1(6)和探测器2(7)分别通过信号处理电路(8)和处理器(9)，在处理器(9)中对1/4波片的相位延迟进行解算，同时也可以实时测量1/4波片相位延迟随温度变化的情况。

光纤1/4波片在全光纤电流互感器中的主要作用是将正方向入射的线偏振光转换为圆偏振光，反方向返回的圆偏振光转换为线偏振光。

为满足该功能要求需要具备两个条件：

(1)保证1/4波片两端和光纤熔接角度应为45°；也就是θ₁和θ₂的角度为45°；

(2)保证1/4波片引入的相位延迟是π/2。

以上两个条件中第一个光纤熔接角θ₁角度和θ₂角度可以通过选择符合精度要求的光纤熔接机并设置相应的参数实现，熔接对轴角度在具体实施中可以允许有误差，可控制在45°±1°范围内。

对于第二个条件中的相位延迟则可以通过截取合适的1/4波片长度来实现，但是在实际制作过程中由于卡具精度的限制，并且受人工条件影响很难精确制备出相位延迟正好为π/2的1/4波片，同时1/4波片受温度的影响较大。本发明研究不同温度下1/4波片相位延迟的变化规律，为光纤电流互感器的温度补偿提供数据支持。

处理器(9)可为上位机。

本发明采用耦合器实现光束的干涉和分束，相对于偏振器和分束器来实现光的干涉和分束的技术方案，本发明具有光传输损耗更小、分光比更易精确控制的优点；

本发明采用马赫增德干涉(MZI)结构来测量1/4波片相位延迟，本发明在同时消除SLD光源光功率波动影响的情况下，利用参考光路对比更容易反应1/4波片的温度特性，具有更高的测量精度；

由于不同的温度对应不同的相位延迟，本发明采用的自动化测量装置可以实现真正的在线测量，数据处理方便且更加准确。

下面来详细分析待测1/4波片的相位延迟的计算原理：

通过各光学器件的琼斯矩阵模型，可以得到耦合器B(5)两输出端口光强的表达式：

I_out1,2＝|E_out1,2|²

E_out1,2＝L_OHQ2*L_MZI*L_OHQ1*L_in

其中，表示输入光的琼斯矩阵，L_OHQ1,2表示耦合器A(3)，耦合器2(5)的琼斯矩阵；E_in是SLD光源(1)的输出场强；I_out1,2是耦合器B(5)的两个输出端口光强；E_out1,2是耦合器2(5)的两个输出端口的输出场强；

假定两个耦合器的分光比都为1：1，那么：

其中，i是虚数单位；

表示耦合器A和耦合器B之间的MZI结构的琼斯矩阵；

如图2所示，本发明的MZI(马赫曾德干涉)结构光传输示意图中，K1和K2分别代表耦合器1和耦合器2的耦合系数(即功分比)，根据马赫曾德干涉(MZI)结构特性，取K1＝K2＝1/2，可以使测试结果获得最大的灵敏度。P1和P2分别对应耦合器B的两个输出端的光功率，Pin表示SLD光源输入耦合器1的光功率。

进而得到测试系统整体的琼斯矩阵：

其中：T_ref和φ_ref分别表示MZI上臂的透射系数和相位延迟。

假设在理想情况下参考臂上的损耗可以忽略，可以得到，T_ref≈1，φ_ref≈0，耦合器B(5)的两个输出端口光强I_out1和I_outt2分别为：

其中，E_in是SLD光源的输出场强；

T_ref和T_1/4波片分别是MZI结构中参考臂和待测1/4波片的透射系数；

φ_ref和φ_1/4波片分别是MZI结构中参考臂和待测1/4波片的相位延迟；

由于MZI参考臂是由耦合器A的输出尾纤和耦合器B的输入尾纤直接进行0度熔接形成，假设在理想情况下参考臂上的损耗可以忽略，可以得到，T_ref≈1，φ_ref≈0，那么耦合器B两个输出端口的透射系数T_out1和T_outt2表示为：

上面两式相加，可得

上面两式相减，可得

所以可得到待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为，

透射系数T_out1和T_outt2是在每次数据采集测试后换算得到的，通过探测器将接收到的光信号转换为电信号，在信号处理电路中进行计算得到。

由上述方法可以确定1/4波片的相位延迟φ_1/4波片，利用处理器试验箱的温度数据和波片的相位延迟数据同步进行采集，得到1/4波片相位延迟大小随温度变化的曲线，可以准确的与传感光纤Verdet系数进行互补偿，从而实现对全光纤电流互感器的尺度因子更加精确的修正，进一步提高光纤电流互感器的测试精度。

本发明还提供了一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法。

本发明的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，包括：

步骤1：宽谱光源输出的光信号进入第一耦合器；

步骤2：第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；

步骤3：发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤输出；

步骤4：探测器将检测到的第二耦合器的两输出尾纤输出的光信号并传送至处理器，由处理器求解出当前温度下1/4波片的相位延迟；

其中，待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为：

其中，T_out1和T_out2分别是第二耦合器的两个输出端口的透射系数；E_in是宽谱光源的输出场强；I_out1和I_outt2分别是第二耦合器的两个输出端口光强。

在另一实施例中，所述全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，还包括：

步骤5：存储不同温度下1/4波片相位延迟；

步骤6：实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线。

本发明克服了传统光强法难以测试光纤1/4波片相位延迟的技术难题，创新的提出了一种利用马赫曾德干涉(MZI)测试光纤1/4波片的相位延迟的装置及方法，MZI结构具有良好的光路互易性，能明显的提高测试精度。

本发明测试全温范围内光纤1/4波片相位延迟时，将待测1/4波片设置于温度可调节且能保持稳定的空间内；随着温度变化，存储不同温度下1/4波片相位延迟；实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线，避免了繁琐的传统人工采集数据方式，提高了测试效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，包括：宽谱光源，其与第一耦合器相连；第一耦合器的一支输出尾纤通过马赫曾德干涉参考相位臂与第二耦合器的一支输入尾纤相熔接；第一耦合器的另一支输出尾纤与待测1/4波片的一端以45°对轴熔接，待测1/4波片的另一端与第二耦合器的另一支输入尾纤以45°对轴熔接；所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于温度可调节且能保持稳定的空间内；

第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤分别输出至相应探测器中，由探测器传送至处理器中求解出当前温度下1/4波片的相位延迟。

2.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为：

其中，T_out1和T_out2分别是第二耦合器的两个输出端口的透射系数；E_in是宽谱光源的输出场强；I_out1和I_outt2分别是第二耦合器的两个输出端口光强。

3.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

存储不同温度下1/4波片相位延迟；

实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线。

4.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉参考相位臂是由第一耦合器的输出尾纤和第二耦合器的输入尾纤直接进行0度熔接形成。

5.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，第一耦合器和第二耦合器的分光比均为1：1。

6.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，所述待测1/4波片及与其相连接的熔点均放置于试验温箱内，所述试验温箱的温度可调范围为-40℃～70℃，温变速率设定为1℃/1min。

7.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置，其特征在于，所述探测器通过信号处理电路与处理器相连。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

宽谱光源输出的光信号进入第一耦合器；

第一耦合器输出的两束光在经过不同的相位延迟后进入第二耦合器，并在第二耦合器中发生干涉；

发生干涉后的光经第二耦合器的两输出尾纤输出；

探测器将检测到的第二耦合器的两输出尾纤输出的光信号并传送至处理器，由处理器求解出当前温度下1/4波片的相位延迟。

9.如权利要求7所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，其特征在于，待测1/4波片的相位延迟φ_1/4波片为：

其中，T_out1和T_out2分别是第二耦合器的两个输出端口的透射系数；E_in是宽谱光源的输出场强；I_out1和I_outt2分别是第二耦合器的两个输出端口光强。

10.如权利要求7所述的一种全光纤电流互感器用1/4波片相位延迟自动测试装置的测试方法，其特征在于，该方法还包括：

存储不同温度下1/4波片相位延迟；

实时拟合1/4波片相位延迟随温度变化的曲线。