CN111044771B - 一种非闭合光纤环电流传感装置及电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤电流传感领域，并具体公开了一种非闭合光纤环电流传感装置及电流测量方法，包括光源、起偏器、光纤环形器、非闭合传感光纤环、法拉第反射镜、偏振分束器、光电探测器，其中非闭合传感光纤环由数个光纤环单元组成，每个光纤环单元由同一根光纤正反向来回环绕形成，同时使光纤返回端产生半波片的效果；光纤环单元整体对被测电缆呈非闭合包围；偏振分束器与光纤环形器相连，光电探测器用于获取经偏振分束器分束后的光。本发明可实现电流传感器的带电校准，并降低了光纤电流传感器安装、调试、维护的难度，拓展了其应用范围，有利于光纤电流传感器的工程化研制和实际应用。

Description

一种非闭合光纤环电流传感装置及电流测量方法

技术领域

本发明属于光纤电流传感领域，更具体地，涉及一种非闭合光纤环电流传感装置及电流测量方法。

背景技术

电流测量技术在电力、冶金、化工、航空、航天、可控核聚变等诸多领域具有广泛应用，准确的电流测量与安全生产、节能减排以及重大科学研究密切相关。近年来随着电力系统向智能化、超高压、大容量的发展，光纤电流传感器由于其具有测量范围宽、动态范围大、绝缘性能好、安全性高的众多优点，在工业上应用广泛。而且，在一些有特殊测量需求的领域，例如雷电、地铁隧道泄露电流、可控核聚变、隧道超前探测等领域，光纤电流传感器也显示出其独特的应用价值。

一方面，电网中的电流传感器必须定期进行误差特性检测，而常规检测方法，需要将运行的电流传感器离线才能进行误差特性检测，然而在实际检定中，有的线路电流传感器根本无法停电检测，否则要影响区域的生产和生活，有的线路尽管可以停电，但是将电流传感器离线测量检定的工作量大、检测周期长，甚至有的线路很难进行电流传感器离线处理，人们亟需一种能够实现带电校准的电流传感器。另一方面，传统的全光纤电流传感器的传感光纤环常采用闭合结构，光纤要绕电线电缆多圈，一旦安装完成，无法在不断开电缆、从而不断电的情况下将光纤环传感器移开，后续的调试和维修将较为困难，这将极大地降低光纤电流传感器的使用便捷性。因此，探寻采用非闭合的光学电流传感结构、从而克服断缆断电的缺点，使得现场的校准、安装和调试变得简单，是人们长期以来的理想。如果将光纤正向绕电缆一圈，然后再反向绕一圈回到出发点，就可以构成一个绕电缆的非闭合环，电缆是可以不断电取出的。但是，在光学上这样的非闭合光纤环需要解决由于光纤绕向改变而产生的法拉第效应相互抵消，从而使得电流测量失效的问题，故亟需一种能解决上述问题的非闭合光纤电流传感器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非闭合光纤环电流传感装置，其目的在于，通过控制光纤返回端的弯曲使其产生半波片的效果，进而实现非闭合结构的光纤电流传感，降低了现有光纤电流传感器安装、调试、维护的难度，拓展了其应用范围，有利于光纤电流传感器的工程化研制和实际应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种非闭合光纤环电流传感装置，其包括光源、起偏器、光纤环形器、非闭合传感光纤环、法拉第反射镜、偏振分束器、光电探测器，其中：

所述光源、起偏器、光纤环形器依次设置，所述光源发出的光经起偏器起偏后通过光纤环形器入射到所述非闭合传感光纤环中；

所述非闭合传感光纤环的入射接头与所述光纤环形器相连，出射接头与所述法拉第反射镜相连；所述非闭合传感光纤环由多个光纤环单元组成，其中每个光纤环单元由同一根光纤绕被测电缆正反向来回绕制形成，同时使光纤返回端通过弯曲应力双折射产生半波片的效果；所述光纤环单元整体对被测电缆呈非闭合包围；

所述偏振分束器与所述光纤环形器相连，所述光电探测器用于获取经所述偏振分束器分束后的光并转化为电信号。

作为进一步优选的，所述光纤返回端包括光纤环绕端和紧邻该光纤环绕端的邻近端，通过控制所述光纤环绕端的固定弯曲半径与圈数，使光纤返回端产生半波片的效果。

作为进一步优选的，所述光纤返回端包括光纤环绕端和紧邻该光纤环绕端的邻近端，所述邻近端处设置有弯曲半径控制器，通过挤压器调整穿过所述弯曲半径控制器内邻近端处光纤的弯曲半径，使光纤返回端产生半波片的效果。弯曲半径控制器

作为进一步优选的，所述光源为超辐射发光二极管。

作为进一步优选的，各光纤环单元的光纤返回端间的距离小于1mm。

作为进一步优选的，所述非闭合传感光纤环由1～1000个光纤环单元组成。

按照本发明的另一个方面，提出了一种电流测量方法，采用上述非闭合光纤环电流传感装置进行测量，包括如下步骤：

S1将非闭合传感光纤环环绕在通电的被测电缆上，该非闭合传感光纤环对该被测电缆呈非闭合包围环状；

S2光源出射的光束经起偏器得到线偏振光，该线偏振光经光纤环形器进入非闭合传感光纤环，并在被测电缆中电流产生的磁场作用下产生法拉第旋转角；该线偏振光在传播到光纤返回端时，由于光纤返回端的半波片作用，其由光纤返回端绕回后的偏振方向保持不变，线偏振光正反向通过非闭合传感光纤环所产生的法拉第旋转角将同向叠加；

S3线偏振光由非闭合传感光纤环出射后，入射到法拉第反射镜，并在法拉第反射镜作用下偏振方向旋转90度后，沿原路返回到非闭合传感光纤环，然后重复步骤S2中线偏振光在非闭合传感光纤环中的传感过程，再经光纤环形器及45度熔接后进入偏振分束器，经偏振分束器作用后分解为两束正交的线偏振光，最后此两束正交线偏振光入射到光电探测器中转换为电信号输出，根据该电信号即可得到被测电缆中的电流，完成电流测量。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过光纤本身返回端弯曲来产生光纤半波片，进而实现非闭合结构的光纤电流传感，可以在不断电断缆的情况下分离光纤电流传感器与被测电缆，降低了现有光纤电流传感器安装、调试、维护的难度，拓展了其应用范围，有利于光纤电流传感器的工程化研制和实际应用。

2.本发明在光纤环绕端旁的设置弯曲半径控制器，使通过控制器内部的光纤的多个弯曲段的弯曲半径可调，使其适用范围更广，特别适合于在实验中调节非闭合传感光纤环的双折射大小。

附图说明

图1为本发明实施例固定式非闭合光纤环电流传感装置结构示意图；

图2为本发明实施例可调式非闭合光纤环电流传感装置结构示意图；

图3为本发明实施例固定式非闭合传感光纤环中一个光纤环单元结构示意图；

图4为本发明实施例可调式非闭合传感光纤环中一个光纤环单元结构示意图；

图5为本发明实施例固定式非闭合传感光纤环结构示意图；

图6为本发明实施例可调式非闭合传感光纤环结构示意图。

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。

本发明实施例提供的一种非闭合光纤环电流传感装置，如图1和图2所示，包括光源、起偏器、光纤环形器、非闭合传感光纤环、法拉第反射镜、偏振分束器(PBS)、光电探测器(PD)，其中：

所述光源、起偏器、光纤环形器依次设置，所述光源发出的光经起偏器起偏后通过光纤环形器入射到所述非闭合传感光纤环中；所述非闭合传感光纤环的入射接头与所述光纤环形器相连，出射接头与所述法拉第反射镜相连；所述偏振分束器与所述光纤环形器相连，所述光电探测器用于获取经所述偏振分束器分束后的光并转化为电信号。

具体的，所述非闭合传感光纤环由多个光纤环单元组成，其中每个光纤环单元由同一根光纤绕电缆正反向来回绕制形成，同时使光纤返回端通过弯曲应力双折射产生半波片的效果，该光纤返回端分为光纤环绕端R(即光纤绕制时的回转处)和该光纤环绕端R旁的邻近端；所述光纤环单元整体对被测电缆呈非闭合包围；

更具体的，如图5所示，为固定式非闭合传感光纤环，其中每个光纤环单元如图3所示，在掌握光纤弯曲双折射的情况下，该固定式非闭合传感光纤环的光纤环绕端R光纤自身弯曲，通过控制光纤环绕端R的固定弯曲半径与圈数进而控制光纤弯曲的弹光效应，引入适当的线性双折射而产生半波片的效果；

如图6所示，为可调式非闭合传感光纤环，其中每个光纤环单元如图4所示，其在紧邻光纤环绕端R的邻近端处设置有弯曲半径控制器，通过挤压器调整穿过所述弯曲半径控制器内邻近端处光纤多个弯曲段r的弯曲半径；由于光纤弯曲产生的应力会通过弹光效应而引入线性双折射，通过调节弯曲半径控制器的挤压量，可以使得引入的线性双折射沿光纤主轴两个方向上相位差为180度，产生半波片的效果，使得通过后的线偏振光的偏振方向关于其中一个主轴镜像，从而抵消光纤环绕端的镜像，实现前后两个逆向传播的偏振光的法拉第效应同向叠加，其适用于在实验中调节非闭合传感光纤环的双折射大小。

进一步的，所述光源为超辐射发光二极管(SLD)，其由紧凑型激光二极管、温度控制器以及USB接口构成。

进一步的，所述非闭合传感光纤环由1～1000个光纤环单元组成；各光纤环单元的光纤返回端间距离小于1mm。

采用上述非闭合光纤环电流传感装置进行电流测量，包括如下步骤：

S1将非闭合传感光纤环环绕在通电的被测电缆上，该非闭合传感光纤环对该被测电缆呈非闭合包围环状；

S2光源出射的超辐射光经起偏器得到线偏振光，该线偏振光经光纤环形器进入非闭合传感光纤环，并在被测电缆中电流产生的磁场作用下产生法拉第旋转角；该线偏振光在传播到光纤返回端时，由于光纤弯曲的弹光效应引入适当的线性双折射而产生半波片的效果，半波片的偏振方向镜像作用与光纤环端部的回转镜像作用相抵消，使得从光纤返回端绕回后光的偏振方向保持不变，避免了偏振方向跳动，从而在该光纤环中传播方向相反的偏振光产生的法拉第旋转角将同向叠加，而不会抵消，光在非闭合传感光纤环中不断来回传播，光的偏振方向将保持连续的增加，从而实现光纤电流传感量的不断叠加；

S3线偏振光由非闭合传感光纤环出射后，入射到法拉第反射镜，并在法拉第反射镜作用下偏振方向旋转90度后，沿原路返回到非闭合传感光纤环，然后重复步骤S2中线偏振光在非闭合传感光纤环中的传感过程，再经光纤环形器及45度熔接后进入偏振分束器，经偏振分束器作用后分解为两束正交的线偏振光，最后此两束正交线偏振光入射到差动光电探测器中转换为电信号输出，根据该电信号即可得到被测电缆中的电流，完成电流测量。

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 (7)

1.一种非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，包括光源、起偏器、光纤环形器、非闭合传感光纤环、法拉第反射镜、偏振分束器、光电探测器，其中：

所述光源、起偏器、光纤环形器依次设置，所述光源发出的光经起偏器起偏后得到线偏振光，该线偏振光通过光纤环形器入射到所述非闭合传感光纤环中；

所述非闭合传感光纤环的入射接头与所述光纤环形器相连，出射接头与所述法拉第反射镜相连；所述非闭合传感光纤环由多个光纤环单元组成，其中每个光纤环单元由同一根光纤绕被测电缆正反向来回绕制形成，同时使光纤返回端通过弯曲应力双折射产生半波片的效果；所述光纤环单元整体对被测电缆呈非闭合包围；

线偏振光进入非闭合传感光纤环后，在被测电缆中电流产生的磁场作用下产生法拉第旋转角，且该线偏振光在传播到光纤返回端时，由于光纤返回端的半波片作用，其由光纤返回端绕回后的偏振方向保持不变，线偏振光正反向通过非闭合传感光纤环所产生的法拉第旋转角将同向叠加；

所述偏振分束器与所述光纤环形器相连，所述光电探测器用于获取经所述偏振分束器分束后的光并转化为电信号。

2.如权利要求1所述的非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，所述光纤返回端包括光纤环绕端和紧邻该光纤环绕端的邻近端，通过控制所述光纤环绕端的固定弯曲半径与圈数，使光纤返回端产生半波片的效果。

3.如权利要求1所述的非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，所述光纤返回端包括光纤环绕端和紧邻该光纤环绕端的邻近端，所述邻近端处设置有弯曲半径控制器，通过挤压器调整穿过所述弯曲半径控制器内邻近端处光纤的弯曲半径，使光纤返回端产生半波片的效果。

4.如权利要求1所述的非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，所述光源为超辐射发光二极管。

5.如权利要求1所述的非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，各光纤环单元的光纤返回端间的距离小于1mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的非闭合光纤环电流传感装置，其特征在于，所述非闭合传感光纤环由1～1000个光纤环单元组成。

7.一种电流测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的非闭合光纤环电流传感装置进行测量，包括如下步骤：

S1将非闭合传感光纤环环绕在通电的被测电缆上，该非闭合传感光纤环对该被测电缆呈非闭合包围环状；

S2光源出射的光束经起偏器得到线偏振光，该线偏振光经光纤环形器进入非闭合传感光纤环，并在被测电缆中电流产生的磁场作用下产生法拉第旋转角；该线偏振光在传播到光纤返回端时，由于光纤返回端的半波片作用，其由光纤返回端绕回后的偏振方向保持不变，线偏振光正反向通过非闭合传感光纤环所产生的法拉第旋转角将同向叠加；

S3线偏振光由非闭合传感光纤环出射后，入射到法拉第反射镜，并在法拉第反射镜作用下偏振方向旋转90度后，沿原路返回到非闭合传感光纤环，然后重复步骤S2中线偏振光在非闭合传感光纤环中的传感过程，再经光纤环形器及45度熔接后进入偏振分束器，经偏振分束器作用后分解为两束正交的线偏振光，最后此两束正交线偏振光入射到光电探测器中转换为电信号输出，根据该电信号即可得到被测电缆中的电流，完成电流测量。

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