CN113252961A - 抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，包括：线保偏光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、毛细玻璃管和保护胶管，其中，线保偏光纤、λ/4波片、传感光纤和反射镜依次熔接构成电流传感部分，保护胶管将传感光纤、毛细玻璃管和反射镜密封在管内构成柔性传感环。测量时，将柔性传感环环绕在待测电流源周围；利用激光器射出线偏振光经线保偏光纤入射，经过λ/4波片转化为两束旋向相反的圆偏振光；经过传感光纤将其传播至反射镜进行反射，再经过λ/4波片转化为新线偏振光，经数据处理即可得到待测电流源的信息。该传感头有效抑制线性双折射对电流互感器精确度的影响，且能够更安全、更便捷、更精准的进行大电流现场测量。

Description

抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头

技术领域

本发明涉及电流传感技术领域，特别涉及一种抑制双折射的全光纤电流互感器传感头。

背景技术

目前，大电流传感技术在工业生产、高压电网和高新技术研究等领域具有广泛应用，待测电流的等级通常高达几十至几百kA。与此同时，由于待测装置体积庞大、不易于拆装和运输，无法实现实验室的测量与校准，只适合在现场进行检测。

传统的大电流测量采用罗氏线圈法，但是由于测量环境复杂，易受电磁干扰，易受母线偏心影响导致测量精度较低，且只能测量交流，无法测量直流。光纤电流互感器是基于法拉第旋光效应的仪器，已经广泛应用于智能变电站和高压电网等大电流测量领域，由于其采用光纤作为传感材料，在体积、重量、绝缘性、耐腐性和抗电磁干扰等方面，与传统的电磁式互感器相比具有很大的优势，且可测交流、直流，利于集成、不存在二次开路和磁饱和等问题。

光纤电流互感器大多使用Sagnac反射式，系统的互易性较高，对振动等干扰有较强的抵抗能力，且仅测量法拉第旋光效应产生的非互易性相位差就可以得出电流信息，不仅有体积小、重量轻、易测量等优点，还可以利用安匝法实现不同电流等级的测量且精度较高。但是，截至目前光纤电流互感器还存在一些没有解决的问题，问题主要存在于测量精度和稳定性这两方面。归其根本，取决于传感头中的线性双折射。线性双折射会影响传感系统的互易性，产生与法拉第旋光效应无法区分的非互易性相位差，从而影响电流测量精度。因此，研究抑制双折射方法是提高光纤电流互感器测量精确度和长期稳定性的重要手段。现阶段，抑制线性双折射的方法有很多，例如，通过使用Spun fiber制成传感头，引入圆双折射，抑制线性双折射，但是，Spun fiber光纤在长期使用过程中，圆双折射有退化现象。通过在光纤骨架上螺旋缠绕单模光纤或低双折射光纤的方式制成传感头，测量电流较为精准，但是由于其螺旋结构的限制，需在现场完成传感光纤的缠绕，安装复杂，拆卸不便，不适用于大电流现场测量。因此，亟待设计一种可以实现安全、精准、在线检测的大电流测量仪器。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，该传感头提高了现场大电流测量的精度和工作效率。

为达到上述目的，本发明实施例提出了抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，包括：线保偏光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、毛细玻璃管和保护胶管，其中，所述λ/4波片的一端连接所述线保偏光纤，另一端连接所述传感光纤，所述传感光纤穿在所述毛细玻璃管内，所述传感光纤的末端连接所述反射镜，所述保护胶管将所述传感光纤、所述毛细玻璃管和所述反射镜密封在胶管内部构成柔性传感环。

本发明实施例的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，解决了现有技术中直接将光纤螺旋缠绕在光纤骨架上制备传感头所存在的技术问题，不仅通过传感头结构的优化，有效抑制了线性双折射对电流互感器精确度的影响，还解决了目前安全、便捷、精准测量大电流的问题。

另外，根据本发明上述实施例的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述λ/4波片采用椭圆芯光纤，当光源的中心波长为1310nm时，所述椭圆芯光纤的拍长为20mm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述传感光纤为低双折射光纤。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述反射镜采用传感光纤端面镀反射膜的方法制备，反射膜为非金属化合物的介质膜。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述线保偏光纤、所述λ/4波片、所述传感光纤、所述反光镜之间皆采用光纤熔接的连接方式，其中，所述λ/4波片与所述线保偏光纤之间为45°熔接，所述λ/4波片与所述传感光纤为0°熔接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述毛细玻璃管为螺旋式结构，其内径大于所述传感光纤的外径，其热膨胀系数与所述传感光纤一致。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将所述传感光纤穿入所述毛细玻璃管后，需在两者间隙中灌注油介质。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述保护胶管的内径大于所述毛细玻璃管的直径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当进行电流测量时，将所述柔性传感环环绕在待测电流源周围；利用激光器射出一束线偏振光经所述线保偏光纤入射，经过所述λ/4波片后转化为两束旋向相反的圆偏振光；经过所述传感光纤将所述两束圆偏振光传播在所述反射镜处进行反射，再次经过所述λ/4波片转化为新线偏振光，处理所述新线偏振光得到所述待测电流源的电流信息。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当进行电流测量时，需要保证所述传感光纤末端的反光镜与所述λ/4波片重合，使所述柔性传感环形成闭环。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的柔性传感环截面示意图；

图3是本发明一个实施例的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头的工作原理示意图。

附图标记说明：

100-抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头、1-线保偏光纤、2-λ/4波片、3-传感光纤、4-反射镜、5-毛细玻璃管、6-保护胶管、7-油介质、8-柔性传感环和9-待测电流源。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头。

图1是本发明一个实施例的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头的结构示意图。

如图1所示，该传感头100包括：线保偏光纤1、λ/4波片2、传感光纤3、反射镜4、毛细玻璃管5和保护胶管6。

其中，λ/4波片2的一端连接线保偏光纤1，另一端连接传感光纤3，传感光纤3穿在毛细玻璃管5内，传感光纤3的末端连接反射镜4，保护胶管6将传感光纤3、毛细玻璃管5和反射镜4密封在胶管内部构成柔性传感环。

进一步地，λ/4波片2采用椭圆芯光纤，当光源的中心波长为1310nm时，椭圆芯光纤的拍长为20mm，通过使用此种光纤可降低波片切割制备的难度。

进一步地，传感光纤3为低双折射光纤。

进一步地，反射镜4采用传感光纤端面镀反射膜的方法制备，反射膜为非金属化合物的介质膜。需要说明的是，传统的反射镜大多数采用金属膜，例如银膜，光在经过金属膜反射时有一部分会被吸收，其反射率只能达到98％～99％，而本发明实施例中采用的介质膜在一定波长条件下反射率可以达到百分之百。

进一步地，线保偏光纤1、λ/4波片2、传感光纤3、反光镜4之间皆采用光纤熔接的连接方式，其中，λ/4波片2与线保偏光纤1之间为45°熔接，λ/4波片2与传感光纤3为0°熔接。

进一步地，毛细玻璃管5为螺旋式结构，其内径大于传感光纤的外径，其热膨胀系数与传感光纤一致，传感光纤3经毛细玻璃管5的约束会形成螺旋形；另外，如图2所示，将传感光纤3穿入毛细玻璃管5后，需在两者间隙中灌注油介质7。

需要说明的是，由于毛细玻璃管5与传感光纤3的热膨胀系数相同，因此可以减少温度变化引起的两者之间应力作用，提高了系统的温度稳定性。又因传感光纤3在毛细玻璃管5的约束下，空间上为螺旋式，从而引入了几何圆双折射，可以有效的抑制线性双折射对光纤电流互感器准确度的影响，避免了直接将光纤螺旋缠绕在骨架上引入的外界应力。

进一步地，如图2所示，保护胶管6的内径大于毛细玻璃管5的直径，保护胶管6将毛细玻璃管5、传感光纤3和反射镜4密封在胶管内部构成柔性传感环8，起到了良好的保护作用。

具体地，如图3所示，当进行电流测量时，将柔性传感环8环绕在待测电流源9周围；利用激光器射出一束线偏振光10经线保偏光纤1入射，经过λ/4波片2后转化为两束旋向相反的圆偏振光；经过传感光纤3将两束圆偏振光传播在反射镜4处进行反射，再次经过λ/4波片2转化为新线偏振光，处理新线偏振光得到待测电流源的电流信息。

需要说明的是，在电流测量时，柔性传感环8环绕的匝数可以依据待测电流源9进行设计，例如，若待测电流源的电流过小，则设定大匝数，以成匝数倍增大法拉第旋光效果，获得等效增大待测电流值，再根据等安匝法处理等效增大后的待测电流值，得到待测电流源9的实际电流信息，提高电流测量的准确度，本领域技术人员可依据待测电流源9进行设计；另外，测量时，还需要保证传感光纤末端的反光镜与λ/4波片重合，使柔性传感环形成闭环，提高电流测量的准确度。

根据本发明实施例提出的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，代替了现有技术中直接将光纤螺旋缠绕在光纤骨架上制备传感头的方案，通过传感头结构的优化，抑制了线性双折射对电流互感器精确度的影响；本发明实施例中的柔性传感环还可直接用于电流测量，在测量时，只需将柔性传感环环绕在待测电流周围，设定环绕匝数，将反射镜与λ/4波片起始端闭合即可；此传感头无需在现场进行螺旋缠绕，降低了安全隐患和安装拆卸的难度，适用于大电流、特殊恶劣环境等场合的电流测量。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，包括：线保偏光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、毛细玻璃管和保护胶管，其中，所述λ/4波片的一端连接所述线保偏光纤，另一端连接所述传感光纤，所述传感光纤穿在所述毛细玻璃管内，所述传感光纤的末端连接所述反射镜，所述保护胶管将所述传感光纤、所述毛细玻璃管和所述反射镜密封在胶管内部构成柔性传感环。

2.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述λ/4波片采用椭圆芯光纤，当光源的中心波长为1310nm时，所述椭圆芯光纤的拍长为20mm。

3.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述传感光纤为低双折射光纤。

4.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述反射镜采用传感光纤端面镀反射膜的方法制备，反射膜为非金属化合物的介质膜。

5.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述线保偏光纤、所述λ/4波片、所述传感光纤、所述反光镜之间皆采用光纤熔接的连接方式，其中，所述λ/4波片与所述线保偏光纤之间为45°熔接，所述λ/4波片与所述传感光纤为0°熔接。

6.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述毛细玻璃管为螺旋式结构，其内径大于所述传感光纤的外径，其热膨胀系数与所述传感光纤一致。

7.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，将所述传感光纤穿入所述毛细玻璃管后，需在两者间隙中灌注油介质。

8.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，所述保护胶管的内径大于所述毛细玻璃管的直径。

9.根据权利要求1所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，

当进行电流测量时，将所述柔性传感环环绕在待测电流源周围；

利用激光器射出一束线偏振光经所述线保偏光纤入射，经过所述λ/4波片后转化为两束旋向相反的圆偏振光；

经过所述传感光纤将所述两束圆偏振光传播在所述反射镜处进行反射，再次经过所述λ/4波片转化为新线偏振光，处理所述新线偏振光得到所述待测电流源的电流信息。

10.根据权利要求9所述的抑制线性双折射的全光纤电流互感器传感头，其特征在于，当进行电流测量时，需要保证所述传感光纤末端的反光镜与所述λ/4波片重合，使所述柔性传感环形成闭环。

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