CN201035057Y

CN201035057Y - 宽量程光纤电流传感器及其测量装置

Info

Publication number: CN201035057Y
Application number: CNU2007200845179U
Authority: CN
Inventors: 李传文; 刘�文; 周日凯; 刘翠青; 彭定敏; 范林涛
Original assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Current assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2017-04-30

Abstract

本实用新型公开了一种宽量程光纤电流传感器及其测量装置，涉及一种无源式光纤电流传感器。传感器(100)为一密封容器，包括温度传感头(110)、第1－5电流传感头(121－125)。电流测量装置包括传感器(100)、光纤(200)、耦合器(300)、光源(400)、监控光源探测器(500)、信号光强探测器(600)和光电处理系统(700)。本实用新型提高了测试灵敏度，各量程电流传感头可独立工作也可同时工作，提高测试精度和测试灵活性；传感头全密性玻璃化封装，提高了系统的绝缘性和可靠性；传感头中有一温度探头，提高了测试精度；适用于电力系统电流测量。

Description

宽量程光纤电流传感器及其测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种无源式光纤电流传感器，尤其涉及一种应用于电力系统电流测量的宽量程光纤电流传感器及其测量装置。

背景技术

光学电流传感器(Optical Current Transformer以下简称OCT)相比传统铁芯式互感器具有独特的优点：比如绝缘结构简单、耐腐蚀、重量轻、体积小、测量精度高、动态范围大、频率特性宽、不饱和，而且输出为数字量，有利于电力系统的数字化进程。因此，近年来对光学电流传感器的研究与开发与日剧增，形成有源式(即光功能方案)和无源式(即基于法拉第效应原理)两种主流方案。

基于法拉第效应的无源式光纤电流传感器目前也有几种方案：

1、全光纤型方案，参见美国专利：US 7,038,786，中国专利：03825967.2，此方案在理论上是所有方案中最优的，但由于光纤本身的双折射效应很难解决，工艺上比较复杂，所以出现了很多过渡型方案。

2、其中块状玻璃方案是国内做的比较好的一种，代表厂家是西安同维，见中国专利：98233179.7、200420019029.6；但此方案的缺点是：由于玻璃的费德尔常数很小，所以探测灵敏度较差；且块状玻璃对加工精度要求非常高，批量生产比较困难。

3、为了提高探测灵敏度，很多研究报道使用铁磁性或亚铁磁性材料(比如：YIG或掺各种稀土元素的YIG磁光材料等)做为传感头的磁光材料，见文章1、“Magneto-optical current sensing for applications in integrated powerelectronics modules”In：Sensors and Actuators A，Vol.109(2003)，S.9-16；2、“Faraday-effect optical current sensor with a garnet film ringcore in a transverse configuration In：Applied Optics”Vol.42(2003)，No.10，S.1769-1772，April 2003等，由于其费德尔常数比普通的石英玻璃材料要高3～4个数量级，所以灵敏度大大提高。但这些报道中，都只有一个探头，灵敏度具有局限性，而且铁磁性材料的费德尔常数由于随温度变化较敏感，所以需要对温度引起的变化进行补偿，而这方面的内容也很少有报道；虽然文章□NewDesign of Optical Electric-Current Sensor for Sensitivity Improvement，In：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Vol.49(2000)，No.2，S.418-423，2000□中为了提高灵敏度，利用全反射原理在磁光介质内进行多次反射，但此方案需要对入射角进行特殊控制，而且引起不确定的反射相移，所以虽然灵敏度提高了，但是测试精度有所下降。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种宽量程光纤电流传感器及其测量装置。本实用新型在提高测试灵敏度的前提下，不仅提高了测试的精度；而且校准、装配等灵活方便、性能可靠稳定。

本实用新型的目的是这样实现的：

1、宽量程光纤电流传感器(简称传感器)

如图1，传感器(100)为一密封容器，包括温度传感头(110)、第1-5量程电流传感头(121-125)、支架(130)、凹槽(140)、槽盖(150)；

在支架(130)上设置有凹槽(140)，在凹槽(140)内设置有温度传感头(110)、第1-5量程电流传感头(121-125)，在凹槽(140)上设置有适配的槽盖(150)；

1)温度传感头(110)

如图2，温度传感头(110)的结构为一种玻璃化封装结构，包括外玻璃套管(111)、内玻璃套管(112)、玻璃堵塞(113)、密封胶(114)和光学件(115)。

从外向内，依次为外玻璃套管(111)、内玻璃套管(112)、光学件(115)；左端头用密封胶(114)连接，另一端用玻璃堵塞(113)连接；

如图3，光学件(115)包括依次连接的光纤(1151)、光纤玻璃插针(1152)、准直透镜(1153)、感温薄片(1154)、反射件(1155)；其中反射件(1155)或是覆盖于感温薄片(1154)的高反射膜，或者是设置在感温薄片(1154)上的全反射镜。

工作原理为：利用半导体感温薄片(1154)的透射光强随被测温度而变化的原理，当光纤(1151)一端输入一恒定光强的光时，经玻璃插针(1152)、准直透镜(1153)，准直后直接照射到感温薄片(1154)上，遇到反射件(1155)的反射后，再次通过感温薄片(1154)后返回到探测器中。由于半导体感温薄片(1154)透射能力随温度变化，因此返回到探测器中的光强也随被测温度而改变，这样通过检测输出光强便可方便地实现对温度的探测。

2)量程电流传感头(120)

如图4，和温度传感头(110)相同，量程电流传感头(120)的结构也是一种玻璃化封装结构，包括外玻璃套管(121)、内玻璃套管(122)、玻璃堵塞(123)、密封胶(124)和光学件(125)。

从外向内，依次为外玻璃套管(121)、内玻璃套管(122)、光学件(125)；左端头用密封胶(124)连接，另一端用玻璃堵塞(123)连接；

如图5，光学件(125)由光纤(1251)、光纤玻璃插针(1252)、准直透镜(1253)、偏振分束器(1254)、反射式磁光材料(1255)以及反射件(1256)依次排列组成；

其中反射件(1256)或是覆盖于反射式磁光材料(1255)的高反射膜，或是设置在反射式磁光材料(1255)上的全反射镜。

其工作原理为：首先光经光纤(1251)、玻璃插针(1252)，然后经准直透镜(1253)准直，后经偏振分束器(1254)分成两束振动方向相互垂直的线偏振光，经反射式磁光材料(1255)后，又经反射件(1256)反射，反射光再依次经过反射式磁光材料(1255)、偏振分束器(1254)、准直透镜(1253)、玻璃插针(1252)、光纤(1251)，返回到信号光强探测器中。

反射式磁光材料(1255)采用法拉第磁光材料，根据法拉第磁光效应原理，即入射到磁光介质的线偏振光，在与光传播方向平行的外磁场作用下，其偏振面将发生旋转。所以光路中的反射光第二次通过偏振分束器(1254)时，由于光两次通过法拉第磁光材料，其偏振状态在磁场的作用下发生旋转，偏振面旋转角的变化转变为光强的变化，通过探测器检测输出光强便可方便地实现对电流的测量。

2、宽量程光纤电流测量装置(简称测量装置)

如图6，测量装置包括传感器(100)、光纤(200)、耦合器(300)、光源(400)、监控光源探测器(500)、信号光强探测器(600)和光电处理系统(700)；

光电处理系统(700)、光源(400)、耦合器(300)、传输光纤(200)、传感器(100)依次连接，使光源信号输入传感器(100)；

光源(400)、耦合器(300)、监控光源探测器(500)、光电处理系统(700)依次连接，实时监测光强强度值；

传感器(100)、传输光纤(200)、耦合器(300)、信号光强探测器(600)、光电处理系统(700)依次连接，测量传感器(100)信号光强变化值，从而计算得知测量传感器(100)的温度信息和电流信息。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、提出一种宽量程反射式结构的量程电流传感头，提高了测试灵敏度，各量程电流传感头可独立工作也可同时工作，提高测试精度和测试灵活性；

2、传感头全密性玻璃化封装，提高了系统的绝缘性和可靠性；

3、传感头中有一温度探头，提高了测试精度；

4、低压侧部分引入对光源光强的监测和校准功能，提高了测试精度。

附图说明

图1为传感器结构图；

图2为温度传感头结构图；

图3为温度传感头的光学件结构图；

图4为量程电流传感头结构图；

图5为量程电流传感头的光学件结构图；

图6为测量装置结构方框图；

图7为测量装置实施例之一结构图；

图8为测量装置实施例之二结构图；

图9为光电处理系统结构方框图；

图10为量程电流传感头的P-I曲线图。其中：

100-传感器，

110-温度传感头，

120-量程电流传感头，

121-125-第1-5量程电流传感头；

130-支架；

140-凹槽；

150-槽盖。

200-光纤。

300-耦合器。

400-光源。

500-监控光源探测器。

600-信号光强探测器。

700-光电处理系统。

800-电力母线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、测量装置实施例之一

如图7，在电力母线(800)的测量端口连接传感器(100)，传感器(100)的温度传感头(110)、第1-5量程电流传感头(121-125)分别对应第1-6光纤(210-260)、第1-6耦合器(310-360)、第1-6光源(410-460)、第1-6监控光源探测器(510-560)、第1-6信号光强探测器(610-660)。

现以第1量程电流传感头(121)为例说明本测量装置的工作过程：

第2光源(420)发出的光传输至第2耦合器(320)后，分配成两部分光，小部分光耦合进入第2监控光源探测器(520)中，经光电处理系统(700)对光源稳定性带来的测试误差进行实时监控和补偿，可以提高整个测量装置的测试精度；大部分光耦合进入到第1量程传感头(121)中，反射后，将携带被测电流信号的光沿原路返回，耦合到第2信号光强探测器(620)中，经光电处理系统(700)处理后，数字输出被测电流。由于传感器各个传感探头彼此独立，因此性能比较稳定。

2、测量装置实施例之二

如图8，与图7相比，本测量装置是多个传感头共用一个光源(400)，由耦合器分成1-6路光给各个传感头做信号光源。优点是：所用光源数目大大减少，非常适合性能稳定的高输出功率光源，如ASE或SLED等光源。

3、有关部件

1)传输光纤(200)、耦合器(300)、光源(400)、监控光源探测器(500)、信号光强探测器(600)均为标准件，有上市产品。

2)第1-5电流传感头(121-125)分别为10A量程传感头、100A量程传感头、1000A量程传感头、10000A量程传感头、100000A量程传感头。

3)感温薄片1154的材料或是GaAs，或是InP；

4)光电处理系统(700)；

光电处理系统(700)的结构及工作原理是：

CPU中央处理单元(705)发出光源驱动信号(701)给光源(400)；

第1光强信号探测器(610)的温度信号通过温度采样(702)将数据交给CPU中央处理单元(705)进行处理，对温度传感头(110)带来的测试误差进行补偿；

监控光源探测器(500)经光源前置放大器(703)放大，通过多路A/D模数转换(704)后经CPU中央处理单元(705)进行处理，对光源的稳定度带来的测试误差进行实时补偿和校准；

第2-6信号光强探测器(620-660)经光强前置放大器(706)放大，通过滤波(707)，分离出交流信号(708)和直流信号(709)，然后通过运算器(710)运算又经多路A/D模数转换(704)后，将信号交给CPU中央处理单元(705)处理，最后通过面板显示(713)，模拟输出(712)和数字输出(713)上报到合并单元。

4、量程电流传感头的P-I曲线

图9为三个量程电流传感头的P-I曲线，P表示光强，I表示电流。图中a为1000A量程电流传感头的P-I曲线、b为100A量程电流传感头的P-I曲线、c为10A量程电流传感头的P-I曲线。通过合理设计磁光材料，使不同量程电流传感头的电流调制灵敏度成10倍关系，并使在整个工作电流范围内，最大量程电流传感头的P-I曲线的曲线a为单调函数，即唯一强度值对应唯一的电流值，其它较小量程电流传感头的P-I曲线可为周期性变化，如图中曲线b和曲线c表示。这样，当相同的电流I’输入时，从曲线a对应的探头显示的功率值Pa可计算出电流I’的千位数值Ia，从曲线b对应的探头显示的功率值Pb可计算出电流I’的百位数值Ib，从曲线c对应的探头显示的功率值Pc可计算出电流I’的十位数和个位数Ic，当测量值假设Ia＝3、Ib＝2、Ic＝3时，则此时流过电力母线的电流计算式如下：I’＝1000×Ia+100×Ib+Ic＝3×1000+2×100+43＝3243，这样就可以用多个传感头得到宽电流范围的电流检测，并能达到计量用0.2或者0.2s高等级电力互感器的指标要求，而且也不需增加电路处理和数值处理系统的复杂性或其他特殊要求。

本实用新型实现需要注意如下几点：

1、选择好的磁光材料，这是此方案的关键所在。此磁光材料必须具有如下特性：高的费德尔常数；对通光波长有低的损耗；小磁滞；高的温度和波长依赖性等，磁光材料选择的好坏决定了此方案的极限测试精度。

2、采用反射式结构即磁光材料出射端面镀高反膜(或采用磁光材料+反射镜)，这样光两次通过磁光材料，灵敏度增倍，而且此种方案有确定的反射相移。

3、具有宽量程结构，通过控制磁光材料的厚度或选取费德尔常数不同的磁光材料来设计不同量程的电流传感头，因为法拉第旋转角与通光方向上磁光材料的厚度及其材料的费德尔常数成正比，因此大电流测试时可用薄材料或费德尔常数较低的磁光材料制作的大量程电流传感头，小电流测试时用厚材料或费德尔常数较高的磁光材料制作的小量程电流传感头，提高了用户对测试的灵活性，在一定程度上降低了材料成本；而且不同量程的电流传感头通过算法计算，可提高测试精度。

4、至少包括一温度传感头，因为即使选择性能非常好的磁光材料，但其费德尔常数随温度也有一定的变化，如果在宽温度范围(-40～85℃)内工作，测试精度会下降。至少加一温度传感头，实时监测环境的温度，在算法上对温度引起的测试误差进行补偿，提高了系统的测试精度。

5、传感头采用全密性玻璃化封装，保证了传感头的绝缘性和可靠性。

6、在低压侧部分，引入2x2耦合器，这样利用单根光纤，既实现了对光源光强的监测和校准功能，提高了系统的测试精度；同时又实现了对携带待测电流信号的光强的探测功能。测试结果数字输出，有利于电力系统的数字化进程。

Claims

1.一种宽量程光纤电流传感器，其特征在于：

传感器(100)为一密封容器，包括温度传感头(110)、第1-5电流传感头(121-125)、支架(130)、凹槽(140)、槽盖(150)；

在支架(130)上设置有凹槽(140)，在凹槽(140)内设置有温度传感头(110)、第1-5电流传感头(121-125)，在凹槽(140)上设置有适配的槽盖(150)；

温度传感头(110)的结构是：从外向内，依次为外玻璃套管(111)、内玻璃套管(112)、光学件(115)；左端头用密封胶(114)连接，另一端用玻璃堵塞(113)连接；光学件(115)包括依次连接的光纤(1151)、光纤玻璃插针(1152)、准直透镜(1153)、感温薄片(1154)、反射件(1155)；其中反射件(1155)或是覆盖于感温薄片(1154)的高反射膜，或者是设置在感温薄片(1154)上的全反射镜；

量程电流传感头(120)的结构是：从外向内，依次为外玻璃套管(121)、内外玻璃套管(122)、光学件(125)；左端头用密封胶(124)连接，另一端用玻璃堵塞(123)连接；光学件(125)由光纤(1251)、光纤玻璃插针(1252)、准直透镜(1253)、偏振分束器(1254)、反射式磁光材料(1255)以及反射件(1256)依次排列组成；其中反射件(1256)或是覆盖于反射式磁光材料(1255)的高反射膜，或是设置在反射式磁光材料(1255)上的全反射镜。

2.按权利要求1所述的一种宽量程光纤电流传感器，其特征在于：

第1-5电流传感头(121-125)分别为10A量程传感头、100A量程传感头、1000A量程传感头、10000A量程传感头、100000A量程传感头。

3.按权利要求1所述的一种宽量程光纤电流传感器，其特征在于：

感温薄片1154的材料或是GaAs，或是InP。

4.一种宽量程光纤电流测量装置，其特征在于：

包括传感器(100)、光纤(200)、耦合器(300)、光源(400)、监控光源探测器(500)、信号光强探测器(600)和光电处理系统(700)；

光电处理系统(700)、光源(400)、耦合器(300)、光纤(200)、传感器(100)依次连接，使光源信号输入传感器(100)；

5.按权利要求4所述的一种宽量程光纤电流测量装置，其特征在于：

在电力母线(800)的测量端口连接传感器(100)，传感器(100)的温度传感头(110)、第1-5量程电流传感头(121-125)分别对应第1-6光纤(210-260)、第1-6耦合器(310-360)、第1-6光源(410-460)、第1-6光源探测器(510-560)、第1-6光强探测器(610-660)。

6.按权利要求4所述的一种宽量程光纤电流测量装置，其特征在于：

多个传感头共用一个光源(400)，由耦合器分成1-6路光给各个传感头做信号光源。

7.按权利要求4所述的一种宽量程光纤电流测量装置，其特征在于光电处理系统(700)的结构是：

CPU中央处理单元(705)发出光源驱动信号(701)给光源(400)；