CN202471800U - 光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器，包括绕制在待测电流上的第一电流传感光路以及绕制在待测电流上并与第一电流传感光路绕制方向相反的第二电流传感光路。本实用新型提供了一种灵敏度高、精度高、可消除Sagnac效应因而对振动不敏感、采用双光路感应因而对温度不敏感的光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器。

Description

光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种传感器，尤其涉及一种光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器。 

背景技术

电流是电力系统的基本参数之一，对电流的测量是其基本并且非常重要的任务，根据测量的结果，可以为电力系统提供用于计量、控制和继电保护等所必需的信息，因此对测量工具有很高的要求。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高，传统的电磁式电流测量设备已经越来越不能满足要求。 

光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，自七十年代问世以来，受到了各国的广泛关注。光纤电流传感器是基于Faraday效应来检测电流大小的光学传感器件。Faraday效应是指线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转的现象。目前，光纤电流传感器的研究方向主要有两个：Sagnac干涉型光纤电流传感器和反射式光纤电流传感器。由于外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，Sagnac干涉型光纤电流传感器就是利用两束传播方向相反、旋向相同的圆偏振光在传播一段距离后产生的相位差，实现对电流的测量。反射式光纤电流传感器是利用两束传播方向相同、旋向相反的圆偏振光沿磁场传播一段距离，经镜面反射，原路返回后引起的相位差实现对电流的测量。限制光纤电流传感器实用化的主要问题是：因振动或转动引起的Sagnac相位误差，光纤中残留的线性双折射在温度变化时引起的相位误差等。 

Sagnac干涉型光纤电流传感器的缺点： 

Sagnac干涉型光纤电流传感器采用Sagnac环形结构，虽然提高了灵敏度，但很容易受Sagnac效应的影响，从而引起测量误差、降低系统的稳定性。Sagnac效应是指，当光束在一个环形通道中前进时，如果这个环形通道是转动的，沿 着通道转动的方向前进所需要的时间比沿着通道转动相反的方向前进所需要的时间多，两束光产生光程差，光程差大小与环形通道转速成正比。因此，Sagnac干涉型光纤电流传感器是一种角传感器，对振动比较敏感。高压线路分布在室外，刮风和振动都会引起电流传感器传感部分振动，这样就会产生测量误差，从而影响到Sagnac式传感器的实用性。 

反射式光纤电流传感器的缺点： 

由于反射式光纤电流传感器利用两束正交模式的偏振光传输产生的相位差，因此对光路中传输光的偏振态有比较严格的要求。受现有光纤制备工艺限制以及光纤形变影响，光纤中存在附加线性双折射。由于光纤电流传感器工作在室外，外界条件（如温度）会随时发生变化，这样就会改变光纤中残余线性双折射的折射率大小，因此，两束正交偏振光正向与反向经过光纤后的光程不同，从而产生了一个相位差。这个相位误差与法拉第相移一起影响着探测器探测的输出光强，因此对测量结果造成误差，最终使计算得到的待测电流产生误差，传感器输出的零偏较大。同时需要采用双轴调制器进行相位调制，增加了系统的复杂性,稳定性受到削弱。并且在调制过程中会引起两正交模式的串扰，影响测量精度。 

因此，基于这些技术缺陷，目前这些电流传感器不能满足实际的需求，限制了其在工程上的广泛应用。 

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种灵敏度高、精度高、可消除Sagnac效应因而对振动不敏感、采用双光路感应因而对温度不敏感的光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器。 

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种光纤电流传感器线圈，包括绕制在待测电流上的第一电流传感光路，其特殊之处在于：所述光纤电流传感器线圈还包括绕制在待测电流上并与第一电流传感光路绕制方向相反的第二电流传感光路。 

上述第二电流传感光路包括第二四分之一波片、第二传感光纤以及第二反射镜；所述第二四分之一波片通过第二传感光纤接入第二反射镜；所述第二传 感光纤绕制在待测电流上。 

上述第一电流传感光路包括第一四分之一波片、第一传感光纤以及第一反射镜；所述第一四分之一波片通过第一传感光线接入第一反射镜；所述第一传感光纤绕制在待测电流上。 

上述第一传感光纤与第二传感光纤的绕制方向相反。 

一种光纤电流传感器，其特殊之处在于：所述光纤电流传感器包括激光光源、起偏器、光纤耦合器、光电探测器、相位调制器以及光纤电流传感器线圈；所述起偏器设置在激光光源的出射光路上；所述激光光源通过起偏器后与光电探测器通过光纤耦合器耦合后接入光纤电流传感器线圈；所述相位调制器设置在光纤耦合器和光纤电流传感器线圈之间的光路上。 

上述激光光源通过起偏器后与光电探测器通过光纤耦合器耦合后分为第一分支光路以及第二分支光路；所述第一分支光路和第二分支光路分别接入光纤电流传感器线圈；所述相位调制器设置在任一分支光路上。 

上述第一分支光路接入第一四分之一波片；所述第二分支光路接入第二四分之一波片。 

上述起偏器的主轴方向分别与第一四分之一波片以及第二四分之一波片的两轴夹角呈45°，所述起偏器的主轴方向与传感光纤的快或慢轴相重合。光纤电流传感器，包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜；其特殊之处在于：第一四分之一波片与第一传感光纤相连通，第二四分之一波片与第二传感光纤相连通；第一传感光纤与第二传感光纤与是同种光纤且长度相同；所述传感光纤的尾端都接有反射镜；所述传感光纤反向缠绕在待测电流上。 

本实用新型首先具有一般光纤电流传感器的优点： 

绝缘性能非常好，从材料来说：光纤电流传感器所用的材料主要是石英光纤，它自身就是非常好的绝缘体；光纤电流传感器的结构中不含有铁芯，因此不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，测量准确度得到了提高；抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性，这样它测量的准确度也能增大；光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生高压的危险，从而消 除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题；光纤电流传感器的体积小，重量轻。 

同时，本实用新型还具备一些独到的特点： 

1、可以减小温度对光纤电流传感器的影响，使光纤电流传感器对温度不敏感，提高零偏稳定性。由于光纤在制备过程中会存在残余的线性双折射，外界温度变化会引起线圈双折射折射率的改变，从而改变传播光波的光程。采用两束线偏振光经两路光纤感应电流产生的磁场变化，由于在测量光路中，由于采用两路旋向相同、传播方向相反的偏振光往返通过感应区，温度变化引起的两光路光程变化相同，也即相位改变量相同，因此相位改变是互易性的。而法拉第相移是非互易性的，因此，当两束光返回干涉时，温度变化引起的相位变化因相同会相互抵消，而法拉第相移因符号相反而加倍。这样，提高了光纤电流传感器的温度稳定性，减小了系统的零偏值，提高了系统的测量精度，具有一定的实用性。 

2、对振动和转动不敏感，实用性强。本实用新型的光纤电流传感器在传感部分振动时，输出不会受到影响。因为本实用新型中的传感光纤尾部有反射镜，当发生振动或转动时，在到达反射镜前，光波在传感光纤中因Sagnac效应而光程变长，经反射镜反射后，光波原路返回，则在传感光纤中因Sagnac效应而光程变短，由于正反向光波在同一根光纤中传播，Sagnac效应恰好完全抵消。但由于电流产生的法拉第效应引起的相移是非互易性的，因此不会抵消。这样，第一传感光纤7与第二传感光纤9的两束光波在相遇时产生的相位差只与电流大小有关。 

3、采用单轴调制，系统简单，不存在模式串扰误差。本实用新型使用两束旋向相同的圆偏振光相向传播，因此不存在两正交模式的模式串扰，并且采用单轴调制相位即可，提高了系统的稳定性和精确性。 

附图说明

图1是本实用新型所采用线圈部分的结构示意图； 

图2是本实用新型所提供的光纤电流传感器的整体结构示意图； 

其中： 

1-光源、2-起偏器、3-耦合器、4-调制器、5-第一四分之一波片、6-第二四分之一波片、7-第一传感光纤、8-第一反射镜、9-第二传感光纤、10-第二反射镜、11-待测电流、12-探测器。 

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供了一种光纤电流传感器线圈，包括绕制在待测电流上的第一电流传感光路，该光纤电流传感器还包括绕制在待测电流上并与第一电流传感光路绕制方向相反的第二电流传感光路。 

第二电流传感光路包括第二四分之一波片6、第二传感光纤9以及第二反射镜10；第二四分之一波片6通过第二传感光纤9接入第二反射镜10；第二传感光纤9绕制在待测电流11上。第一电流传感光路包括第一四分之一波片5、第一传感光纤7以及第一反射镜8；第一四分之一波片5通过第一传感光纤7接入第一反射镜8；第一传感光纤7绕制在待测电流11上。第一传感光纤7与第二传感光纤9的绕制方向相反。 

第一四分之一波片5与第一传感光纤7相连通，第二四分之一波片6与第二传感光纤9相连通；所述传感光纤的尾端都接有反射镜；所述第一传感光纤7与第二传感光纤9为同种光纤且长度相同；所述传感光纤反向螺旋缠绕在待测电流11上。从光源发出的光波经起偏器后变为线偏振光，通过耦合器3分为两条光路，上光路接入相位调制器4后与第一四分之一波片5相连，进入第一传感光纤7；下光路直接与第二四分之一波片6相连，进入第二传感光纤9。线偏振器方向与两个四分之一波片主轴夹角同为45°，且与传感光纤中线性双折射的主轴平行，以保持偏振光在传感光纤中的偏振态。 

参见图2，本实用新型的光纤电流传感器中，光源发出的光波经起偏器后变为线偏振光，线偏振光经过耦合器3后分成两束，一束经过第一四分之一波片5的线偏振光被转换成右旋（左旋）圆偏振光，经过第一传感光纤7传输到第一反射镜8，发生反射后变成左旋（右旋）偏振光，再经过第一传感光纤7到达第一四分之一波片5，转换回线偏振光；另一束经过第二四分之一波片6的线偏振光同样被转换成右旋（左旋）圆偏振光，经过第二传感光纤9传输到第二反射镜10，发生反射后变成左旋（右旋）偏振光，再经过第二传感光纤9到达第二四分之一 波片6，转换回线偏振光；两束光波回到耦合器3处时相遇干涉，干涉光强由耦合器3进入探测器12（尤其是光电探测器）进行测量。这两束光波在第一次经过四分之一波片后旋向相同，只是在传感光纤中的传播方向相反。当导线中有电流时，由于安培环路定理，在通电导线附近产生了感生磁场。当光通过感生磁场作用的传感光纤时，会受到法拉第磁光效应。法拉第磁光效应的一种表现形式是沿磁场方向传播的圆偏振光的光速发生变化，圆偏振光光速的变化与圆偏光的旋向（左右）以及光传播方向（与磁场方向相同还是相反）有关。因此，当一束圆偏振光经过第一传感光纤7时速度发生改变，经过反射镜反射后，旋向发生变化，同时光传播方向（与磁场方向相同还是相反）也发生变化，所以这束圆偏振光仍然以这个速度传播。这样，这束圆偏振光返回到第一四分之一波片5时偏振面发生了旋转。同理，另一束圆偏振光经过第二传感光纤9时同样受到法拉第效应，经第二反射镜10返回到第二四分之一波片6时偏振面也发生了旋转。由于两束圆偏振光的旋向相同，传播方向相反，所以两束光的偏振面旋转的角度大小相等，方向相反。又由于两束光都经历了两次法拉第效应，因此当这两束光经过四分之一波片变为线偏振光干涉时，其相位差为4倍的法拉第相移：Φ_F＝4VHL＝2VLI/πr（L=缠绕在电流上的传感线圈1的长度=传感线圈2的长度）。由此可知，相位差与电流大小成正比，测出某一时刻的相位差就可以知道该时刻相应的电流大小。 

本实用新型的光纤电流传感器对温度不敏感。高压线路分布在室外，温度会随时发生变化，从而影响到传感器线圈部分的温度特性。受现有光纤制备工艺限制和外部形变影响，光纤中含有附加线性双折射，当温度发生改变时，线性双折射的折射率会发生变化，从而改变传输光波的光程。反射式光纤电流传感器由于采用两正交偏振光在一路光纤的传输相位差测量待测电流11，因此温度改变时，由于线性双折射的折射率随温度变化，造成两正交偏振光往返经过的光程不一样，从而产生因温度引起的相位误差。因温度变化造成的相位误差会湮没要测量的法拉第相移，从而使传感器灵敏度远远低于理论预期值。而本实用新型采用两束线偏振光偏振方向与感应光纤的主轴方向平行，经四分之一波片后变为旋向相同的圆偏振光，通过两路传感光纤反向经过感应区域。两路 传感光纤的尾端带有反射镜，因此两束线偏振光在传输过程中同时经历了左旋圆偏振、右旋圆偏振、x轴和y轴。这样，当温度发生变化时，两条光纤的线性双折射同时发生变化，引起光程的改变。由于两路偏振光的偏振态相同，所以因温度引起的光程变化相同，也就是说温度引起的相位变化相同，具有互易性。因此两束光在返回发生干涉时，温度引起的相位差会相互抵消，输出光强只与法拉第相移有关，测出干涉的相位差就可以测出相应的电流。因此，本实用新型光纤电流传感器消除了因温度变化引起的附加线性双折射带来的相位差，对温度变化不敏感。 

本实用新型的光纤电流传感器中的两束偏振光偏振态相同，在相位调制时使用单轴调制即可，降低的系统的复杂性。同时，使用两路相向传播的光波感应法拉第相移，不会存在两模式间的串扰，提高了系统的精度。 

这种光纤电流传感器，消除了Sagnac效应，因而对振动和转动不敏感，同时，又消除了因光纤附加线性双折射和温度变化带来的相位误差，简化了系统结构，提高了系统的稳定性和精确性，解决了光纤电流传感器的应用瓶颈，使光纤电流传感器具有了实用性。 

Claims (8)

1.一种光纤电流传感器线圈，包括绕制在待测电流上的第一电流传感光路，其特征在于：所述光纤电流传感器线圈还包括绕制在待测电流上并与第一电流传感光路绕制方向相反的第二电流传感光路。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第二电流传感光路包括第二四分之一波片、第二传感光纤以及第二反射镜；所述第二四分之一波片通过第二传感光纤接入第二反射镜；所述第二传感光纤绕制在待测电流上。

3.根据权利要求2所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一电流传感光路包括第一四分之一波片、第一传感光纤以及第一反射镜；所述第一四分之一波片通过第一传感光纤接入第一反射镜；所述第一传感光纤绕制在待测电流上。

4.根据权利要求3所述的光纤电流传感器线圈，其特征在于：所述第一传感光纤与第二传感光纤的绕制方向相反。

5.一种光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感器包括激光光源、起偏器、光纤耦合器、光电探测器、相位调制器以及权利要求1-4任一权利要求所述的光纤电流传感器线圈；所述起偏器设置在激光光源的出射光路上；所述激光光源通过起偏器后与光电探测器通过光纤耦合器耦合后接入光纤电流传感器线圈；所述相位调制器设置在光纤耦合器和光纤电流传感器线圈之间的光路上。

6.根据权利要求5所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述激光光源通过起偏器后与光电探测器通过光纤耦合器耦合后分为第一分支光路以及第二分支光路；所述第一分支光路和第二分支光路分别接入光纤电流传感器线圈；所述相位调制器设置在任一分支光路上。

7.根据权利要求6所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述第一分支光路接入第一四分之一波片；所述第二分支光路接入第二四分之一波片。

8.根据权利要求5或6或7所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述起偏器的主轴方向分别与第一四分之一波片以及第二四分之一波片的两轴夹角呈45 °，所述起偏器的主轴方向与传感光纤的快或慢轴相重合。 

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