CN204964600U - 一种光纤电流互感器光学结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤电流互感器光学结构，包括光源和MIOC调制器以及第一和第二保偏光纤分束器，所述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连，第一保偏光纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器相连，探测器连接信号处理单元；MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相连接，第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连，保偏光纤依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。本实用新型克服了采用传统保偏光纤耦合器存在的问题，且光路组装工艺简单，系统可靠性高。

Description

一种光纤电流互感器光学结构

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别是一种光纤电流互感器光学结构。

背景技术

基于法拉第效应的全光纤电流互感器因其原理优势，被公认为是传统电磁感应式电流互感器的替代品。与传统的电磁式互感器相比，光纤电流互感器具有如下优势：

安全优势：绝缘结构简单，绿色环保、无爆炸、无油气、无SF6、无二次开路危险；

成本优势：220kV以上时，采用光纤，大幅降低绝缘成本；

性能优势：体积小，重量轻；动态范围大，可测交流/直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强，适合数字化输出；

适应国家智能电网发展规划要求。

目前常用的2种光纤电流互感器光路结构方案：

1.采用集成光学多功能调制器MIOC为核心的Sagnac干涉型光学结构，其基于Sagnac干涉仪的光纤陀螺工作原理，理论成熟，但是其光学结构插入损耗大，温度、振动等环境因素会影响系统性能。

2.采用相位调制器作为偏振方向旋转开关的光学结构，其光学结构插入损耗小，温度、振动等环境因素基本不影响系统性能，但是其是基于相位调制器作为的偏振方向旋转开关的工作原理为理论基础的工作机理，尚不能被广泛理解。因此，目前采用本方案光路结构的机构虽然很多，但是系统性能仍然不如采用MIOC调制器的系统性能。

对于基于采用MIOC调制器方案的电流互感器，由于同时采用传统光纤耦合器的系统插入损耗仍然相对较大，可达>20dB以上，因此有采用光纤环形器替代与光源连接的传统光纤耦合器，也有同时采用偏振分/合束器，代替与MIOC连接的传统光纤耦合器的方案。参见如下电流互感器专利：

No.	申请号	专利名称
			1	201520015690.8	光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置
2	201510013060.1	光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置及方法
			3	201420422126.3	一种抑制光纤电流互感器全温漂移的光学系统
4	201420205218.6	一种改进型全光纤电流互感器
			5	201320825863.3	一种干涉环式全光纤电流互感器
6	201320439007.4	反射式全光纤电流互感器
			7	201220711771.8	一种传感光纤环以及反射式全光纤电流互感器
8	201220711818.0	一种传感光纤线圈以及抗振型全光纤电流互感器

这些结构的优点：采用光纤环形器可以降低系统插入损耗5～6dB，采用偏振分/合束器也可以降低系统插入损耗5～6dB，此外，还可以优化MIOC的检偏功能3dB，二者组合可以降低系统插入损耗13～15dB，从而提高输出光功率20～30倍。理论上，根据最小测量电流与光功率的平方根成正比，这种方案可以提高最小测量电流精度～5倍。

然而，光纤电流互感器传感系统必须符合以下要求：

1.光源必须是宽带光源；2.系统需要保偏光纤仪保持光波的偏振特性；3.系统传输的光功率必须稳定；4.组装工艺需要适应批量化的规模生产。

因此，采用上述2种方案的光纤电流互感器存在不可克服的弱点：

1.光纤环形器存在弱点：由于工作机理限制，存在较大的波长相关损耗(WDL)，偏振相关损耗(PDL)，温度相关损耗(TDL)，以及各种损耗交叉影响，反而会大幅度降低系统的其他性能，如系统的线性以及系统的测量误差，所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦合器，而不采用光纤环形器；

2.偏振分/合束器存在弱点：工作机理：基于光波在双折射晶体中传播，偏离光轴方向传播，o光和e光走离，从而实现2偏振光束分开；或者采用格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜，偏振分束棱镜等实现2偏振光束分开。由于体积限制，商业的偏振分束器大多采用双折射晶体方案，由于光波传播限制，2偏振态光束在空间分离部分仍然有部分重叠，从而大幅降低性能，特别是用于模拟的光纤传感系统。此外，理论方面，光路不能满足Sagnac效应在物理学观念上的互易原则，从而会降低温度、振动相关的性能；所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦合器，也不采用光纤偏振分/合束器；

与光纤环形器、偏振分/合束器相比，采用传统的光纤耦合器，包括保偏光纤耦合器，能够获得相对较好的WDL，PDL，TDL，以及满足Sagnac效应物理学客观规律的互易性，所以是传统方案的最佳选择。

然而，传统方案所制作的保偏光纤耦合器也具有各种不可克服的弱点。由于必须采用匹配型保偏光纤，与常规的保偏光纤应力区域不兼容，保偏光纤熔接机几乎不能正确识别匹配型保偏光纤的应力轴，无论0度对准熔接，还是90度对准熔接，均会大幅度增加光路熔接的复杂程度，降低系统性能。除此之外，还具有普通单模耦合器具有的各种弱点，如与专利的保偏光纤分束器相比，具有较差的波长相关损耗WDL，温度相关损耗TDL，很差的偏振相关损耗PDL，以及较差的长期可靠性等。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足,本实用新型提供了一种光纤电流互感器光学结构，解决了现有保偏光纤耦合器存在的必须采用匹配型保偏光纤，光路熔接复杂程度高及长期可靠性差等问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种光纤电流互感器光学结构，包括光源和MIOC调制器，其特征在于，还包括第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器，所述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连，第一保偏光纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器相连，探测器连接信号处理单元；MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相连接，第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连，保偏光纤依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。

优选的，所述第一保偏光纤分束器及第二保偏光纤分束器的应力轴均为0度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤0度熔接，下分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输出尾纤90度熔接。

优选的，所述第一保偏光纤分束器的应力轴为0度对准，第二保偏光纤分束器的应力轴为90度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤0度熔接。

本实用新型的积极效果：

1.克服了采用传统保偏光纤耦合器存在的具有较大偏振相关损耗PDL的弱点，可以提高系统的最小测量电流精度(3～5倍)；

2.克服了采用传统光纤耦合器存在的波长相关损耗WDL、温度相关损耗TDL的弱点，由于该光学结构基于Sagnac效应的光纤陀螺的机理，基于光纤陀螺理论，可以提高系统测量的线性到十万分之一(<10ppm)；采用传统的耦合器的方案，一般大于100ppm；

3.此外，第2个保偏光纤分束器巧妙地解决了偏振合束问题，而采用传统的保偏光纤耦合器，会引入较大的偏振相关损耗，劣化系统的性能。采用偏振分束器，不能满足系统的互易原则。

4.光路组装工艺简单，保偏光纤熔接机几乎不能识别用于保偏光纤耦合器的匹配型保偏光纤，使得光路熔接失败，保偏光纤分束器的光纤类型与光源、调制器相同，不会存在这种问题；

5.大幅提高系统可靠性，包括器件可靠性，以及光路熔接的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型所述保偏光纤分束器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明。

实施例1

参照图1和图3，本实用新型优选实施例1提供一种光纤电流互感器光学结构，包括光源和MIOC调制器2，其特征在于，还包括第一保偏光纤分束器1和第二保偏光纤分束器3，所述光源与第一保偏光纤分束器1的下输入尾纤相连，第一保偏光纤分束器1的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器2和探测器相连，探测器连接信号处理单元；MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器3的下输入尾纤和下输出尾纤相连接，第二保偏光纤分束器3的上输出尾纤与保偏光纤4相连，保偏光纤4依次连接有1/4λ波片、传感光纤5及反射镜6。

其中所述第一保偏光纤分束器1及第二保偏光纤分束器3的应力轴均为0度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器3的下输入尾纤0度熔接，下分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器3的下输出尾纤90度熔接。

优选的，所述保偏光纤分束器的结构如图3所示，包括设置在中间位置的两端开口的粗玻璃管9，粗玻璃管9内左右两侧分别设置有透镜12，粗玻璃管9左右两端通过胶分别固定连接有细玻璃管10，细玻璃管10内通过胶固定套接有玻璃毛细管11，所述玻璃毛细管11轴向中心处设有光纤固定孔；左右两侧的光纤固定孔内分别用胶固定有定好轴的双光纤尾纤13，其中双光纤尾纤13的应力轴对准角度可以根据实际情况选择任意角度，左右两端的双光纤尾纤的定轴方式可以相同也可以不同。

本实施例的光学结构，光源发出的光经过第一保偏光纤分束器后，经Y分支波导调制器起偏、分束后变成平行的两个线偏振光；上分支的线偏振光与保偏光纤分束器0°熔接，下分支的线偏振光与保偏光纤分束器90°熔接；两偏振光波经过第二保偏光纤分束器后，变成一对正交模式合束；而后经过传送光纤进入到λ/4波片之后，分别变成左旋和右旋圆偏振光；进入传感光纤中，由于法拉第效应，通电导体产生的磁场引起光波偏振面的旋转，经反射镜反射之后，左旋变成右旋，右旋变成左旋，并再次返回传感光纤，法拉第效应引起偏转面旋转同向翻倍；再次经过λ/4波片，圆偏振光转换为线偏振光，同时将法拉第效应引起的偏振旋转，转变为两正交线偏振光的固有相位差；而后经过第二保偏分束器的分束，下分支的线偏振光再次经过90°焊点导致偏振面的变换为相同方向偏振光；再次经过MIOC调制器的起偏作用，变成两束带有相移信息的线偏振光在Y分支波导合束处光产生干涉，由探测器进行光电转换，由信号处理后得到相移量的大小，最终解调出对应的待测电流值。

实施例2

参照图2，本实用新型优选实施例2提供一种光纤电流互感器光学结构，与实施例不同的是，本实施例的第一保偏光纤分束器1的应力轴为0度对准，第二保偏光纤分束器8的应力轴为90度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器8的下输入尾纤和下输出尾纤0度熔接。

本实施例与实施例1的差异在于90度对准在保偏光纤分束器内部进行，光纤熔接仅采用0°对准方式，提高对准精度，从而提高系统性能，同时简化了操作工艺。

以上所述的仅为本实用新型的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤电流互感器光学结构，包括光源和MIOC调制器，其特征在于：还包括第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器，所述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连，第一保偏光纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器相连，探测器连接信号处理单元；MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相连接，第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连，保偏光纤依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。

2.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器光学结构，其特征在于：所述第一保偏光纤分束器及第二保偏光纤分束器的应力轴均为0度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤0度熔接，下分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输出尾纤90度熔接。

3.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器光学结构，其特征在于：所述第一保偏光纤分束器的应力轴为0度对准，第二保偏光纤分束器的应力轴为90度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤0度熔接。