CN207215897U - 一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，包括主件、光源感应头以及调节旋钮，所述主件的正面设有光源感应头，所述主件的顶部设有一调节旋钮，所述主件的背面设有信号输出端口；与传统电磁式电流互感器相比，结构简单、不存在铁磁共振和磁滞饱和的隐患，同时，频带宽、动态范围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性能好，系统抗电磁干扰能力强，测量精度不受外界杂散磁场的影响，制造成本低；同时体积小，重量轻，安装固定方便。除光纤部分需要安装在电气回路内，其余部分可以用光纤引出到其它位置，最远达到1.5米距离。

Description

一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器

技术领域

本实用新型属于光电传感技术领域，尤其涉及一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器。

背景技术

现有的大电流电流检测传感器产品，普遍采用电磁互感技术，存在以下缺点：1.绝缘结构复杂，造价呈指数增长，产品体积、重量庞大；2.铁心易发生饱和，二次输出严重畸变，造成保护误动；3.暂态测量精度差，对继电保护的可靠性和灵敏性不利；4.二次开路风险；5.大型设备上，如使用绝缘油，绝缘油存在突然失效可能导致的燃烧、爆炸等危险。

发明内容

本实用新型为解决公知技术存在的技术问题而提供一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器。

本实用新型为解决公知技术存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，包括主件、光源感应头以及调节旋钮，所述主件的正面设有起偏器，所述起偏器用于感应光纤、光纤内传输的偏振光受到电流产生的磁场作用发生相位变化，所述主件的顶部设有一调节旋钮，所述主件的背面设有信号输出端口，所述光源感应头内设有耦合器，所述耦合器一端通过起偏器与保偏延迟光纤连接，另一端与检测单元电连接，所述保偏延迟光纤的顶端通过多次弯曲构成传感光纤环，所述传感光纤环上对应安装有反光镜和1/4波片，所述检测单元内包括串接的光电转换电路和前放大电路，且所述检测单元的信号输出端通过A/D转换器与信号处理单元电连接，所述信号处理单元与上所述信号输出端口连接。

进一步的，所述信号处理单元通过导线与相位调制器电连接，且导线从上所述传感光纤环中部穿过，所述相位调制器串接于保偏延迟光纤上。

进一步的，所述1/4波片和起偏器的角度分别为45°。

进一步的，所述信号处理单元内包括DSP和FPGA。

进一步的，所述信号处理单元通过D/A转换器与导线连接。

本实用新型具有的优点和积极效果如下：

1.该装置基于法拉第磁光效应和安培环路定理的新型光纤电流传感器，采用反射式萨格奈克干涉仪全光纤方案研制而成；与传统电磁式电流互感器相比，结构简单、不存在铁磁共振和磁滞饱和的隐患，同时，频带宽、动态范围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性能好，系统抗电磁干扰能力强，测量精度不受外界杂散磁场的影响，制造成本低。

2.体积小，重量轻，安装固定方便。除光纤部分需要安装在电气回路内，其余部分可以用光纤引出到其它位置，最远达到1.5米距离。

附图说明

图1是本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的整体结构示意图；

图2是本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的数字闭环全光纤电流互感器总体结构；

图3是本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的整体内部原理图；

图4是本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的整体内部实物结构图。

图5是本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的偏振光束在传感头处偏振态变化过程图。

图中：a、主件；b、光源感应头；c、调节旋钮；1、传感光纤环；2、反光镜；3、1/4波片；4、导线；5、保偏延迟光纤；6、起偏器；7、耦合器；8、检测单元；9、信号处理单元；10、相位调制器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合图1-4对本实用新型的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器的结构进一步说明，一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，包括主件a、光源感应头b以及调节旋钮c，所述主件a的正面设有光源感应头6，所述光源感应头6用于感应光纤、光纤内传输的偏振光受到电流产生的磁场作用发生相位变化，所述主件a的顶部设有一调节旋钮c，所述主件a的背面设有信号输出端口；所述光源感应头b内设有耦合器7，所述耦合器7一端通过起偏器6与保偏延迟光纤5连接，另一端与检测单元8电连接，所述保偏延迟光纤5的顶端通过多次弯曲构成传感光纤环1，所述传感光纤环1上对应安装有反光镜2和1/4波片3，所述检测单元8内包括串接的光电转换电路和前放大电路，且所述检测单元8的信号输出端通过A/D转换器与信号处理单元9电连接，所述信号处理单元9与上所述信号输出端口连接；所述信号处理单元9通过导线4与相位调制器10电连接，且导线4从上所述传感光纤环1中部穿过，所述相位调制器10串接于保偏延迟光纤5上；所述1/4波片3和起偏器6的角度分别为45°；所述的信号处理单元9内包括DSP和FPGA；所述的信号处理单元9通过D/A转换器与导线4连接。

工作原理：该装置总体结构方案如图2所示，包括光路和检测电路两部分。光路上它采取反射式、干涉型结构：光源发出的光经过起偏器6后，随即分成两束正交的线偏振光，沿着保偏光纤5的两个模式传输至传感头。在1/4波片3处，两束线偏光分别被转换为左旋和右旋圆偏光，进入传感光纤。在传感光纤中，由于导线内电流产生磁场的Faraday磁光效应作用，两束圆偏光的传输速度不同，从而产生Faraday相差。当两束圆偏光传输到传感光纤末端时，发生镜面反射，两束光在模式互换（左旋变右旋，右旋变左旋）后沿原光路返回，Faraday效应加倍，并且在1/4波片3处再次转变为两束模式正交的线偏光（模式也互换了）。最终，携带Faraday效应相位信息的两束光在起偏器6处发生干涉，然后由3dB耦合器7耦合进光电探测器，进行后续信号处理。可以看出，两束偏振光始终在同一根光纤的两个正交模式上传输，所以互感器的光路系统具有很强的抗干扰能力；同时，如图5所示，由于发生干涉的两束偏振光都经过了相同的传输路径和模式变化，只是在顺序上刚好相反。因此，光路系统还具有良好的互易性，干涉结果只携带了Faraday磁光效应产生的相位信息；互感器的检测电路本质上是一种以相关解调为基础的数字锁定放大器，包括前置放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路，以及以FPGA和DSP为核心的数字信号处理电路，主要完成信号的提取、调制、解调，和输出等功能。这部分我们借鉴已有30年发展历史的光纤陀螺信号处理原理，性能稳定、技术成熟。从形态结构上，全光纤电流互感器产品主要包括高压全光纤传感头、传输光缆、信号处理二次单元（包括光学元器件）、以及数字通讯接口等四个部分。

（1）全光纤电流互感器技术采用了基于正交圆偏振光在同光路、同模式、同偏振态原则下利用法拉第效应的电流传感技术，能够全面抑制温度、机械振动、应力及光纤弯曲造成的干扰，保障了电流传感的稳定性和可靠性；提出了基于正交双偏振光干涉和锁定放大技术的干涉处理器技术，极大提高了对微弱光信号的检测能力和测量精度。

（2）光纤电流感应环前端采用1/4光纤波片实现正交线偏振光与正交圆偏振光的相互转换，比采用传统的块状光学1/4波片具有更宽的带宽及更高的温度稳定性，使电流互感器具有卓越的暂态测量和保护性能；光纤电流感应环末端采用先进的冷镀膜处理技术，不但提高了温度稳定性和抗振动的能力，还大大简化了光纤电流感应环的工艺化过程。

（3）干涉处理器中采用了基于保偏光纤延时的正交偏振态电光调制与解调技术，提高系统的信噪比的同时增强了检测的灵敏度，保证了光纤电流互感器能够达到更宽的动态测量范围。

4）干涉处理器采用了数字信号处理技术，使光纤电流互感器的输出既具有模拟信号形式，又可直接输出电流计量的数字值，方便后续信号处理和应用。

出去上述光纤互感器部分的优势外，作为独立的自动控制产品，此系统的测量采样部分—光纤环，位于设备内部的电源回路内，信号由光纤直接导出到远端，再进入电气部分进行处理。所以，节省了设备内的空间尺寸，减少了设备内的电磁干扰，同时，也保证测量结果不受设备内的电磁干扰。系统的电气设备可以独立安装于合适的位置，便于施工和使用。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，其特征在于：包括主件（a）、光源感应头（b）以及调节旋钮（c），所述主件（a）的正面设有起偏器（6），所述起偏器（6）用于感应光纤、光纤内传输的偏振光受到电流产生的磁场作用发生相位变化，所述主件（a）的顶部设有一调节旋钮（c），所述主件（a）的背面设有信号输出端口，所述光源感应头（b）内设有耦合器（7），所述耦合器（7）一端通过起偏器（6）与保偏延迟光纤（5）连接，另一端与检测单元（8）电连接，所述保偏延迟光纤（5）的顶端通过多次弯曲构成传感光纤环（1），所述传感光纤环（1）上对应安装有反光镜（2）和1/4波片（3），所述检测单元（8）内包括串接的光电转换电路和前放大电路，且所述检测单元（8）的信号输出端通过A/D转换器与信号处理单元（9）电连接，所述信号处理单元（9）与上所述信号输出端口连接。

2.根据权利要求1所述的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，其特征在于，所述信号处理单元（9）通过导线（4）与相位调制器（10）电连接，且导线（4）从上所述传感光纤环（1）中部穿过，所述相位调制器（10）串接于保偏延迟光纤（5）上。

3.根据权利要求1所述的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，其特征在于，所述1/4波片（3）和起偏器（6）的角度分别为45°。

4.根据权利要求1所述的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，其特征在于，所述的信号处理单元（9）内包括DSP和FPGA。

5.根据权利要求1所述的基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器，其特征在于，所述的信号处理单元（9）通过D/A转换器与导线（4）连接。