CN211453757U

CN211453757U - 具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器

Info

Publication number: CN211453757U
Application number: CN201921550064.3U
Authority: CN
Inventors: 李传生; 邵海明; 王家福; 赵伟
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2029-09-17

Abstract

本实用新型提供了一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，包括光源、分束器、起偏及相位调制单元、保偏延迟光纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤、光电探测器和信号处理单元，光源与分束器熔接，分束器与起偏及相位调制单元熔接，起偏及相位调制单元与保偏延迟光纤熔接，保偏延迟光纤与相位延迟器熔接，相位延迟器与椭圆双折射光纤熔接，椭圆双折射光纤末端镀有反射膜，椭圆双折射光纤首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于光纤敏感环；分束器与光电探测器熔接，光电探测器连接信号处理单元，信号处理单元连接起偏及相位调制单元，信号处理单元输出与被测电流成正比的相位差。本实用新型提升了光纤电流传感器大动态范围的线性度。

Description

具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤电流传感技术，尤其涉及一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器。

背景技术

大电流技术在冶金、电力、国防军工、可控核聚变研究等领域应用广泛，准确的电流计量与安全生产、节能减排、产品质控及重大科学研究密切相关。基于Faraday(法拉第)磁光效应的干涉型光纤电流传感器具有测量精度高、动态范围大、频响范围宽(可同时测量交流和直流电流)、抗外磁场干扰能力强、便携性好等特点，在大电流测量领域具有广阔的应用前景。

光纤电流传感器采用反射式Sagnac干涉仪作为传感光路，利用1/4波片将两束正交的线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，两束正交的圆偏振光在首尾闭合的光纤敏感环中往返传输，产生与被测电流成正比的相位差。由于光路结构的互易性，两束信号光的干涉光强仅携带被测电流产生的 Faraday相移。干涉光强由光电探测器转化为电信号。

在信号处理方面，干涉型光纤电流传感器采用闭环信号检测技术，系统实时检测被测电流产生的Faraday相移，并产生一个与之大小相等、符号相反的反馈相移，将系统锁定在灵敏度最高的正交工作点上。闭环信号检测技术将非线性的余弦响应变成了线性响应，理论上，光纤电流传感器可以在极大的动态范围内保证高线性度。

椭圆双折射光纤是一种实用的电流传感光纤，由保偏光纤预制棒拉丝的同时旋转形成，其双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋分布，螺距的大小由旋转周期和拉丝速度决定。描述这种光纤特性的两个重要参数是螺距L_t和线拍长 L_b(未旋转状态下保偏光纤的拍长)，定义η＝2L_b/L_t。双折射主轴特殊的螺旋结构可以有效抑制线性双折射对电流传感的不利影响。与普通保偏光纤类似，常用的椭圆双折射光纤可以分为：熊猫型、领结型、椭圆芯型和光子晶体型。

椭圆双折射光纤的偏振本征模式是两束正交的椭圆偏振光，其椭圆度与η有关，η越大，偏振本征模越趋近于圆偏振光。实际中，η并不容易做到很大，通常在1～5之间。在这种情况下，进入椭圆双折射光纤敏感环的圆偏振光将无法保持偏振态，传感器闭环系统检测到的相位差除与被测电流产生的 Faraday相移有关外，还与由线拍长和螺距决定的线性双折射和圆双折射有关。传感器的输出与被测电流成非线性关系，且被测电流越大，非线性越明显，这将严重制约光纤电流传感器大电流在大动态范围内的测量准确度。

目前，实用化的光纤电流传感器普遍采用椭圆双折射光纤作为传感光纤，采用1/4波片实现线偏振光到圆偏振光的转换。这样的传感器普遍存在非线性问题，由于非线性的影响，无法实现光纤大电流传感器测量精度的线性递推，在大电流下需要依赖校准装置对传感器进行校准，来保证大电流的测量精度。但是，对于数百kA甚至更大的超大电流，受限于大功率电源和标准电流传感器，很难建立校准装置，基于非线性误差模型的软件补偿方法难以实现。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，本实用新型从椭圆双折射光纤敏感环的光学特性出发，采用相位延迟器代替传统的1/4波片，调整进入光纤敏感环的光波的偏振态，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿。

本实用新型是这样实现的：

一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，包括光源、分束器、起偏及相位调制单元、保偏延迟光纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤、光电探测器和信号处理单元，所述光源的输出尾纤与分束器的第一端口输入尾纤熔接，所述分束器的第二端口与起偏及相位调制单元的输入尾纤熔接，所述起偏及相位调制单元的输出尾纤与保偏延迟光纤的输入尾纤以0°对轴熔接，所述保偏延迟光纤的输出尾纤与相位延迟器的输入尾纤以θ角熔接或耦合，所述相位延迟器的输出尾纤与椭圆双折射光纤的输入尾纤以

角熔接或耦合，所述椭圆双折射光纤的末端镀有反射膜，所述椭圆双折射光纤的首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于所述光纤敏感环；所述分束器的第三端口与光电探测器的输入尾纤熔接，所述光电探测器的输出端连接信号处理单元的输入端，所述信号处理单元的一输出端连接至起偏及相位调制单元，所述信号处理单元的另一输出端输出与所述载流导体中的被测电流成正比的相位差；

所述相位延迟器和椭圆双折射光纤的参数需满足如下4个条件之一：

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

其中，η＝2L_b/L_t，L_t和L_b分别为椭圆双折射光纤的螺距和线拍长；δ为相位延迟器的延迟角度；θ为相位延迟器与保偏延迟光纤的对轴角度；

为相位延迟器与椭圆双折射光纤的对轴角度。

进一步地，所述起偏及相位调制单元包括偏振器和直波导相位调制器，所述偏振器的输入尾纤与分束器的第二端口熔接，所述偏振器的输出尾纤与直波导相位调制器的输入尾纤以45°对轴熔接，所述直波导相位调制器的输出尾纤与保偏延迟光纤的输入尾纤以0°对轴熔接，且所述信号处理单元的一输出端连接至直波导相位调制器。

进一步地，所述偏振器为光纤偏振器或集成光学偏振器。

进一步地，所述起偏及相位调制单元包括Y波导相位调制器和合束器，所述Y波导相位调制器的第一端口与分束器的第二端口熔接，所述Y波导相位调制器的第二端口和第三端口分别与合束器的第二端口和第三端口以 0°对轴熔接，所述合束器的第一端口与保偏延迟光纤以0°对轴熔接，且所述信号处理单元的一输出端连接至Y波导相位调制器。

进一步地，所述合束器为偏振合束器或2×1保偏耦合器。

进一步地，所述分束器为3端口的环行器或2×1单模耦合器，所述光源为超辐射发光二极管或掺铒光纤光源，所述反射膜为介质膜或金属膜。

进一步地，所述保偏延迟光纤为熊猫型或领结型保偏光纤。

进一步地，所述相位延迟器为晶体波片或光纤波片，所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片。

进一步地，所述椭圆双折射光纤为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤。

进一步地，所述光电探测器包括光电二极管和电流-电压转换器，所述光电二极管的输入尾纤与分束器的第三端口连接，所述光电二极管的输出端与电流-电压转换器的输入端连接，所述电流-电压转换器的输出端与信号处理单元的输入端连接；所述光电二极管和电流-电压转换器为分立式结构或者整体式结构。

本实用新型的优点在于：本实用新型实现了光纤电流传感器非线性的自补偿，在不增加现有光纤电流传感器软硬件的前提下保证了光纤电流传感器在大动态范围内的高线性度，降低了光纤电流传感器校准的技术难度，提升了光纤电流传感器的测量精度。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器的结构示意图。

图2为本实用新型中一实施例的结构示意图。

图3为本实用新型中另一实施例的结构示意图。

图4a为本实用新型中光电探测器的具体结构示意图(分立式)。

图4b为本实用新型中光电探测器的具体结构示意图(整体式)。

图中标号说明：

1-光源、2-分束器、3-起偏及相位调制单元、31-偏振器、32-直波导相位调制器、33-Y波导相位调制器、34-合束器、4-保偏延迟光纤、5-相位延迟器、6-椭圆双折射光纤、7-光电探测器、71-光电二极管、72-电流-电压转换器、8-信号处理单元、9-反射膜、10-光纤敏感环、11-载流导体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作出进一步地详细说明，但本实用新型的结构并不仅限于以下实施例。

请参阅图1所示，本实用新型的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，包括光源1、分束器2、起偏及相位调制单元3、保偏延迟光纤4、相位延迟器5、椭圆双折射光纤6、光电探测器7和信号处理单元8，所述光源1的输出尾纤与分束器2的第一端口输入尾纤熔接，所述分束器2的第二端口与起偏及相位调制单元3的输入尾纤熔接，所述起偏及相位调制单元 3的输出尾纤与保偏延迟光纤4的输入尾纤以0°对轴熔接，所述保偏延迟光纤4的输出尾纤与相位延迟器5的输入尾纤以θ角熔接或耦合，所述相位延迟器5的输出尾纤与椭圆双折射光纤6的输入尾纤以

角熔接或耦合，所述椭圆双折射光纤6的末端镀有反射膜9，所述椭圆双折射光纤6的首端与末端闭合形成光纤敏感环10，载流导体11穿设于所述光纤敏感环10；所述分束器2的第三端口与光电探测器7的输入尾纤熔接，所述光电探测器7 的输出端连接信号处理单元8的输入端，所述信号处理单元8的一输出端连接至起偏及相位调制单元3，所述信号处理单元8的另一输出端输出与所述载流导体11中的被测电流成正比的相位差。

一较佳实施例为：

如图2所示，本实用新型的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，包括光源1、分束器2、偏振器31、直波导相位调制器32、保偏延迟光纤4、相位延迟器5、椭圆双折射光纤6、光电探测器7和信号处理单元8，所述光源1的输出尾纤与分束器2的第一端口输入尾纤熔接，所述分束器2 的第二端口与偏振器31的输入尾纤熔接，所述偏振器31的输出尾纤与直波导相位调制器32的输入尾纤以45°对轴熔接，所述直波导相位调制器32 的输出尾纤与保偏延迟光纤4的输入尾纤以0°对轴熔接，所述保偏延迟光纤4的输出尾纤与相位延迟器5的输入尾纤以θ角熔接或耦合，所述相位延迟器5的输出尾纤与椭圆双折射光纤6的输入尾纤以

角熔接或耦合，所述椭圆双折射光纤6的末端镀有反射膜9，所述椭圆双折射光纤6的首端与末端闭合形成光纤敏感环10，载流导体11穿设于所述光纤敏感环10；所述分束器2的第三端口与光电探测器7的输入尾纤熔接，所述光电探测器7的输出端连接信号处理单元8的输入端，所述光电探测器7将干涉光强转化为电信号并传输给信号处理单元8进行处理，所述信号处理单元8的一输出端连接至直波导相位调制器32，所述信号处理单元8产生方波和阶梯波信号，施加在所述直波导相位调制器32上，实现相位调制和闭环反馈，所述信号处理单元8的另一输出端输出与所述载流导体11中的被测电流成正比的相位差，实现光纤电流传感器非线性的自补偿；

所述相位延迟器5和椭圆双折射光纤6的参数需满足如下4个条件之一：

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

其中，η＝2L_b/L_t，L_t和L_b分别为椭圆双折射光纤6的螺距和线拍长；δ为相位延迟器5的延迟角度；θ为相位延迟器5与保偏延迟光纤4的对轴角度；

为相位延迟器5与椭圆双折射光纤6的对轴角度；满足以上四个条件之一时，信号处理单元8输出的相位差与载流导体11中的被测电流成正比，具有线性关系，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿，提升了光纤电流传感器大动态范围内的的测量精度。

各部分的技术特征如下：

1、所述光源1为超辐射发光二极管或掺铒光纤光源；

2、所述分束器2为3端口的环行器或2×1单模耦合器；

3、所述偏振器31为光纤偏振器或集成光学偏振器；

4、所述保偏延迟光纤4为熊猫型或领结型保偏光纤；

5、所述相位延迟器5为晶体波片或光纤波片，所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片；

6、所述椭圆双折射光纤6指各种双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤；

7、所述光电探测器7包括光电二极管71和电流-电压转换器72，所述光电二极管71的输入尾纤与分束器2的第三端口连接，所述光电二极管71 的输出端与电流-电压转换器72的输入端连接，所述电流-电压转换器72的输出端与信号处理单元8的输入端连接；所述光电二极管71和电流-电压转换器72为分立式结构(即光电二极管71和电流-电压转换器72作为两个单独的器件进行独立分布，如图4a所示)或者所述光电二极管71和电流-电压转换器72为整体式结构(即光电二极管71和电流-电压转换器72构成一个完整的组件进行整体分布，如图4b所示)；

8、所述反射膜9为介质膜或金属膜，通过在椭圆双折射光纤6末端镀膜实现。

另一较佳实施例为：

如图3所示，本实用新型的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，包括光源1、分束器2、Y波导相位调制器33、合束器34、保偏延迟光纤4、相位延迟器5、椭圆双折射光纤6、光电探测器7和信号处理单元8，所述光源1的输出尾纤与分束器2的第一端口输入尾纤熔接，所述分束器2 的第二端口与Y波导相位调制器33的第一端口熔接，所述Y波导相位调制器33的第二端口和第三端口分别与合束器34的第二端口和第三端口以0°对轴熔接，所述合束器34的第一端口与保偏延迟光纤4的输入尾纤以0°对轴熔接，所述保偏延迟光纤4的输出尾纤与相位延迟器5的输入尾纤以θ角熔接或耦合，所述相位延迟器5的输出尾纤与椭圆双折射光纤6的输入尾纤以

角熔接或耦合，所述椭圆双折射光纤6的末端镀有反射膜9，所述椭圆双折射光纤6的首端与末端闭合形成光纤敏感环10，载流导体11穿设于所述光纤敏感环10；所述分束器2的第三端口与光电探测器7的输入尾纤熔接，所述光电探测器7的输出端连接信号处理单元8的输入端，所述光电探测器7将干涉光强转化为电信号并传输给信号处理单元8进行处理，所述信号处理单元8的一输出端连接至Y波导相位调制器33，所述信号处理单元 8产生方波和阶梯波信号，施加在所述Y波导相位调制器31上，实现相位调制和闭环反馈，所述信号处理单元8的另一输出端输出与所述载流导体 11中的被测电流成正比的相位差，实现光纤电流传感器非线性的自补偿；

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

各部分的技术特征如下：

1、所述光源1为超辐射发光二极管或掺铒光纤光源；

2、所述分束器2为3端口的环行器或2×1单模耦合器；

3、所述合束器32为偏振合束器或2×1保偏耦合器；

4、所述保偏延迟光纤4为熊猫型或领结型保偏光纤；

综上所述，本实用新型的优点如下：

本实用新型实现了光纤电流传感器非线性的自补偿，在不增加现有光纤电流传感器软硬件的前提下保证了光纤电流传感器在大动态范围内的高线性度，降低了光纤电流传感器校准的技术难度，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿，提升了光纤电流传感器大动态范围内的的测量准确度。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：包括光源、分束器、起偏及相位调制单元、保偏延迟光纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤、光电探测器和信号处理单元，所述光源的输出尾纤与分束器的第一端口输入尾纤熔接，所述分束器的第二端口与起偏及相位调制单元的输入尾纤熔接，所述起偏及相位调制单元的输出尾纤与保偏延迟光纤的输入尾纤以0°对轴熔接，所述保偏延迟光纤的输出尾纤与相位延迟器的输入尾纤以θ角熔接或耦合，所述相位延迟器的输出尾纤与椭圆双折射光纤的输入尾纤以

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

为相位延迟器与椭圆双折射光纤的对轴角度。

2.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述起偏及相位调制单元包括偏振器和直波导相位调制器，所述偏振器的输入尾纤与分束器的第二端口熔接，所述偏振器的输出尾纤与直波导相位调制器的输入尾纤以45°对轴熔接，所述直波导相位调制器的输出尾纤与保偏延迟光纤的输入尾纤以0°对轴熔接，且所述信号处理单元的一输出端连接至直波导相位调制器。

3.如权利要求2所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述偏振器为光纤偏振器或集成光学偏振器。

4.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述起偏及相位调制单元包括Y波导相位调制器和合束器，所述Y波导相位调制器的第一端口与分束器的第二端口熔接，所述Y波导相位调制器的第二端口和第三端口分别与合束器的第二端口和第三端口以0°对轴熔接，所述合束器的第一端口与保偏延迟光纤以0°对轴熔接，且所述信号处理单元的一输出端连接至Y波导相位调制器。

5.如权利要求4所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述合束器为偏振合束器或2×1保偏耦合器。

6.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述分束器为3端口的环行器或2×1单模耦合器，所述光源为超辐射发光二极管或掺铒光纤光源，所述反射膜为介质膜或金属膜。

7.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述保偏延迟光纤为熊猫型或领结型保偏光纤。

8.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述相位延迟器为晶体波片或光纤波片，所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片。

9.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述椭圆双折射光纤为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤。

10.如权利要求1所述的一种具有非线性自补偿功能的光纤电流传感器，其特征在于：所述光电探测器包括光电二极管和电流-电压转换器，所述光电二极管的输入尾纤与分束器的第三端口连接，所述光电二极管的输出端与电流-电压转换器的输入端连接，所述电流-电压转换器的输出端与信号处理单元的输入端连接；所述光电二极管和电流-电压转换器为分立式结构或者整体式结构。