CN2181005Y

CN2181005Y - 光纤电流传感器

Info

Publication number: CN2181005Y
Application number: CN 93245042
Authority: CN
Inventors: 乔松; 何斌; 陈纪东; 罗方亮; 徐铭哲
Original assignee: Beijing Graduate School Of China University Of Mining And Technology
Current assignee: Beijing Graduate School Of China University Of Mining And Technology
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2003-11-29

Abstract

一种用于测量大电流的光纤电流传感器包括分别耦合到光源和测量电路上的输入和输出光纤，一块传感媒质，分别附着在传感媒质通光面两端的启偏器和检偏器，设在输入光纤与启偏器之间的第一透镜以及设在检偏器与输出光纤之间的第二透镜。结构简单，便于安装和使用，不受环境温度和应力的干扰，并且可采用廉价的LED光源。

Description

本实用新型涉及母线大电流的光电传感器，特别是涉及用于测量发电厂，变电所等处的母线上高达10³－10⁶安培电流的光纤电流传感器。

目前用来取代陈旧的电流互感器的大电流测量手段是光纤电流传感器，这种传感器应用了法拉第磁光效应，即将光纤绕在母线上，应用磁致旋光原理探测母线电流。然而，在使用这种光纤传感器时会不可避免地由于光纤弯曲产生应力双折射，至使偏振光经过光纤时产生的旋光现象，是法拉第旋光效应和双折射效应的迭加，给传感器造成误差。为此有人采用了8字形交叉绕法来抵消双折射效应。但实际上由弯曲应力造成的双折射不可能被完全抵消，而且光的费尔德（Verdet）常数随外界的温度、应力等发生变化，影响测量精度。此外，这种传感器的绕制工艺复杂，而且必须套在母线上，给安装和拆卸带来不便。另外，现有的光纤电流传感器普遍使用激光源，费用较高。

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种容易制造和使用的光纤电流传感器。

本实用新型的另一个目的是提供一种采用廉价的LED光源替代激光源的光纤电流传感器。

本实用新型的其他目的还涉及到提高传感器的灵敏度，以及排除外界环境温度和应力对传感器的干扰。

本实用新型的光纤电流传感器包括：输入光纤和输出光纤，一块传感媒质，分别附着在传感媒质的通光面两端的起偏器和检偏器，它们的偏振方向互成45°角，以及第一聚焦透镜设在输入光纤的端面与上述起偏器之间，其焦点处于输入光纤的上述端面上，第二聚焦透镜设在上述检偏器与输出光纤的端面之间，其焦点处于输出光纤的上述端面上。

本实用新型的进一步特征在于：光纤电流传感器的光源是一个发光二极管（LED）。

为了提高传感器的灵敏度，本实用新型的一个实施例中采用了多次反射的光学结构。此外，传感媒质的材料选用费尔德常数与温度无关的一种玻璃材料，这种材料的国内产品标号为ZF－7，而国际上采用的产品标号为SF－6。传感媒质为条块状，经过严格的退火，不存在余应力。

以下将结合附图详细描述本实用新型的各种实施例，从中可以进一步理解本实用新型的实质性特点。各图中相同的标号表示各实施例中相同或对应的部分。

图1是本实用新型第一实施例的结构图，为了表示出传感器的内部结构，图中的上半部采用剖面图；

图2表示第二实施例中光学元件的布置图；

图3表示第三实施例中的光学元件布置图；

图4中示出了本实用新型的传感器被用于测量离相封闭母线电流时的安装示意图，并同时表示出了与传感器相配合的大电流测量仪表的原理方框图；以及

图5表示本实用新型的传感器被用于测量非封闭母线电流时的安装示意图。

现参见图1描述本实用新型的一个实施例。输入光纤1被套管固定在传感器的轴心上，其端面2经过光学抛光处理，该端面二位于聚焦透镜3的焦点上。一块圆柱形的传感媒质5设置在传感器外壳内的中间位置，一个起偏器4设在上述透镜3和传感媒质之间，并且用光学树脂胶粘在传感媒质5的一个通光面上。一个检偏器6用光学树脂胶粘在传感媒质5的另一个通光面上，并且该检偏器6与起偏器4的偏振方向互成45°角。在图1中检偏器6的右侧依次还设有另一个聚焦透镜7以及输出光纤9，输出光纤9的端面8也经过光学抛光处理并且位于相应透镜7的焦点上。

以下结合图4描述上述实施例的光纤电流传感器在测量大电流离相母线电流时的工作原理。

在图4中，21表示一相的母线，22表示离相封闭母线21的接地外壳，20为本实用新型的光纤电流传感器，它被装在外壳22内靠近母线21的适当位置，处于由母线电流所产生的磁场中。输入和输出光纤经由外壳22上的孔直接连接到测量仪表，并且不必绕过母线。

测量仪表包括电源，发光二极管（LED）光源，为LED提供恒定电流的可调恒流源，恒流显示装置，以及检测电路，后者将在下文中描述。

由LED光源产生的单色光经输入光纤1的端面2入射到透镜3上（见图1），并且由透镜3变成平行光束，然后经起偏器4射入传感媒质5。这一平行光束在通过传感媒质5时被母线电流所产生的磁场调制，被调制的信息光通过检偏器6后的光强为

Po＝Picosψ （1）

其中Pi为输入光强，ψ为起偏器与检偏器之间的偏振方向的夹角。因此，当ψ＝45°时，光强变化最灵敏。

另一方面，通过检偏器后的信息光的光强Po与磁旋角θ的关系为 Po＝ 1/2 （1＋sin2θ）Pi （2）

其中 θ＝VHL或θ＝VI （3）

式中的V为费尔德常数，L为传感器媒质中光通路的长度，I和H分别是母线电流和该电流产生的磁场强度。

光强为Po的信息光通过另一个聚焦透镜7聚焦到输出光纤的端面上，然后传送给检测电路。

信息光在检测电路中被光电转换器（见图4）变为电信号，经带通、低通滤波器将直流和交流分量分开，用除法器得到信息电压信号： U＝sin（2VI）（4）

由于实际的磁旋角θ很小，式（4）可以近似地改写成

U＝2VI （5）

例如在θ＝5°时，近似的误差仅为8.8×10^－4。

最后，信息电压信号经放大器放大后由显示器显示出母线上的电流值。

以下参照图2描述本实用新型的第二实施例。在某些应用场合，为了便于安装并且避免不必要地弯曲光纤，希望输入光纤和输出光纤从传感器的同一侧面进出。本实施例可以满足这些要求。

在图2中，标号3至7依次代表与图1中相同的透镜，起偏器，传感媒质，检偏器以及另一个透镜。此外，在透镜3与起偏器4之间设有一个全反射三棱镜11用于把来自透镜3的平行光折射到起偏器4上；在检偏器6与另一个透镜7之间还设有另一个全反射三棱镜12用于把通过传感媒质5和检偏器6后的信息光折射到透镜7上。因此，可以通过棱镜的折射改变光的方向，以便把输入和输出光纤安装在传感器的同一侧。

图3是本实用新型的第三实施例。由于磁旋角θ与光的传播方向无关，只决定于磁场的方向，因此，为增大传感作用提高灵敏度，本例中采取了多次反射的结构来增加传感媒质中的光通路长度L。

在图3中，输入光纤1的端面2被直接用光学树脂胶粘在自聚焦透镜3上，从输入光纤1射出的光经自聚焦透镜3后成为平行光，然后通过附着在矩形的传感媒质5上的起偏器4射入传感媒质5。传感媒质5上、下端面13和14严格平行，并经抛光处理后镀有多层介质反射膜15和16。光在传感媒质5中经过多次反射，如果反射次数为N，传感媒质5中的光通路有效长度L则为L＝（N＋1）l，其中l为传感媒质5的厚度。通过多次反射所获得的信息光按照与其他实施例中类似的方式由检偏器6和另一个自聚焦透镜7耦合到输出光纤9的端面8上，其中的检偏器6与起偏器4的偏振方向仍是互成45°角。

借助于上述第三实施例，可以明显地增加传感媒质中光通路的有效长度，从而达到提高传感器灵敏度的目的。然而应当指出，只有在小角度入射的条件下，反射才不会影响偏振态，因此本实施例中采用的入射角α（见图3）为5－12°，最好是限制在7－10°，由式（2）表示的输出光强公式在这种条件下仍然适用。

图5还表示出了用本实用新型的光纤电流传感器测量非封闭母线上的电流时的安装示意图。此时一条母线附近的磁场与三相电流有关，并且还会受到杂散磁场的干扰。为了测出每相母线的电流I，可以在被测母线周围增加一个留有气隙安放传感器的铁氧体环23，其形状根据母线形状可做成（或组成）圆形或矩形环。图5中以圆形环23为例，21代表母线，而20仍表示本实用新型的传感器，其中铁氧体环23的环长为l，气隙长度为lo。在图示的情况下，前述的磁旋角与电流的关系式（3）仍成立，只是费尔德常数V需要适当的修正。

很明显，按照上述各个实施例的构思还可以做出很多修改和变更，而不会脱离本实用新型的范围，权利要求书对本实用新型的保护范围做出了适当的限定。

Claims

1、一种用于测量大电流的光纤电流传感器，其特征是包括：

一块传感媒质；

分别附着在传感媒质的通光面两端的起偏器和检偏器，起偏器和检偏器的偏振方向互成45°角；

耦合到一个光源上的第一光纤；

设在上述第一光纤的一个端面与上述起偏器之间的第一聚焦透镜，其焦点处于第一光纤的上述端面上；

耦合到一个测量电路上的第二光纤；以及

设在上述检偏器与上述第二光纤的一个端面之间的第二聚焦透镜，其焦点处于第二光纤的上述端面上。

2、按照权利要求1的光纤电流传感器，其特征是上述光源是一个发光二极管。

3、按照权利要求1的光纤电流传感器，其特征是进一步包括设在上述第一聚焦透镜与上述起偏器之间的第一全反射棱镜，以及设在上述检偏器与上述第二聚焦透镜之间的第二全反射棱镜。

4、按照权利要求1的光纤电流传感器，其特征是上述传感媒质中的光通路的有效长度大于上述传感媒质的长度。

5、按照权利要求4的光纤电流传感器，其特征是上述传感媒质是矩形的，并且在上述矩形传感媒质的两个端面上具有介质反射膜。

6、按照权利要求5的光纤电流传感器，其特征是上述起偏器和上述检偏器附着在上述传感媒质的同一个端面上。

7、按照权利要求4或5或6的光纤电流传感器，其特征是通过上述第一聚焦透镜入射到上述起偏器上的光的入射角为5至12°。

8、按照权利要求7的光纤电流传感器，其特征是上述入射角为7至10°。

9、按照权利要求1的光纤电流传感器，其特征是还包括一个留有气隙的铁氧体环，上述光纤电流传感器可以装在上述气隙中。

10、如权利要求1或权利要求3至5所述的光纤电流传感器，其特征是上述传感媒质由一种玻璃材料构成，这种玻璃材料的费尔德常数与温度无关。