CN2319815Y - 双入射光路反向型光学电流传感头 - Google Patents

Abstract

一种双入射光路反向型光学电流传感头、由传感头、分光束型起偏器和两个检偏器构成,检偏器分别设置在传感头两束输出光处,分光束型起偏器设置在输入光进入传感头处,在其法拉弟材料上有反射面的切面,在切面上镀有保偏膜。本技术所述的电流传感头与现有技术的效果相比,可使总的输入的偏振光光强提高近一倍,可提高总的输出光强,可大幅度提高传感灵敏度和信噪比。可适用于电网电流、冲击电流、泄漏电流的测量以及电力系统高压、超高压下各种电流测量。

Description

双入射光路反向型光学电流传感头

本实用新型所涉及的是一种双入射光路反向型光学电流传感器，可适用于各种电流(如电网电流、冲击电流、泄漏电流等)的测量，尤其适用于测量普通电学仪器、仪表不适用或难以探测准确的电流信号。可应用于电力系统高压、超高压下的各种电流测量。

在现有技术中，利用法拉弟(Faraday)磁光效应的光学电流传感器一般采用光学玻璃作法拉弟敏感材料。光学电流传感器头的结构涉及主要要求：具有很好的保偏性；光路绕被测电流呈闭合环路；传输光的损耗小；测量灵敏度高；温度稳定性好等。通常使线偏振光在玻璃传感头中经过几次反射而实现光路绕被策电流成为闭合或近似闭合的环路，并采用临界全反射法、或反射面镀保偏膜法、或正交双全反射法来解决保偏问题，即使线偏振光保持线偏振状态。多种二维或三维保偏传感头的设计方案在现有技术中已被提出，光路一般为单圈、多圈(两圈或两圈以上)或等效的多圈。多圈设计方案虽然因光路加长而提高了传感头的灵敏度，但是由于光程长，光发散程度大，光损耗加大，输出光强信号弱，信噪比较差。为了增大输出光强信号，现有技术中采用双光源代替单光源，这种作法虽然可增大总的输入光强，但却提高了传感系统的成本。

本实用新型的目的在于，针对现有技术中的光源利用率低、输出光强信号弱(尤其在光程长的情况下)、信噪比低的问题，在不增加光源器件的成本以及光路复杂性的前提下，设计一种双入射光路反向型光学电流传感头；同时，对法拉弟敏感材料受温度、应力等外界环境因素变化的影响可进行光路上的补偿。

本实用新型所述的双入射光路反向型光学电流传感头，由法拉弟材料制成的传感头1、分光束型起偏器2和两个检偏器3_a、3_b构成。检偏器3_a、3_b分别设置在传感头1的两束输出光处，分光束型起偏器2设置在输入光进入传感头1处，即在光线进入法拉弟材料后需要导向的位置，在其法拉弟材料上有反射面的切面4，切面4上镀有保偏膜。所说的分光束型起偏器2可有两种设置方式：一种是设置在法拉弟材料之中，如图1所示；另一种是设置在法拉弟材料之外，并附加180°保偏转向棱镜6，如图2所示。

本实用新型所述的双入射光路反向型光学电流传感头的效果与现有技术的效果相比，可使总的输入的偏振光光强提高近一倍，从而可大大提高总的输出光强，传感灵敏度和信噪比亦可大幅度提高。由于两束偏振光光路方向相反，又因为法拉弟效应与光路方向无关，而外界因素(如温度、机械应力、振动等)的影响与光路有关，所以影响也相反，从而在输出的两束光强的叠加信号中法拉弟效应叠加，使灵敏度提高，同时外界因素影响则相互抵消了一部分。其光强叠加的原理及效果分析如下：

线偏振光在电流产生的磁场作用下通过法拉弟材料时，其偏振面的旋转角θ正比于磁场

，沿着偏振光通过材料的路径L的线积分，若将光路设计成围绕电流导体绕N圈的闭合环路，则根据全电流定律可得从式中可知，测出θ角便可求出电流i。

根据马吕斯定律，从法拉弟材料出射的光经与起偏器成45°夹角的检偏器检偏后，输出光强P为

      P=P₀(1±Sin2θ)式中，P₀为输入光强。

通过探测输出光强P，并作适当的信号处理便可得到被测电流i。

本实用新型所说的双入射光路反向型光学电流传感头的起偏器为分光束型，光源发出的光经分光束型起偏器起偏后分为两束偏振面相互垂直的两束线偏振光，在现有技术中仅利用了这两束线偏振光中的一束，而本实用新型所说的技术将这两束偏振光皆用上了，其中一束直接入射到法拉弟材料中，绕电流i成环路后经检偏器3_a检偏输出；另一束反方向绕电流i成环路后经检偏器3_b检偏输出。设检偏器3_a、3_b的输出光强分别为P₁、P₂，则

      P₁=P₀(1±Sin2θ)

      P₂=P₀(1±Sin2θ)相应的信号调制度m₁、m₂分别为

      m₁=P₀Sin2θ

      m₂=P₀Sin2θ总的信号调制度m为

      m=m₁+m₂=2P₀Sin2θ

可见，本实用新型所说的技术可使光源的输入光强得以充分利用，并使其灵敏度提高。

外界因素(如温度、应力、振动等)的影响与光路方向相关，即对m₁、m₂的影响相反，所以，总的信号调制度m受外界因素的影响被抵消了一部分，即达到了相互补偿的目的。

附图1：起偏器设置于法拉弟材料之中的传感头示意图：

附图2：起偏器设置于法拉弟材料之外的传感头示意图。

图1为内置式起偏器的传感头，由法拉弟材料加工成镀膜保偏型传感头1，如果为正方形块状法拉弟材料，则三个直角切成均与边长成45°夹角的a、b、c反射面切面4，在反射面上镀有保偏反射膜；第四个角被制成内嵌式直角5，将分光束型起偏器2嵌在里面。光源发出的光经90°分光束型起偏器后分为两束方向垂直的线偏振光，分别正入射进入传感头1，经三次保偏反射后分别反方向绕电流i成闭合环路，再分别从与起偏器的光轴成45°角的两个检偏器输出，总的输出光强为二者之和。当光线正入射时，在反射面a、b、c的入射角为45°。检偏器3_a、3_b分别设置在两束光输出的位置上。

图2为外置式起偏器的传感头，这种结构形式的传感头，在分光束型起偏器相应第二束光的方向设置有180°保偏转向棱镜6，检偏器3_a、3_b分别设置在两束光输出的位置上。

图中虚线部分分别表示为两束光线在法拉弟材料中的传输方向。

Claims (3)

1、一种双入射光路反向型光学电流传感头，由法拉弟材料制成的传感头(1)、分光束型起偏器(2)和两个检偏器(3_a)、(3_b)构成，其特征在于，检偏器(3_a)、(3_b)分别设置在传感头(1)两束输出光处，分光束型起偏器(2)设置在输入光进入传感头(1)处，在其法拉弟材料上有反射面的切面(4)，在切面(4)上镀有保偏膜。

2、按照权利要求1所说的传感头，其特征在于，为内置式起偏器传感头(1)，由法拉弟材料加工成镀膜保偏型传感头(1)，正方形块状，三个直角切成均与边长成45°夹角的反射面切面(4)，在反射面上镀有保偏反射膜；第四个角被制成内嵌式直角(5)，分光束型起偏器(2)嵌在里面；检偏器(3_a)、(3_b)分别设置在两束光输出的位置上。

3、按照权利要求1所说的传感头，其特征在于，为外置式起偏器传感头(1)，分光束型起偏器(2)设置在传感头(1)的外面，在经分光束型起偏器(2)相应第二束光的方向设置有180°保偏转向棱镜(6)；检偏器(3_a)、(3_b)分别设置在两束光输出的位置上。

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