CN2890933Y - 基于偏振度解调的电流传感装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高电压、强电流的电力测量的基于法拉第效应的偏振度解调的电流传感装置，由依次串连的非偏振光光源、第一传输光纤、起偏器、光纤腔、第二传输光纤和光偏振分析仪构成。它是将光的法拉第偏振旋转效应变为光的偏振度的变化，将电流的光波偏振面旋转角的测量转化为光波偏振度的测量，以获得高电压、强电流的电流信息。本实用新型克服了常规光纤法拉第效应电流传感中光传输线路中随机双折射干扰的问题，具有成本低，测量可靠等优点。

Description

基于偏振度解调的电流传感装置

技术领域

本实用新型涉及高电压、强电流的测量，特别是一种基于法拉第效应的偏振度解调的电流传感装置，主要用于需要绝缘测量的高电压、强电流的电力传感系统。

背景技术

随着工业、军事及民用场合对电力发展要求的不断膨胀，电力工业装机容量不断增长，如何进行高压强电的测量成为电力行业迫切需要解决的问题之一。

针对电力工业电流传感的需求，人们已经进行过许多研究。传统的电力传感主要是以电磁感应为基础的电流互感器(CT)。但是该电流互感器在高压强电场合存在绝缘困难、成本高、磁饱和、铁磁谐振等问题，应用范围受限制，不能满足电力工业进一步发展的要求。近年来光学电流传感(OCS)受到广泛重视。尤其是光纤电流传感技术(AFOCS)，它是利用光波在磁场中的法拉第效应来测量电流的，具有结构简单，重量轻，绝缘性能好等诸多优点，展示了优良的应用前景。

法拉第效应光学电流传感是利用被测电流产生磁场引起光波偏振方向旋转而进行电流传感的。在高压强电应用中，光源发出的光波和经过磁场偏振方向的信号都通过光纤传输到地面。这是光纤技术保证电绝缘性的一个重要优点。但是在光纤传输光路中，由于环境温度、应力等条件的变化，光纤内部产生随机的双折射，使偏振方向发生随机变化，严重地影响了测量信号的可靠性。

为了解决光纤随机双折射问题，人们已经进行了多方面的研究。在先技术之一，Guido等[Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor，Applied Optics，1994，6111-6122]首次在理论和实验上研究了利用保偏光纤的交互反射干涉仪电流传感方案。在先技术之二，Rose等[Optical fiber current sensors inhigh electric field environments，J.Lightwave Techno，1999，1042-1048]从理论和实验上证明了扭转退火光纤可以在不明显增加系统的温度特性的条件下大大地降低光纤的残余双折射。H.Lin等[Modified in-line Sagnac interferometer with passivedemodulation technique for environmental immunity of a fiber-optic current sensor，Applied Optics，1999，38(13)，2760-2766]在此基础上从光纤元件层次上对干涉仪结构进行了改进，采用高圆双折射光纤作为传感头和导引线，尽量减少昂贵的保偏光纤的使用，并且改善了系统的不稳定性。在先技术之三，K.Bohnert等[Temperatureand Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor，J.Lightwave Techno.，2002，267-276]在采用椭圆光纤并且改进了光纤探头封装技术后，简化了系统结构，实现了电流传感的高温度稳定性。在先技术之四，上海大学黄宏嘉等在法拉第电流传感系统中采用自行设计制备的保圆光纤，克服了随机双折射对测量稳定性的影响。在光纤法拉第效应电流传感系统中，传感头设计也有很高的技术要求，特别是要克服光纤弯曲引起的附加双折射及其温度效应。在先技术之五，A.Ben-Kish等[Geometricalseparation betwwen the birefrngence components in Faraday-rotation fiber-optical currentsensors，Optics Letter，1991，687-689]利用特殊几何结构，控制弯曲双折射，使附加的双折射相位差等于2π的整数倍，明显地减轻了光纤弯曲双折射引起的温度效应。

上述方法基本上都是采用保偏光纤和其他特种光纤来实现偏振方向在传输过程中的稳定，或者补偿传输过程中的变化。保偏光纤和特种光纤及其配套元器件的成本高、价格贵，而且某些特种光纤在综合性能方面还不如成熟的常规通信光纤，带来了其他需要解决的问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种基于偏振度解调的电流传感装置，以克服常规光纤法拉第效应电流传感中光传输线路中随机双折射干扰的问题，降低成本。

本实用新型的基本原理是基于光偏振的法拉第旋转效应，实质是将一具有多圈光纤环的光纤腔的多圈光纤环围绕在待测电流的电线或电缆上，使一线偏振光通过并在所述的光纤腔中多次来回反射后输出，将单一的偏振面旋转角的光波转变为多个不同偏振面旋转角的光波的叠加，该叠加的光波具有特定的偏振度，该特定的偏振度与通过所述的多圈光纤环的电流的强度具有一一对应的关系，该对应的关系仅与光纤腔的结构有关，由此，将光的法拉第偏振旋转效应变为光的偏振度的变化，从而将电流的光波偏振面旋转角的测量转化为光波偏振度的测量，以获得高电压、强电流的电流信息。

本实用新型的技术方案如下

一种基于偏振度解调的电流传感装置，特征在于其由依次串连的非偏振光光源、第一传输光纤、起偏器、光纤腔、第二传输光纤和光偏振分析仪构成。

所述的光纤腔由串连的第一反射器、光纤环、第二反射器构成，所述的光纤环是一围绕待测电流电缆的多圈光纤环，所述的第一反射器和第二反射器的反射率的取值大于0，小于1。

所述的第一反射器和第二反射器分别为第一光纤光栅和第二光纤光栅。

所述的光纤腔由一个2×2光纤耦合器和光纤环构成：所述的起偏器的输出端接该2×2光纤耦合器第一端口，该光纤耦合器第二端口和第四端口连接所述的光纤环的两端，第三端口连接所述的第二传输光纤。

所述的光纤腔由第一多圈光纤环和第二多圈光线环两段由所述的光纤耦合器连接构成：第一多圈光纤环和第二多圈光线环的一端分别与所述的光纤耦合器的第二端口和第四端口连接，所述的第一多圈光纤环和第二多圈光线环另外一端分别连接第一法拉第旋转反射镜和第二法拉第旋转反射镜，所述的起偏器经一环形器接所述的光纤耦合器的第一端口，所述的第二传输光纤接所述的的环形器第三端口。

所述的电流传感装置，其特征在于所述的2×2光纤耦合器的第三端口通过另一连接光纤连接一环形器串连另一光纤腔，或进一步逐次通过环形器串连多个所述的光纤腔。

本实用新型方法的基本原理是基于光偏振的法拉第旋转效应，使一线偏振光在多圈光纤环的光纤腔结构中多次来回反射，将单一的偏振面旋转角的光波转变为多个不同偏振面旋转角的光波的叠加，该叠加的光波具有特定的偏振度，该特定的偏振度与通过所述的多圈光纤环的电流的强度具有一一对应的关系，该对应的关系仅与光纤腔的结构有关，由此，将光的法拉第偏振旋转效应变为光的偏振度的变化，从而将电流的光波偏振面旋转角的测量转化为光波偏振度的测量。

利用偏振度作电流传感的理论分析如下：本实用新型采用非相干光进行测量，假设电流传感头的光纤环圈数为N，待测电流为I，光纤法拉第效应维尔德常数为V，则光在传感头光纤中行进一次后，光信号偏振态旋转的角度为θ＝VNI，即随电流变化，光信号的电矢量大小及夹角E_x，E_y，φ也将随θ变化。由于光纤的维尔德常数很小，θ＜＜π，所以可以认为θ是随待测电流I单调变化的。利用斯托克司矢量在邦加球上描述光波在传感腔中偏振状态的变化，其各分量表示为：

S₀＝<|E_x|²>+<|E_y|²>，

S₁＝<|E_x|²>-<|E_y|²>，

S₂＝2<|E_x||E_y|cosφ>，

S₃＝2<|E_x||E_y|sinφ>。

式中<·>代表统计平均。

光波偏振度定义为 $\mathrm{DOP}=\sqrt{S_1^2+S_2^2+S_3^2}/S_0.$ 当光信号在传感腔中多次往复后，出射光波的偏振度可以写为与电流的函数：

$\mathrm{DOP}=\frac{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{i=\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_1^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+S_2^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+S_3^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}{\underset{i=0}{\overset{i=\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_0\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}=f\left(I\right)----\left(1\right)$

式中θ_i表示光信号在光纤腔中反射i次时的偏振旋转角，如前所述θ_i与传感电流I具有一一对应的关系；f(x)是与光纤腔结构有关的函数，其具体形式由光路的结构确定。因此，通过测量输出光波偏振度即可以得到待测电流值：

             I＝f^-1(DOP)                                      (2)

本实用新型的优点和特点是：

(1)本实用新型是基于光偏振的法拉第旋转效应引起光信号偏振面随电流改变，利用光纤腔将光信号偏振面旋转变为光信号偏振度的变化，测量光信号偏振度直接同电流值相关。不存在电流互感器中的磁滞现象和磁饱和现象。也不同于利用磁致伸缩材料机械转换过程的间接测量方法。

(2)本实用新型采用全光纤方案，实现了绝缘隔离探测，可应用于高压强电流的传感。

(3)本实用新型采用光偏振度的信号作为解调参数，克服了常规光纤法拉第效应电流传感中光传输线路中随机双折射干扰的问题。由此，可以实现多路复用，建立分布式光纤传感网络。

(4)本实用新型采用光纤腔结构将法拉第偏振旋转效应变为偏振度的变化。本实用新型中光纤腔结构具有较大的灵活性；可以通过传感头中光纤环圈数的调整，获得不同的探测灵敏度性能；与大多数光纤元器件兼容，具有进一步发展的余地。

(5)本实用新型的材料和元器件成熟，成本价格低廉，有利于推广应用。具有良好的性价比，预期有很好的市场前景。

附图说明

图1为本实用新型基于偏振度解调的电流传感器示意图。

图2为实施例一：采用光纤光栅对构成的偏振度解调的电流传感器结构示意图。

图3为实施例二：采用光纤耦合器的偏振度解调的电流传感器结构示意图。

图4为实施例三：采用法拉第旋转反射镜的偏振度解调的电流传感器结构示意图。

图5为实施例四：采用法拉第旋转反射镜的偏振度解调的电流传感器多路复用结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例一：利用光纤光栅对构成光纤腔的方案，如图2所示。由图可见，本实用新型法拉第效应的偏振度解调的电流传感装置，是由依次串连的非偏振光光源1、第一传输光纤21、起偏器3、光纤腔、第二传输光纤22和光偏振分析仪6构成。所述的光纤腔由串连的第一反射器71、光纤环4、第二反射器72构成，所述的光纤环4是一围绕待测电流电缆5的多圈光纤环，所述的第一反射器71和第二反射器72的反射率的取值大于0，小于1。

所述的第一反射器71和第二反射器72分别为第一光纤光栅73和第二光纤光栅74。在该实施例中，光纤腔由一对波长相同的第一光纤光栅73和第二光纤光栅74组成。由非相干光源1发出的光经过起偏器3，变为线偏振进入第一光纤光栅73和第二光纤光栅74及围绕在待测导线5周围的多圈光纤环4组成的传感头。从传感头透射的光，由偏振分析仪6测定其偏振度。

实施例二：利用光纤耦合器构成光纤环的方案，如图3所示。

图中1、3、4、5、6、21、22各个元件都与图1相同。但是，采用一个光纤耦合器75取代两个分开的反射器71、72。它可以起到两个反射器的作用。所述的光纤腔由一个2×2光纤耦合器75和光纤环4构成：所述的起偏器3的输出端接该2×2光纤耦合器75第一端口a，该光纤耦合器75第二端口b和第四端口d连接所述的光纤环4的两端，第三端口c连接所述的第二传输光纤22。假设该耦合器的分束比为K％∶(1-K)％，那么，光从耦合器第一端口a输入后，(1-K)％的功率从第三端口c输出，其余的K％功率从第四端口d输出。这部分光功率将经过围绕待测电流的多圈光纤环4，经受法拉第效应的偏振旋转；并回到光纤耦合器的第二个输入端口b。再从耦合器的输出端口分出同样比例的光功率第二次通过传感头光纤环，经受第二次法拉第旋转。如此不断地叠加。

实施例三：利用光纤耦合器和法拉第旋转反射镜的方案，如图4所示。图中1、21、22、3、5、6、75等各个元件都与图3相同。所述的光纤腔由第一多圈光纤环41和第二多圈光线环42两段由所述的光纤耦合器75连接构成：第一多圈光纤环41和第二多圈光线环42的一端分别与所述的光纤耦合器75的第二端口b和第四端口d连接，所述的第一多圈光纤环41和第二多圈光线环42另外一端分别连接第一法拉第旋转反射镜81和第二法拉第旋转反射镜82，所述的起偏器3经一环形器9接所述的光纤耦合器75的第一端口a，所述的第二传输光纤22接所述的的环形器9第三端口。

入射光通过一个环行器9进入传感头；从环行器9的第三端口可以获得从传感头4反射回来的光信号。法拉第旋转反射镜81和82具有对入射光全反射、而且使其偏振面旋转90度的作用。与实施方案二的情况相似，经受待测电流引起的法拉第旋转的光波，由于光纤耦合器的作用，也会多次经过传感头的光纤环，导致偏振度的降低。同时理论分析表明，采用法拉第旋转反射镜后，在传感头中反射光与入射光具有正交偏振态，这样可克服传感头内和传输光纤中本底双折射的影响，大大提高测量的稳定性。该实施例也可将连接耦合器d端口的传感光纤环42接耦合器75的c端口。

实施例四：多路复用的一种实施方案，见图5。

图5中各个元件与图4相同。但是增加了一段连接不同测试点的光纤23，图中画了两个光纤腔。即所述的2×2光纤耦合器75的第三端口c通过另一连接光纤连接一环形器9串连第二光纤腔。还可以进一步逐次通过环形器9串连多个所述的光纤腔。

偏振光信号在经过第一个传感头后，部分光功率由耦合器75的c端口输出，将其作为下一级传感头的输入由连接光纤23接下级传感头的环行器9。只要光源功率足够，还可以进一步延伸到更多的测试点。

Claims (6)

1、一种基于偏振度解调的电流传感装置，特征在于其由依次串连的非偏振光光源(1)、第一传输光纤(21)、起偏器(3)、光纤腔、第二传输光纤(22)和光偏振分析仪(6)构成。

2、根据权利要求1所述的电流传感装置，其特征在于所述的光纤腔由串连的第一反射器(71)、光纤环(4)、第二反射器(72)构成，所述的光纤环(4)是一围绕待测电流电缆(5)的多圈光纤环，所述的第一反射器(71)和第二反射器(72)的反射率的取值大于0，小于1。

3、根据权利要求2所述的电流传感装置，其特征在于所述的第一反射器(71)和第二反射器(72)分别为第一光纤光栅(73)和第二光纤光栅(74)。

4、根据权利要求1所述的电流传感装置，其特征在于所述的光纤腔由一个2×2光纤耦合器(75)和光纤环(4)构成：所述的起偏器(3)的输出端接该2×2光纤耦合器(75)第一端口(a)，该光纤耦合器(75)第二端口(b)和第四端口(d)连接所述的光纤环(4)的两端，第三端口(c)连接所述的第二传输光纤(22)。

5、根据权利要求1所述的电流传感装置，其特征在于所述的光纤腔由第一多圈光纤环(41)和第二多圈光线环(42)两段由所述的光纤耦合器(75)连接构成：第一多圈光纤环(41)和第二多圈光线环(42)的一端分别与所述的光纤耦合器(75)的第二端口(b)和第四端口(d)连接，所述的第一多圈光纤环(41)和第二多圈光线环(42)另外一端分别连接第一法拉第旋转反射镜(81)和第二法拉第旋转反射镜(82)，所述的起偏器(3)经一环形器(9)接所述的光纤耦合器(75)的第一端口(a)，所述的第二传输光纤(22)接所述的的环形器(9)第三端口。

6、根据权利要求5所述的电流传感装置，其特征在于所述的2×2光纤耦合器(75)的第三端口(c)通过另一连接光纤连接一环形器(9)串连另一光纤腔，或进一步逐次通过环形器(9)串连多个所述的光纤腔。

Images