RU2437106C2 - Волоконно-оптический датчик тока - Google Patents

Волоконно-оптический датчик тока Download PDF

Info

Publication number
RU2437106C2
RU2437106C2 RU2009148729/28A RU2009148729A RU2437106C2 RU 2437106 C2 RU2437106 C2 RU 2437106C2 RU 2009148729/28 A RU2009148729/28 A RU 2009148729/28A RU 2009148729 A RU2009148729 A RU 2009148729A RU 2437106 C2 RU2437106 C2 RU 2437106C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
radiation
fibre
modulator
output
Prior art date
Application number
RU2009148729/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2009148729A (ru
Inventor
Антон Игоревич Боев (RU)
Антон Игоревич Боев
Владимир Павлович Губин (RU)
Владимир Павлович Губин
Сергей Константинович Моршнев (RU)
Сергей Константинович Моршнев
Ян Владимирович Пржиялковский (RU)
Ян Владимирович Пржиялковский
Максим Владимирович Рябко (RU)
Максим Владимирович Рябко
Александр Иванович Сазонов (RU)
Александр Иванович Сазонов
Николай Иванович Старостин (RU)
Николай Иванович Старостин
Юрий Константинович Чаморовский (RU)
Юрий Константинович Чаморовский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Профотек"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Профотек" filed Critical Закрытое акционерное общество "Профотек"
Priority to RU2009148729/28A priority Critical patent/RU2437106C2/ru
Priority to BR112012016321A priority patent/BR112012016321A2/pt
Priority to KR1020127019797A priority patent/KR101408556B1/ko
Priority to US13/519,749 priority patent/US8624579B2/en
Priority to CN201080060216.7A priority patent/CN102859383B/zh
Priority to PCT/IB2010/056091 priority patent/WO2011080696A1/en
Publication of RU2009148729A publication Critical patent/RU2009148729A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2437106C2 publication Critical patent/RU2437106C2/ru
Priority to ZA2012/04783A priority patent/ZA201204783B/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам тока и работает на принципе эффекта Фарадея. Устройство состоит из электронного и оптического модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, последовательно расположенные поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур. Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, фотодетектор и генератор сигнала, связанный с модулятором. Модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида. Волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии. Волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. В волоконно-оптическом датчике тока в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением может быть использовано микроструктурное волокно. Технический результат - повышение чувствительности и точности датчика, снижение погрешности измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам, в частности к волоконно-оптическим датчикам тока.
Известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое через эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода. Согласно теореме о циркуляции магнитного поля имеем
Figure 00000001
где I - электрический ток, H - магнитное поле и интеграл берется по замкнутому пути вокруг тока. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг провода с током в виде контура с целым числом витков N, тогда поворот плоскости поляризации излучения на выходе из контура зависит от тока в проводе и не зависит от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводах. Угол поворота плоскости поляризации равен
Figure 00000002
,
где V - константа Верде для материала волокна (кварца). Чувствительное оптическое волокно выполняет линейное интегрирование магнитного поля вдоль его пути, интеграл пропорционален току в проводе, когда этот путь замкнут сам на себя. Вращение плоскости поляризации излучения из-за присутствия электрического тока измеряют путем введения излучения с линейной поляризацией в чувствительный волоконный контур, и последующего анализа состояния поляризации излучения после того, как он выйдет из чувствительного волоконного контура. С физической точки зрения поворот плоскости поляризации происходит из-за того, что две циркулярно поляризованные в противоположных направлениях и равные по величине компоненты излучения, сумма которых образует линейно поляризованное излучение, имеют различные скорости распространения в чувствительном волокне, находящемся в продольном магнитном поле, что приводит после прохождения чувствительного волокна к появлению (фарадеевского) фазового сдвига между ними, равного φF=2φ. Таким образом, чувствительное волокно должно сохранять состояние циркулярной поляризации.
Волоконно-оптические датчики тока измеряют величину угла поворота φ или, что эквивалентно, фазового сдвига φF. Известное устройство для измерения тока /1/ представляет собой взаимный отражательный оптический интерферометр, который включает в себя измерительный чувствительный волоконный контур из чувствительного оптического волокна, соединенный с поляризатором на одном конце волокна и с отражателем света (зеркалом) на другом. Между поляризатором и чувствительным контуром установлен расщепитель пучка (направленный ответвитель) для ответвления излучения на устройство для анализа поворота плоскости поляризации света после прохождения чувствительного волокна сначала в прямом и затем после отражения от зеркала в обратном направлении.
Известные чувствительные оптические волокна относятся к одному из двух видов. К первому виду относятся оптические волокна с очень малым собственным двойным лучепреломлением (ДЛП), ко второму - магниточувствительные оптические волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun волокна). Второй вид волокна получают вытяжкой при вращении заготовки с сильным встроенным линейным двойным лучепреломлением. В работе /1/ описан датчик тока с чувствительным контуром на основе магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик тока /2/, который включает в себя источник света; поляризатор, соединенный с источником света; пьезоэлектрический или электрооптический модулятор поляризации излучения, соединенный с поляризатором; волокно, сохраняющее линейную поляризацию излучения, соединенное с модулятором поляризации, четвертьволновую пластинку, соединенную с волокном, сохраняющим поляризацию; магниточувствительное волокно с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun-волокно), которое в значительной степени сохраняет состояние циркулярной поляризации, соединенное с четвертьволновой пластинкой; конечный отражатель, соединенный с вышеупомянутым магниточувствительным волокном; и фотодетектор, соединенный с поляризатором, и имеющим выход, при этом магниточувствительное волокно формирует чувствительный контур вокруг провода с протекающим током.
На Фиг.1 показан вариант осуществления известного линейного датчика тока. Свет от источника 1 распространяется через ответвитель 2 и поляризатор 3 к 45-градусной сварке 4, где он разделяется поровну в два состояния поляризации, сохраняемые на всем остатке оптической цепи. Пьезоэлектрический модулятор двойного лучепреломления 5 модулирует по-разному фазы света в двух состояниях поляризации. Модулятор 5 управляется с помощью генератора 6 сигнала модулятора, который обеспечивает электрический сигнал, имеющий синусоидальную или прямоугольную форму. Свет затем распространяется через волоконную линию задержки 7, выполненную из сохраняющего линейную поляризацию волокна (РМ волокна), необходимую для повышения эффективности модулятора, далее через конвертор мод 8 (четвертьволновую пластинку), который преобразует два линейных состояния поляризации в два циркулярных состояния поляризации, и через оптимизированный чувствительный контур 9 датчика. Чувствительный контур 9 датчика выполнен из spun-волокна с оптимально выбранными параметрами и намотан вокруг токонесущего провода 11. Свет отражается отражающим концом 10 (зеркалом) и повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на детектор 12. Блок обработки сигнала 13 преобразует продетектированный сигнал к выходу 14, который показывает ток, протекающий в проводе 11.
Для получения высокой чувствительности датчика необходимо, чтобы циркулярные состояния поляризации хорошо сохранялись на всем протяжении чувствительного контура. Хорошо известно из области техники, к которой относится изобретение, что прямое spun-волокно может достаточно хорошо сохранять состояние циркулярной поляризации на длинах в сотни метров. Однако при радиусе изгиба менее 20 мм чувствительность известного волокна резко снижается, так что, при заданной длине магниточувствительного волокна, увеличение допустимого числа волоконных витков в контуре и, следовательно, чувствительности датчика, ограничены. Волоконно-оптические датчики, описанные в прототипе, преодолевают многие недостатки, присущие традиционным цельноволоконным датчикам. Однако остаются проблемы, которые влияют на точность датчика. Для примера, чтобы иметь очень точное измерение, оптические компоненты, в особенности четвертьволновая пластинка, должны быть идеальными и не быть подверженными внешним воздействиям, таким как температурные изменения и механические возмущения. Хорошо установлено, что идеальные или почти идеальные четвертьволновые пластинки трудно и очень дорого изготавливать, чтобы достигнуть точного считывания, требуемого в определенных применениях. Известные пьезоэлектрические и электрооптические модуляторы имеют остаточный уровень паразитной модуляции, снижающей точность датчика. РМ волокно имеет высокую стоимость. Для эффективной модуляции в известных оптических схемах, включая прототип, требуется большая длина РМ волокна (до 1 км) в линии задержки.
Кроме того, существует потребность в волоконно-оптических датчиках тока, имеющих очень высокую чувствительность. Так, в некоторых применениях необходимо контролировать малые токи утечки в линиях с большими номинальными токами, например, в подземных кабелях.
Наконец, актуальной проблемой в известных волоконно-оптических датчиках тока является зависимость величины магнитооптической чувствительности волокна контура от внешних температурных и механических воздействий на это волокно. Эта зависимость ограничивает точность датчика при наличии указанных воздействий и требует ряда сложных защитных мер для чувствительного контура.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности волоконно-оптического датчика электрического тока и снижение погрешностей измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий на волокно.
Технический результат изобретения достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике тока, состоящем из электронного и оптического модулей, в котором оптический модуль включает в себя источник излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фотодетектором, к выходу ответвителя присоединены расположенные последовательно друг за другом поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур, изготовленный из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun-волокно), и связанный с отражателем излучения; а электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, вход которого связан с выходом фотодетектора и генератор сигнала, связанный с модулятором, модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида, связанного с генератором сигнала, волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии, первый вход которой соединен с выходом волоконного контура модулятора, второй - с отражателем излучения, первый выход двойной бифилярной волоконной линии соединен со входом измерительного чувствительного волоконного контура, выход которого соединен со вторым выходом двойной бифилярной волоконной линии, при этом волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. В волоконно-оптическом датчике тока в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением может быть использовано микроструктурное волокно. Оптимальные параметры магниточувствительного волокна для волоконного контура модулятора, бифилярной двойной волоконной линии и измерительного чувствительного волоконного контура следующие: длина поляризационных биений встроенного линейного двулучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения составляет не менее 15 нм.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, где 1 - источник излучения, 2 - направленный ответвитель, 3 - поляризатор излучения, 4 - модулятор поляризации излучения, 5 - волоконный контур модулятора, 6 - соленоид, 7 - двойная бифилярная волоконная линия, 8 - первый вход двойной бифилярной волоконной линии, 9 - второй вход двойной бифилярной волоконной линии, 10 - отражатель излучения, 11 - измерительный чувствительный волоконный контур, 12 - первый выход двойной бифилярной волоконной линии, 13 - второй выход двойной бифилярной волоконной линии, 14 - провод, 15 - генератор сигнала, 16 - фотодетектор, 17 - блок обработки сигнала, 18 - выход датчика.
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от широкополосного источника излучения 1 вводится в первый вход направленного ответвителя 2 и с его выхода поступает на вход поляризатора 3. На другом выходе направленного ответвителя излучение поглощается. К другому входу направленного ответвителя присоединен фотодетектор 16, принимающий оптическое излучение, возвращающееся из оптического интерферометра. Поляризатор 3 создает на своем выходе оптическое излучение с высокой степенью линейной поляризации электрического поля, которое можно представить как сумму двух циркулярно поляризованных оптических компонент с взаимно противоположными направлениями вращения вектора электрического поля. Излучение с выхода поляризатора поступает на вход волоконного контура 5 модулятора 4 поляризации излучения. Контур состоит из нескольких витков магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. Через плоскость контура проходят проводники с вспомогательным током, которые образуют соленоид 6, по оси которого проходит волокно контура. Вспомогательный ток создается генератором сигнала 15. Оптическое излучение, проходящее по волокну модулятора, приобретает вследствие эффекта Фарадея изменение азимута линейной поляризации, пропорциональное величине вспомогательного тока в соленоиде. Указанный ток имеет синусоидальную форму и обеспечивает периодическую модуляцию азимута вектора электрического поля. Такая конструкция модулятора позволяет получить модуляционный режим работы интерферометра при короткой базе (не требующей длинной линии задержки) и без сопутствующей паразитной модуляции, снижающей точность датчика тока. Далее оптическое излучение поступает на первый вход 8 бифилярной двойной волоконной линии 7 и затем через первый выход 12 вышеупомянутой линии излучение поступает на входной конец волокна измерительного чувствительного волоконного контура 11, волокно которого намотано вокруг провода 14 с измеряемым током. Бифилярная двойная волоконная линия 7 состоит из двух расположенных близко друг к другу отрезков магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением, при этом направления распространения оптического излучения в этих отрезках взаимно противоположны. Такая конструкция исключает влияние внешних магнитных полей на состояние поляризации излучения, и, в то же время, обеспечивает сохранение поляризации излучения при его проходе к измерительному контуру 11 и обратно. По мере прохода по волокну контура 11, которое находится в продольном магнитном поле измеряемого тока, оптическое излучение приобретает вследствие эффекта Фарадея фазовый сдвиг между своими поляризационными компонентами (модами), что выражается в изменении азимута вектора электрического поля излучения, причем изменение азимутального угла пропорционально величине тока. Выходной конец волоконного контура 11 соединен со вторым выходом 13 волоконной линии 7, через который оптическое излучение поступает вновь в волоконную линию 7 и затем через второй вход 9 этой линии поступает на отражатель 10 оптического излучения. Отраженное излучение проходит такой же оптический путь в обратном направлении, проходя линию 7, контур И, вновь линию 7, модулятор 4, поляризатор 3, и через ответвитель 2 поступает на фотодетектор 16. Фотодетектор 16 вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности модулированного оптического излучения, который обрабатывается в электронном блоке обработки сигнала 17, создавая выход 18 датчика, показывающий измеряемый ток.
Основная часть оптической схемы датчика тока - волоконный контур модулятора поляризации 5, волоконная линия 7 и измерительный волоконный контур 11 - выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным двойным лучепреломлением. Эта часть схемы образует взаимный оптический интерферометр, имеющий общий вход/выход, которым является поляризатор 3. В указанном интерферометре в значительной степени сохраняется состояние циркулярной поляризации излучения, поскольку все его оптические элементы выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением с параметрами, при которых достигается упомянутое сохранение поляризации. Линейно поляризованное оптическое излучение, состоящее из правой и левой циркулярных поляризационных ортогональных мод равной интенсивности, при проходе от поляризатора 3 к отражателю 10 приобретает фазовые сдвиги между модами как полезные - за счет эффекта Фарадея в модуляторе и измерительном контуре, так и нежелательные - вследствие обычного запаздывания в волокне. При отражении от отражателя 10 моды меняются местами - правая поляризация становится левой и наоборот. Поэтому при обратном проходе все нежелательные фазовые сдвиги компенсируются, а полезные удваиваются, поскольку они вызваны невзаимным эффектом Фарадея. Полезные фазовые сдвиги включают в себя как синусоидальную компоненту модуляции, так и компоненту, пропорциональную измеряемому току. Полезные фазовые сдвиги проявляются на выходе интерферометра в том, что выходящее из него линейно поляризованное излучение имеет азимут, изменяющийся пропорционально току в соленоиде 5 модулятора и измеряемому току в проводе 14. Эти изменения азимута после прохождения через поляризатор к фотодетектору 16 преобразуются в изменения интенсивности излучения. Фотодетектор вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического излучения и поступающий на вход электронного блока 16, который реализует известный способ модуляционного измерения фазового сдвига, пропорционального измеряемому току.
Вышеупомянутое магниточувствительное волокно с встроенным двойным лучепреломлением характеризуется двумя основными параметрами, которые совместно определяют технические характеристики волокна: величину полезной магнитооптической чувствительности и нежелательную степень влияния на нее температурных и механических внешних воздействий. К указанным параметрам волокна относятся длина биений встроенного линейного двойного лучепреломления Lb и шаг вращения Lsp, которые выбираются при изготовлении волокна. Известны две основные конструкции вышеупомянутого магниточувствительного волокна: традиционная (обычная) и микроструктурная. Магниточувствительное волокно традиционной конструкции получают из стандартных анизотропных заготовок, аналогичных тем, из которых изготавливают волокно, сохраняющее линейную поляризацию излучения (РМ волокно). В них сердцевина и оболочка выполнены из легированного кварца. В микроструктурном волокне оболочка представлена продольными каналами, заполненными воздухом, которые окружают кварцевую сердцевину. Такая конструкция обеспечивает ряд преимуществ: сильное линейное двойное лучепреломление, слабая температурная зависимость последнего, малые потери при изгибе и др. Результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют сделать выбор вышеуказанных параметров - длины биений и шага вращения, при которых достигается оптимальный результат. С учетом нежелательного влияния внешних воздействий измеряемый угол поворота плоскости поляризации при двойном проходе оптического излучения по контуру равен
φ=2SVNI,
где S≤1 - нормированная на один виток относительная магнитооптическая чувствительность. Величина S зависит от параметров волокна и от деформаций волокна, в частности, вызванных изгибом по радиусу R при намотке в измерительный контур. Анализ характеристик магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением был проведен на основе теоретической модели волокна со спиральной структурой осей встроенного линейного двойного лучепреломления /3/. Анализ показал, что магнитооптическая чувствительность такого волокна осциллирует по длине волокна, причем величина периода Losc пространственных осцилляций зависит от тех же параметров волокна Lb и Lsp. Для снижения влияния внешних деформаций на магнитооптическую чувствительность волокна нужно иметь малую величину периода Losc, не превышающую величину пространственного интервала LΔλ усреднения, которое происходит вследствие широкого спектра Δλ, источника излучения. При этом условии осцилляции чувствительности не проявляются и магнитооптическая чувствительность волокна наименее подвержена внешним деформациям. Для λ=1.55 мкм и Δλ≥15 нм согласно расчету имеем LΔλ≥4 мм, так что нужно иметь Losc<4 мм. На фиг.3 представлены расчетные зависимости S(Lsp) (фиг.3а) и Losc(Lsp) (фиг.3б) при различных Lb. На основании анализа чувствительное волокно должно иметь длину поляризационных биений встроенного двойного лучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения должна быть не менее 15 нм. Волокно с вышеуказанными параметрами имеет высокую магнитооптическую чувствительность, близкую к теоретическому пределу для материала волокна (кварца), и обладает высокой устойчивостью к температурным и механическим воздействиям, что позволяет получать стабильный и точный масштабный коэффициент датчика тока.
Как пример реализации предлагаемого устройства рассматривается лабораторный макет датчика тока, схема которого представлена на фиг.2. В ней применены следующие элементы. В качестве источника применен волоконный источник излучения на основе волокна, легированном эрбием, имеющий мощность 30 мВт на длине волны 1.55 мкм с шириной спектра излучения 20 нм. В качестве волокна для модулятора поляризации, волоконной линии и чувствительного измерительного контура применено магниточувствительное волокно с встроенным двойным лучепреломлением микроструктурной конструкции с параметрами: Lb=5 мм и Lsp=3.5 мм. Все указанные элементы изготовлены из одного куска этого волокна без стыков. Модулятор содержит 10000 витков волокна, намотанного на кольцевой каркас с наружным радиусом 10 мм и длиной 100 мм. Через внутреннее отверстие каркаса проходят 48 витков медного провода диаметром 1 мм, образующие соленоид, через который пропускали переменный ток 3 A с частотой 40 кГц. Модулятор обеспечивал амплитуду модуляции 1.84 рад, необходимую для нормальной работы электронного блока. При этом не было обнаружено паразитных сигналов на частоте модуляции. Бифилярная линия имела длину 2 м. Измерительный контур содержал 3000 витков волокна, намотанных на кольцевой каркас с наружным радиусом 10 мм и длиной 30 мм. Использован описанный в /3/ электронный блок для обработки выходного сигнала фотодетектора, позволяющий измерить фазовый сдвиг, пропорциональный току. На фиг.4 показана выходная характеристика рассматриваемого датчика тока (зависимость измеренного тока Imeas от измеряемого тока I), которая демонстрирует возможность реализации предлагаемого устройства, причем измерительный контур имеет большое число витков волокна (N=3000). Дополнительно было измерено влияние механических возмущений (изгибных деформаций волокна) на магнитооптическую чувствительность волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. С этой целью были изготовлены несколько чувствительных измерительных контуров из указанного волокна микроструктурной конструкции с параметрами Lb=1 мм и Lsp=3.5 мм, намотанного на каркасы разного диаметра. Каждый контур был испытан в качестве чувствительного измерительного контура в макете датчика тока. Была измерена относительная чувствительность S(R), которая представлена на фиг.5 (показана прямоугольниками). Для сравнения на фиг.5 показана также зависимость S(R) для магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением традиционной конструкции (показана треугольниками) с Lb=15 мм, Lsp=2.5 мм. Из фиг.5 следует, что наиболее слабую зависимость от изгиба имеет волокно с параметрами Lb=1 мм и Lsp=3.5 мм. Оно имеет постоянную нормированную чувствительность вплоть до радиуса изгиба 2.5 мм, что в 8 раз лучше, чем для традиционного волокна (для него R≥20 мм). Таким образом, при заданной длине волокна предлагаемое волокно позволяет намотать контур с числом витков N в 8 раз большим, чем для используемого в прототипе волокна. С учетом того, что нормированная на виток чувствительность предлагаемого волокна составляет 70% от чувствительности традиционного волокна, чувствительность датчика может быть повышена в 5 раз. Кроме того, использование микроструктурного волокна позволяет снизить влияние изменений температуры на точность датчика тока.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достигнуть технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и точности волоконно-оптического датчика электрического тока и снижении погрешностей измерения тока из-за внешних температурных и механических возмущений.
Литература
1. R.I.Laming, D.N.Payne. “Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers”, J. of Lightwave Technology, 7, no. 12, 2084-2094 (1989).
2. Патент США. No. 6188811, от 13.02.2001. J.N.Blake «Fiber optic current sensor».
3. В.П.Губин, В.А.Исаев, C.K.Моршнев, А.И.Сазонов, Н.И.Старостин, Ю.К.Чаморовский, А.И.Усов. «Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока», Квант. Электрон., 36, №3, 287-291 (2006).

Claims (3)

1. Волоконно-оптический датчик тока, состоящий из электронного и оптического модулей, в котором оптический модуль содержит источник излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фотодетектором, к выходу ответвителя присоединены расположенные последовательно друг за другом поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур, изготовленный из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением и связанный с отражателем излучения, а электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, вход которого связан с выходом фотодетектора и генератор сигнала, связанный с модулятором, отличающийся тем, что модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида, связанного с генератором сигнала, волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии, первый вход которой соединен с выходом волоконного контура модулятора, второй - с отражателем излучения, первый выход двойной бифилярной волоконной линии соединен со входом измерительного чувствительного волоконного контура, выход которого соединен со вторым выходом двойной бифилярной волоконной линии, при этом волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением.
2. Волоконно-оптический датчик тока по п.1, отличающийся тем, что магниточувствительное волокно с встроенным линейным двойным лучепреломлением имеет длину поляризационных биений встроенного линейного двулучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения составляет не менее 15 нм.
3. Волоконно-оптический датчик тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением используют микроструктурное волокно.
RU2009148729/28A 2009-12-29 2009-12-29 Волоконно-оптический датчик тока RU2437106C2 (ru)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009148729/28A RU2437106C2 (ru) 2009-12-29 2009-12-29 Волоконно-оптический датчик тока
BR112012016321A BR112012016321A2 (pt) 2009-12-29 2010-12-28 sensor de corrente de fibra óptica
KR1020127019797A KR101408556B1 (ko) 2009-12-29 2010-12-28 파이버 옵틱 전류 센서
US13/519,749 US8624579B2 (en) 2009-12-29 2010-12-28 Fiber optic current sensor
CN201080060216.7A CN102859383B (zh) 2009-12-29 2010-12-28 光纤电流传感器
PCT/IB2010/056091 WO2011080696A1 (en) 2009-12-29 2010-12-28 Fiber optic current sensor
ZA2012/04783A ZA201204783B (en) 2009-12-29 2012-06-27 Fiber optic current sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009148729/28A RU2437106C2 (ru) 2009-12-29 2009-12-29 Волоконно-оптический датчик тока

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009148729A RU2009148729A (ru) 2011-07-20
RU2437106C2 true RU2437106C2 (ru) 2011-12-20

Family

ID=43971708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009148729/28A RU2437106C2 (ru) 2009-12-29 2009-12-29 Волоконно-оптический датчик тока

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8624579B2 (ru)
KR (1) KR101408556B1 (ru)
CN (1) CN102859383B (ru)
BR (1) BR112012016321A2 (ru)
RU (1) RU2437106C2 (ru)
WO (1) WO2011080696A1 (ru)
ZA (1) ZA201204783B (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2567116C1 (ru) * 2014-06-17 2015-11-10 Закрытое акционерное общество "Профотек" Волоконно-оптический чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля
RU2620927C1 (ru) * 2016-02-05 2017-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Оптический измеритель переменного тока
RU2663545C1 (ru) * 2017-08-28 2018-08-07 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях
WO2023287325A1 (ru) * 2021-07-13 2023-01-19 Дмитрий Евгеньевич ГЛУХОВ Способ мультиспектрального зондирования для диагностики биологических объектов
RU2792207C1 (ru) * 2022-02-15 2023-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Волоконно-оптический чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля
WO2023158335A1 (ru) * 2022-02-15 2023-08-24 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Волоконно-оптический датчик электрических токов мегаамперного диапазона

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102314002B (zh) * 2011-09-06 2013-04-03 电子科技大学 一种偏振控制器
CN102539883A (zh) * 2011-12-16 2012-07-04 西安交通大学 螺线管嵌套型全光纤电流传感器
CN102539873B (zh) * 2012-01-10 2013-12-25 中国科学院西安光学精密机械研究所 光纤电流传感器线圈及光纤电流传感器
CN102608380B (zh) * 2012-02-29 2013-12-11 曲阜师范大学 自感应光电混合式电流互感器
CN102967740B (zh) * 2012-11-29 2015-04-29 易能（中国）电力科技有限公司 一种全光纤电流互感器和测量电流的方法
CN103048520B (zh) * 2012-12-21 2015-08-19 成都天奥电子股份有限公司 原子电流传感器
US9733133B2 (en) * 2013-10-07 2017-08-15 Xiaotian Steve Yao Faraday current and temperature sensors
KR102098626B1 (ko) * 2013-10-16 2020-04-08 한국전자통신연구원 광섬유 전류 센서
CN103823165A (zh) * 2014-02-26 2014-05-28 国家电网公司 一种基于泄漏电流的绝缘子污闪预警方法及其系统
CN107003343B (zh) * 2014-08-19 2020-10-09 Abb电网瑞士股份公司 具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器
KR101972935B1 (ko) * 2015-01-16 2019-04-29 지멘스 악티엔게젤샤프트 광전기 측정 디바이스 및 전류를 측정하기 위한 방법
EP3104183A1 (en) 2015-06-10 2016-12-14 Lumiker Aplicaciones Tecnologicas S.L. Current measuring equipment based on optical fiber for measuring the current circulating through a conductor and the associated method
CN105372477B (zh) * 2015-12-04 2018-09-18 华北电力大学（保定） 干涉式精确电流传感器
CN105425016A (zh) * 2015-12-24 2016-03-23 国网重庆市电力公司电力科学研究院 一种光学电流传感器用集成光路芯片及其光学电流传感器
CN107091950B (zh) 2016-02-16 2021-01-19 姚晓天 基于光学传感原理集成了温度传感的反射式电流和磁场传感器
CN106199124A (zh) * 2016-06-24 2016-12-07 桂林创研科技有限公司 光纤电流感测光路系统
US10135200B2 (en) * 2016-08-09 2018-11-20 International Business Machines Corporation Embedded platform in electrical cables
CN106597052B (zh) * 2016-11-09 2019-05-03 东北电力大学 一种新型全光纤电流互感器及其干涉部件的制作方法
CN106771496B (zh) * 2017-01-10 2019-02-15 上海理工大学 一种光学电流传感器
JP6653308B2 (ja) 2017-11-15 2020-02-26 株式会社Ｋｏｋｕｓａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ 半導体装置の製造方法、基板処理装置、およびプログラム
CN108168687B (zh) * 2018-03-21 2024-09-06 南京曦光信息科技有限公司 一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器
CN109709372B (zh) * 2018-11-28 2020-06-30 中国矿业大学 一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法
US10866438B2 (en) * 2019-03-12 2020-12-15 Viavi Solutions Inc. Faraday-based polarization scrambler
CN110687337B (zh) * 2019-09-17 2021-11-19 中国计量科学研究院 一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法
CN110907876B (zh) * 2019-12-06 2021-01-15 西安交通大学 一种光纤电流传感器故障诊断系统及其诊断方法
CN111190038B (zh) * 2020-03-02 2024-08-20 河北省机电一体化中试基地有限公司 一种电磁传感器和电磁传感系统
CN111812379B (zh) * 2020-06-19 2021-10-15 华中科技大学 一种自补偿型光纤电流传感系统
CN115113339B (zh) * 2022-07-26 2024-02-13 浙江大学湖州研究院 一种偏振无关的低损耗光开关

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4372685A (en) * 1979-01-15 1983-02-08 Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. Method and arrangement for the measurement of rotations
FR2461956A1 (fr) * 1979-07-24 1981-02-06 Thomson Csf Dispositif interferometrique de mesure de courant electrique a fibre optique
FR2535464A1 (fr) * 1982-10-28 1984-05-04 Commissariat Energie Atomique Dispositif de mesure de temperature et/ou d'intensite electrique a effet faraday
DE3923803A1 (de) * 1989-07-19 1991-01-31 Messwandler Bau Ag Faseroptische anordnung zum messen der staerke eines elektrischen stromes
US5115127A (en) * 1990-01-03 1992-05-19 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Optical fiber sensor for measuring physical properties of fluids
US5056885A (en) * 1990-05-10 1991-10-15 General Electric Company Fiber optic switch
DE4312183A1 (de) * 1993-04-14 1994-10-20 Siemens Ag Optisches Meßverfahren zum Messen eines elektrischen Wechselstromes mit Temperaturkompensation und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
US5568049A (en) * 1993-10-22 1996-10-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fiber optic faraday flux transformer sensor and system
US5434501A (en) * 1994-04-29 1995-07-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Polarization insensitive current and magnetic field optic sensor
US5589933A (en) * 1994-10-24 1996-12-31 Photon Kinetics, Inc. Optical fiber test instrument with mechanically positioned attenuator
AU1215400A (en) * 1998-10-21 2000-05-08 Paul G. Duncan Methods and apparatus for optically measuring polarization rotation of optical wave fronts using rare earth iron garnets
US6188811B1 (en) * 1998-10-31 2001-02-13 The Texas A&M Universtiy System Fiber optic current sensor
US6301400B1 (en) * 1998-11-12 2001-10-09 Nxtphase Technologies Srl Fiber optic current sensor having rotation immunity
AU1732300A (en) * 1998-11-23 2000-06-13 The Texas A & M University System Displacement current based voltage sensor
US6166816A (en) * 1998-12-31 2000-12-26 Blake; James N. Combination fiber optic current/voltage sensor
JP2007040884A (ja) * 2005-08-04 2007-02-15 Hitachi Cable Ltd 反射型光ファイバ電流センサ
CN101320055B (zh) * 2007-06-06 2011-05-11 上海康阔光通信技术有限公司 全光纤电流传感器
US7679753B2 (en) * 2007-06-26 2010-03-16 Huang Hung-Chia Passively biased fiber-optic gyroscope and current sensor
CN101521104B (zh) * 2008-11-19 2011-06-29 南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司 一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2567116C1 (ru) * 2014-06-17 2015-11-10 Закрытое акционерное общество "Профотек" Волоконно-оптический чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля
RU2620927C1 (ru) * 2016-02-05 2017-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Оптический измеритель переменного тока
RU2663545C1 (ru) * 2017-08-28 2018-08-07 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях
WO2023287325A1 (ru) * 2021-07-13 2023-01-19 Дмитрий Евгеньевич ГЛУХОВ Способ мультиспектрального зондирования для диагностики биологических объектов
RU2792207C1 (ru) * 2022-02-15 2023-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Волоконно-оптический чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля
WO2023158335A1 (ru) * 2022-02-15 2023-08-24 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Волоконно-оптический датчик электрических токов мегаамперного диапазона

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120099791A (ko) 2012-09-11
CN102859383B (zh) 2015-04-01
BR112012016321A2 (pt) 2018-04-03
WO2011080696A1 (en) 2011-07-07
ZA201204783B (en) 2013-02-27
CN102859383A (zh) 2013-01-02
US8624579B2 (en) 2014-01-07
RU2009148729A (ru) 2011-07-20
KR101408556B1 (ko) 2014-07-02
US20120286767A1 (en) 2012-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2437106C2 (ru) Волоконно-оптический датчик тока
US6301400B1 (en) Fiber optic current sensor having rotation immunity
JP4669469B2 (ja) 反射型光ファイバ電流センサ
CN107003343B (zh) 具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器
WO1998008105A1 (en) Fiber optics apparatus and method for accurate current sensing
US6707558B2 (en) Decreasing the effects of linear birefringence in a fiber-optic sensor by use of Berry&#39;s topological phase
RU2547753C2 (ru) Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с температурной компенсацией, нечувствительный к изменению параметров датчика
JP4234885B2 (ja) サニヤック干渉計型電流センサ
WO2007033057A2 (en) Fiber optic current sensor
Yang Temperature sensor based on PNR in Sagnac interferometer
Wang et al. Design of the portable fiber-optic current transformer for electrolytic aluminum industry
US6307632B1 (en) Magnetic field integrated fiber optic sensor with improved sensitivity
RU96986U1 (ru) Волоконно-оптический датчик тока
US20040246467A1 (en) Production method for a sensor head for optical current sensors
US5677622A (en) Current sensor using a Sagnac interferometer and spun, single mode birefringent optical fiber to detect current via the Faraday effect
RU2451941C1 (ru) Волоконно-оптический измерительный преобразователь тока
JPH11352158A (ja) 光ファイバー計測器
US7102757B2 (en) Current measurement method and device based on a fiber optic in-line Sagnac interferometer
RU108633U1 (ru) Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока стационарного исполнения
Xue et al. Upgrade of poloidal field coils current measurement system on Experimental Advanced Superconducting Tokamak
CA2117344C (en) Current sensor
RU2497135C1 (ru) Способ и волоконно-оптическое устройство (варианты) для измерения величины электрического тока и магнитного поля
CN115184661B (zh) 一种基于光纤环形腔的全光纤电流互感器及电流测量方法
RU100630U1 (ru) Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока
BR102021011074A2 (pt) Transformador de corrente óptico

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20200723

Effective date: 20200723