專利名稱：反射式全光纖電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流傳感器，特別是一種用于髙壓線路中測(cè)量大電流和進(jìn)行繼電 保護(hù)的反射式全光纖電流傳感器。
技術(shù)背景在長(zhǎng)距離電力傳輸中為減小傳輸損耗，提髙傳輸電壓是一個(gè)有效的辦法。目前在 髙壓線路中測(cè)量電流和進(jìn)行繼電保護(hù)的均是采用由硅鋼片和漆包銅線組成的電流互 感器。隨著線路電壓不斷地提髙，這種電流互感器在絕緣上遇到了極大的困難。而制 作光纖的石英材料本身就是良好的絕緣體。所以用光纖制成的電流互感器理論上可以 在任意高電壓下使用，是目前使用的電流互感器的理想的替代品。當(dāng)電流在導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，采用法拉第效應(yīng)的辦法測(cè)量出該 磁場(chǎng)就能得到導(dǎo)體內(nèi)流過(guò)的電流。光纖電流傳感器通常是在導(dǎo)體外繞上一定圏數(shù)的光 纖形成一個(gè)光纖傳感環(huán)，當(dāng)光纖環(huán)內(nèi)的導(dǎo)體有電流流過(guò)時(shí)，則周圍產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)， 法拉第效應(yīng)使得光纖環(huán)的光纖內(nèi)傳輸光的偏振方向變化一微小角度,測(cè)量出角度的變 化量就能得到環(huán)內(nèi)導(dǎo)體所通過(guò)的電流。由于該角度很微小，直接測(cè)量角度來(lái)確定電流 值精度非常不髙，所以目前通常采用光的干涉法。光的干涉測(cè)量方法的基本思想是把 由法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的線偏振光角度的變化轉(zhuǎn)變成光的相位變化。具體做法是先把線偏 振光變成圓偏振光，并在傳感光纖環(huán)的光纖內(nèi)傳播，由于圓偏振光的角度變化就是光 的相位變化，當(dāng)圓偏振光傳感到角度變化(即相位變化)后再把它變回到線偏振光， 這樣變回到的線偏振光中就包含了相位變化，然后再通過(guò)薩格奈克干涉檢測(cè)出該光波 相位的變化量，就能得到導(dǎo)體內(nèi)所通過(guò)的電流數(shù)值了。薩格奈克干涉法檢測(cè)光波的相位變化靈敏度髙穩(wěn)定性好。但是它的干涉工作點(diǎn)處 于最不靈敏的7C點(diǎn)上，所以必須附加上一個(gè)光波的相位偏置。目前最常用的做法是用 —個(gè)光纖延遲線圏再進(jìn)行一個(gè)固定頻率的相位調(diào)制。例如郭偉等反射式薩格奈克干涉儀型全光纖電流互感器，中國(guó)專利，公開(kāi)號(hào)CN1540355A。參見(jiàn)圖4，該專利采用光 波相位調(diào)制器，信號(hào)震蕩源和保偏光纖延遲線一起組成的有源光波相位偏置系統(tǒng)來(lái)產(chǎn) 生相位偏置，這樣的有源相位偏置在穩(wěn)定性，信噪比等方面不可避免地存在一些不足。 另外在郭偉等人的專利中，感應(yīng)光纖線圈在感應(yīng)到法拉第電流信號(hào)后，光波被反射膜 反射后順原路在同一根保偏光纖返回。僅僅是原來(lái)的X方向偏振轉(zhuǎn)換成Y方向偏振，原來(lái)的Y方向偏振轉(zhuǎn)換成X方向偏振。但是由于1/4波片和感應(yīng)光纖線圈絕非理想 的偏振光元件，在X方向偏振光轉(zhuǎn)換成Y方向偏振光回傳時(shí)仍然存在少量的X方向 殘余偏振光，同樣在Y方向偏振光轉(zhuǎn)換成X方向偏振光時(shí)也仍然會(huì)存在少量的Y方 向殘余偏振光，這兩部分殘余偏振光回傳通過(guò)光纖偏振器進(jìn)行干涉時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的偏 振噪聲，從而影響互感器的測(cè)量精度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種反射式全光纖電流傳感 器，它通過(guò)采用兩個(gè)l/4光纖波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器組成穩(wěn)定的相位偏置，使得采用保 偏光纖耦合器和偏振合波器組成的薩格奈克干涉回路能非常穩(wěn)定地工作。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本發(fā)明為一個(gè)反射式干涉型全光纖電流傳感器，其主要由光源、隔離器、保偏光 纖耦合器、光纖偏振器、1/4光纖波片、法拉第旋轉(zhuǎn)器、偏振合波器、保偏光纖傳輸 光纜和傳感光纖環(huán)組成。光源SLD通過(guò)保偏光纖隔離器進(jìn)入保偏光纖耦合器，該耦 合器的兩個(gè)輸出端口各連接一個(gè)偏振器，其中一個(gè)偏振器的輸出端口通過(guò)由兩個(gè)光纖 1/4波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器組成相位偏置系統(tǒng)后，進(jìn)入光纖偏振合波器。另一個(gè)偏振器 的輸出端口直接和光纖偏振合波器的另一個(gè)端口呈旋轉(zhuǎn)卯度焊接。該兩路光由偏振 合波器合波后，呈正交偏振態(tài)由保偏光纜傳輸至光纖傳感環(huán)。光纖傳感環(huán)是由一個(gè) 1/4波片和圓保偏光纖以及反射端面組成。由反射端面反射后的信號(hào)經(jīng)過(guò)薩格奈克干 涉回路后由保偏光纖耦合器的另一個(gè)端口輸出，再由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后再進(jìn) 入電信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種反射式全光纖電流傳感器，包括光源、隔離器、保偏光纖耦合器、光纖偏振 器、光波相位偏置系統(tǒng)、光纖l/4波片、保偏光纖傳輸光纜和光纖傳感環(huán)、光電探測(cè) 器和光電信號(hào)處理器；所述光源通過(guò)隔離器后接入保偏光纖耦合器，該保偏光纖耦合 器的一個(gè)正向輸出端口經(jīng)所述光纖偏振器和光波相位偏置系統(tǒng)連接到保偏傳輸電纜， 保偏傳輸光纜經(jīng)所述1/4波片與傳感光纖環(huán)連接；所述的保偏光纖耦合器的另一個(gè)端 口經(jīng)所述光電探測(cè)器連接到所述電信號(hào)處理器；其特征在于(1) 所述光波相位偏置系統(tǒng)由兩個(gè)1/4波片之間連接一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器組成；(2) 所述保偏光纖耦合器另一個(gè)正向輸出端口連接到另一個(gè)偏振器，該偏振器 的輸m端口官接和一個(gè)偏振僉被器呈旋轉(zhuǎn)90。'煌接(3)所述光波相位偏置系統(tǒng)通過(guò)所述偏振合波器連接保偏傳輸光纜。上述的反射式全光纖電流傳感器中，還有一個(gè)第二保偏光纖耦合器和一 個(gè)第二光 電探測(cè)器；光源通過(guò)隔離器進(jìn)入第二保偏光纖耦合器，其正向輸出一端連接所述保偏 光纖耦合器，另一正向輸出端空置不用，第二保偏光纖耦合器的另一端連接所述第二 光電探測(cè)器后接入所述電信號(hào)處理器。上述的反射式全光纖電流傳感器中，兩個(gè)所述光纖偏振器與所述保偏光纖耦合器 互換連接位置光源經(jīng)過(guò)隔離器后接入第二保偏光纖耦合器，其正向輸出一端通過(guò)所 述偏振器后再接入所述2x2保偏光纖耦合器，而另一正向輸出端空置不用；所述保偏 光纖耦合器的正向輸出一端連接由兩個(gè)1/4波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器組成的光波相位偏 置，另一正向輸出端直接與偏振合波器啟呈旋轉(zhuǎn)卯度焊接；所述第二個(gè)2x2保偏光 纖耦合器的另一端經(jīng)第二光電探測(cè)器接入電信號(hào)處理器。上述的反射式全光纖電流傳感器中，用平面光波導(dǎo)Y型分路器替代所述保偏光 纖耦合器及其所連接的兩個(gè)光纖偏振器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)① 本發(fā)明采用由兩個(gè)1/4光纖波片和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器組成光波的無(wú)源相位偏置 系統(tǒng)，它們可以在薩格奈克干涉回路中正反兩路光產(chǎn)生n/2的相位差，使得干涉處于 最靈敏的工作點(diǎn)上，使其在穩(wěn)定性、信噪比等方面明顯優(yōu)于已有技術(shù)的有源相位偏置 系統(tǒng)。② 采用了偏振分離器把兩路回轉(zhuǎn)的偏振光分開(kāi)，并分別采用兩個(gè)偏振器把那兩部 分殘余偏振光濾掉，降低了偏振噪聲，提高了傳感器的測(cè)量精度。


圖1是本發(fā)明反射式干涉型全光纖電流傳感器的基本實(shí)例的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是在圖1的基礎(chǔ)上采用兩個(gè)保偏光纖耦合器的實(shí)例的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是改變兩個(gè)偏振器位置的實(shí)例的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是已有技術(shù)的反射式薩格奈克干涉儀型全光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。實(shí)施例一參見(jiàn)圖1,本反射式干涉型全光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理是 光波從光源1通過(guò)隔離器2后進(jìn)入保偏光纖耦合器4，它的兩個(gè)正向輸出端分別連接 偏振器5和6后，兩路光抝為x方向偏據(jù)的娃.偏振光.苴中偏振器5輸,屮的x方向的線偏振光經(jīng)^波相位偏置系統(tǒng)中的第^ 1/4波片7后變成圃偏振光，再經(jīng)過(guò)法拉 第旋轉(zhuǎn)器8后，該圃偏H^被旋轉(zhuǎn)了 45度，對(duì)困偏H^來(lái)講空間被旋轉(zhuǎn)45度就是在 時(shí)間上存在45度的位相差，當(dāng)它tt^二個(gè)1/4波片9還原成x方向的線偏搌光時(shí)， 該線偏 ^就存在 45度的位相差.它通過(guò)偏振合波暴10后仍然是x方向的線偏振 光，然后進(jìn)入保偏光敏11傳輸?shù)竭_(dá)傳感光纖環(huán)堠口處的1/4波片12，該1/4波片12 把x方向的線偏振光變換成右旋圃偏振光再^A傳感光纖環(huán)13的圃保偏光纖，當(dāng)碰 到圓保偏光纖環(huán)13的后端面14被反射后，該右旋圃偏振光變成左旋圃偏j^i，然后 回到端口處的1/4波片12,該左旋畫(huà)偏振光被1/4波片12恢復(fù)為線偏振光時(shí)呈y方 向偏振，該y方向的偏駄經(jīng)fiHl光敏11上傳回偏振合波器10，此時(shí)偏振合波器10 j&t偏振分波器的作用，并由偏振合波器10的y方向偏振的埔口輸出，該壙口和偏 振器6的端口呈旋轉(zhuǎn)90度焊接，所以該y方向的線偏振光回到偏振器6時(shí)仍然是x 方向偏I(xiàn)S^，再進(jìn)入保偏光纖親合器4進(jìn)行干涉.偏撥器6此時(shí)的作用是把該路光在經(jīng)過(guò)多次偏擴(kuò)ifi^換的逸瞎中的不完靜都^tm,使得該路光回到ftii光纖稱合器4進(jìn)^P涉時(shí)偏振噪聲降到最低.同樣fiHi光m合器4另一端的光經(jīng)過(guò)偏振器6后 也是x方向的線偏振光,當(dāng)它和偏振合波器10呈90度輝接后該路光就變成y方向的 線偏振光，并從偏振合波器IO輸出，在保偏光敏11的y軸上傳輸?shù)焦饫w傳感環(huán)斕口 處的1/4波片12，由該1/4波片12變換^￡旋困偏振光進(jìn)入傳感光纖環(huán)13的圃保偏 光纖，在被圃保偏光纖環(huán)13終權(quán)反射坩面14反射后變成右旋圃偏振光，并回到1/4 波片12被恢復(fù)為線偏振光時(shí)呈x方向偏振的線偏振光，并由fiHi光趣11回傳經(jīng)過(guò)偏 振^tt器IO后在它的X偏振端口輸出，該回傳的x方向的線偏ll^通過(guò)相位偏置系 統(tǒng)時(shí)，由于傳播方向相反，則被向反方向相移了 45度后回到了偏振器5，此時(shí)偏振偏振噪聲.這樣兩ft光在經(jīng)過(guò)上述的光BMt輸回到fiHfi光纖親合器4進(jìn)行干涉時(shí)就存 在90度圃定的相位偏置，使得干涉處于JI靈敏的工作點(diǎn)上.fiHfi光纖親合器4的另 一個(gè)壙口連接光電探測(cè)器15,把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后送入電信號(hào)處理器17進(jìn) 行信號(hào)處理，這里兩路光各自在傳感光纖線園中傳輸和回傳，其受到光纖環(huán)內(nèi)通電導(dǎo)12變換后變換成光波的相位變化，并在fiH)l光纖親合器4內(nèi)干涉后^光的強(qiáng)度變 化沐fiMa脊.好麵會(huì)塞4的禍一^據(jù)口論fti.它被光電探W^換成電侑號(hào)后^A^[號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，這樣就得到了通電導(dǎo)體內(nèi)流過(guò)的電流數(shù)值了。實(shí)施例二參見(jiàn)圖2，本反射式全光纖電流傳感器是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，把經(jīng) 保偏光纖耦合器4干涉后向另 一端口輸出的互補(bǔ)信號(hào)由第二保偏光纖耦合器3取出一半來(lái)進(jìn)探測(cè)和信號(hào)處理，這樣雖然信號(hào)會(huì)大一半，但是輸入光功率會(huì)損耗掉一半。實(shí)施例三參見(jiàn)圖3，本反射式全光纖電流傳感器是在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，改變 兩個(gè)偏振器5、 6的位置，其效果和圖2是一樣的。也可以把圖2中耦合器4和兩個(gè) 偏振器5和6改換成平面光波導(dǎo)Y型分路器。由于平面光波導(dǎo)本身就有偏振器的作 用，所以其效果是一樣的。
權(quán)利要求
1、一種反射式全光纖電流傳感器，包括光源(1)、隔離器(2)、保偏光纖耦合器(4)、光纖偏振器(5)、光波相位偏置系統(tǒng)、光纖1/4波片(12)、保偏光纖傳輸光纜(11)和光纖傳感環(huán)(13)、光電探測(cè)器(15)和光電信號(hào)處理器(17)；所述光源(1)通過(guò)隔離器(2)后接入保偏光纖耦合器(4)，該保偏光纖耦合器(4)的一個(gè)正向輸出端口經(jīng)所述光纖偏振器(5)和光波相位偏置系統(tǒng)連接到保偏傳輸電纜(11)，保偏傳輸光纜(11)經(jīng)所述1/4波片(12)與傳感光纖環(huán)連接；所述的保偏光纖耦合器(4)的另一個(gè)端口經(jīng)所述光電探測(cè)器(15)連接到所述電信號(hào)處理器(17)；其特征在于a.所述光波相位偏置系統(tǒng)由兩個(gè)1/4波片(7、9)之間連接一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)組成；b.所述保偏光纖耦合器(4)另一個(gè)正向輸出端口連接到另一個(gè)偏振器(6)，該偏振器(6)的輸出端口直接和一個(gè)偏振合波器(10)呈旋轉(zhuǎn)90°焊接；c.所述光波相位偏置系統(tǒng)通過(guò)所述偏振合波器(10)連接保偏傳輸光纜(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全光纖電流傳感器，其特征在于還有一個(gè)第二保偏 光纖耦合器(3)和一個(gè)第二光電探測(cè)器(16);光源(1)通過(guò)隔離器(2)進(jìn)入 第二保偏光纖耦合器(3)，其正向輸出一端連接所述保偏光纖耦合器(4)，另一 正向輸出端空置不用，第二保偏光纖耦合器(3)的另一端連接所述第二光電探測(cè) 器(16)后接入所述電信號(hào)處理器(17)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射式全光纖電流傳感器，其特征在于兩個(gè)所述光纖偏振 器(5、 6)與所述保偏光纖耦合器(4)互換連接位置光源(1)經(jīng)過(guò)隔離器(2) 后接入第二保偏光纖耦合器(3)，其正向輸出一端通過(guò)所述偏振器(5)后再接入 所述2x2保偏光纖耦合器(4)，而另一正向輸出端空置不用；所述保偏光纖耦合 器(4)的正向輸出一端連接由兩個(gè)1/4波片(7、 9)和法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)組成 的光波相位偏置，另一正向輸出端直接與偏振合波器(10)啟呈旋轉(zhuǎn)卯度焊接； 所述第二個(gè)2x2保偏光纖耦合器(3)的另一端經(jīng)第二光電探測(cè)器(16)接入電信 號(hào)處理器(17)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射式全光纖電流傳感器，其特征在于用平面光波導(dǎo)Y型 分路器替代所述保偏光纖耦合器(4)及其所連接的兩個(gè)光纖偏振器(5、 6)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種反射式全光纖電流傳感器。本反射式全光纖電流傳感器是在用保偏光纖耦合器組成的薩格奈克(sagnac)干涉系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)1/4波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器(Faraday rotator)作為光波的相位偏置，采用了單根保偏光纜作為傳輸線以及光纖傳感環(huán)的反射端面一起組成的反射式的傳感系統(tǒng)。在干涉光路中還采用偏振合波器及其一個(gè)端口呈90度焊接，以及在保偏光纖耦合器的端口處加接兩個(gè)偏振器，以消除多個(gè)元器件在偏振變換和傳輸中產(chǎn)生的偏振噪聲。采用上述光路結(jié)構(gòu)的反射式全光纖電流傳感器具有穩(wěn)定的光波相位偏置。干涉信號(hào)具有很高的信噪比。大大簡(jiǎn)化了電信號(hào)處理的電路。因此由電信號(hào)處理電路產(chǎn)生的相位延遲也極小。用它組成實(shí)際的電子式電流互感器時(shí)其角差能達(dá)到國(guó)家0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101334427SQ20081004062
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者姚壽銓 申請(qǐng)人:上海大學(xué)