專利名稱：一種反射式偏振無關(guān)的小型化光電互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖電流互感器，更具體的說，是一種偏振無關(guān)的小型化 光纖電流互感器。
背景技術(shù)：
光學(xué)電流互感器(optical current transducer,簡稱OCT)是以法拉第磁光效應(yīng) 為基礎(chǔ)的，它通過測量光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生磁場的作 用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定電流的大小。與傳統(tǒng)的電流互感器Ccurrent transformer,簡稱CT)相比，OCT有許多優(yōu)點(diǎn)(1)不含油,無爆炸危險(xiǎn)；(2)不含 交流線圈,不存在輸出線圈開路危險(xiǎn)，可用于測量直流；(3)不含鐵芯，無鐵磁共 振和磁滯效應(yīng)；(4)抗電磁干擾；(5)體積小、質(zhì)量輕、易安裝；(6)與高壓線路完 全隔離，運(yùn)行安全可靠；(7)測量帶寬寬、準(zhǔn)確度高；(8)信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)；(9)有 利于變電站綜合自動(dòng)化水平的提高。因此，OCT必將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT，具有 很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?，F(xiàn)有技術(shù)中，無源光纖電流互感器主要分為全光纖型、塊狀光學(xué)玻璃型和 磁場傳感器型三種。全光纖傳感頭的優(yōu)點(diǎn)是光路簡單，便于加工，但其輸出靈敏度受外界溫度、光 纖本身的雙折射及入射偏振面位置的影響極大。主要表現(xiàn)在 (l)雙折射使入射線偏振光的輸出變成了橢圓偏振光，降低了整個(gè)儀器的測量靈 敏度。(2)線性雙折射的存在對(duì)不同偏振面的入射線偏振光，引入的相位不同，使 得整個(gè)探頭的靈敏度隨偏振面方位的改變而周期性變化。(3)隨溫度的變化而改 變的應(yīng)力引入的線性雙折射分布會(huì)導(dǎo)致傳感器的測量靈敏度隨溫度變化而產(chǎn)生 漂移，且靈敏度的分布在傳感頭中是非均勻的，導(dǎo)致信號(hào)輸出不僅會(huì)受到被測導(dǎo) 體位置的調(diào)制，而且還會(huì)受到外界大磁場的干擾。美國專利No.5463312中公開了一種改進(jìn)的全光纖傳感頭，它通過在制造過程中盡量減少傳感光纖的雙折射(例如使光纖旋轉(zhuǎn))，隨后將線圈形式退火以 盡量減少溫度依賴性來提高全光纖電流互感器的靈敏度，但是它并不能完全消 除各類光纖雙折射或者通過雙折射效應(yīng)造成的偏振態(tài)擾動(dòng)的影響。國際專利WO1997/019367則采用保偏光纖連接多個(gè)直光纖傳感頭來消除溫度相關(guān)雙折射 引起的偏振態(tài)的變化，提高傳感頭的響應(yīng)度，但其不足之處在于它并不能消除 光纖本身的雙折射及入射偏振面位置的影響，并且采用傳感頭設(shè)計(jì)復(fù)雜。而國 際專利WO2002/004963和中國專利《全光纖電流測試方法》(公開號(hào)CN 1488946A，
公開日2004年4月14日)中，則采用干涉的辦法從根本上解決基 于法拉第效應(yīng)的偏振擾動(dòng)問題，但是該技術(shù)使得傳感器變得復(fù)雜，成本大幅上 升，并且，它必須保證兩個(gè)相干光束的光程相同，也就無法避免溫度、應(yīng)力等 雙折射導(dǎo)致的光程變化的影響。中國專利《一種光學(xué)電流傳感器》(公開號(hào)CN2403033Y，
公開日2000年 10月25日)、中國專利《雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感器》(公開號(hào) CN2319815Y，
公開日1999年5月19日)、中國專利《雙光路光學(xué)電流傳感頭》 (公開號(hào)CN2762147Y，
公開日2006年3月1日)等都公開了一種基于塊狀光 學(xué)玻璃的傳感頭，這類技術(shù)雖然不存在全光纖傳感頭因彎曲弓I入的雙折射，但傳 導(dǎo)光纖中的應(yīng)力雙折射會(huì)使傳輸光的偏振態(tài)隨振動(dòng)、溫度等因素而變，在光學(xué)傳 感頭和光電探測器中表現(xiàn)為強(qiáng)度的變化，從而引入噪聲；同時(shí)，光學(xué)玻璃材料本 身的剩余應(yīng)力形成的線性雙折射隨溫度的變化、實(shí)際中由于安裝裝配光路器件 (如透鏡、偏振器件等)時(shí)引入的附加應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射在60'C的溫度變化范圍 內(nèi)引起的輸出漂移也不可忽視；另外，用磁光玻璃構(gòu)成的傳感頭加工起來較復(fù) 雜，并且由于光路較長，光束質(zhì)量較差,耦合困難，耦合效率較低(一般為1 % 2 %)。在磁場傳感器型的傳感頭中，中國專利《一種光電直流電流傳感器》(公 開號(hào)CN1580789A，
公開日2005年2月6日)公開了一種光電直流電流互感器， 采用雙光源對(duì)稱光路的結(jié)構(gòu)來消除光源的光強(qiáng)漂移，但是該專利并不能消除偏 振態(tài)擾動(dòng)對(duì)靈敏度的影響。中國專利《一種光電電流互感器》(公開號(hào) CN1271413C，
公開日2006年8月23日)則是引入了兩個(gè)傳感頭加標(biāo)準(zhǔn)磁場的 辦法來消除溫度的影響，但是對(duì)偏振態(tài)擾動(dòng)并不能消除，該技術(shù)不僅使傳感頭 復(fù)雜，造價(jià)高昂，而且，引入的標(biāo)準(zhǔn)磁場長期處于其他磁場環(huán)境下，穩(wěn)定性無 法保證。中國專利《綜合補(bǔ)償型光纖電流傳感器》(公開號(hào)CN1093640C，公開 曰2002年10月30日)中，引入了起偏分束器，減小了傳感頭本身偏振相關(guān)性 問題，但是因?yàn)槠漭斎胼敵龉饴凡⒉幌嗤?，所以無法補(bǔ)償整個(gè)光路的徑向效應(yīng)，傳感頭靈敏度會(huì)隨外界環(huán)境(如溫度、應(yīng)力等)對(duì)輸入輸出光纖的擾動(dòng)而擾動(dòng)， 另外，探測磁場的信號(hào)光和探測溫度的信號(hào)光都經(jīng)過法拉第元件的磁場偏轉(zhuǎn)， 又都經(jīng)過溫度敏感元件的損耗，會(huì)導(dǎo)致消光比過大，而使得光探測器失效。' 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低成本的小型化偏振無 關(guān)的光纖電流互感器設(shè)計(jì)。本發(fā)明的主要特點(diǎn)是(一)采用偏振無關(guān)的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)，對(duì)傳到傳感頭之前的信號(hào)光的偏振態(tài)不作要求，從而可以采用任何類型 的傳輸光纖；(二)采用反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得整個(gè)光路的徑向效應(yīng)得以相互抵消，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的偏振敏感度，真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)光電互感器系統(tǒng)的偏振 無關(guān)特性。(三)采用反射式結(jié)構(gòu)，讓線偏振光兩次通過磁光法拉第元件，使 得偏轉(zhuǎn)角增加一倍，從而使電流探測靈敏度提高一倍，或者在偏轉(zhuǎn)角不變的前 提下，沿光路方向能減小一半的法拉第元件的長度，便于低成本和小型化生產(chǎn)。 本發(fā)明所述的反射式偏振無關(guān)的小型化光電互感器，由光電處理單元11、傳感頭4和傳輸光纖組成，所述光電處理單元11由光源1、光定向傳輸裝置2 和光探測器9組成；光源1輸出波長為X的信號(hào)光，通過光定向傳輸裝置2和 傳輸光纖3傳到傳感頭4，所述傳感頭4由準(zhǔn)直器5、起偏分束器6、磁光法拉 第元件7和反射器8依次連接而成。波長為人的信號(hào)光經(jīng)過反射器8反射后， 反向通過磁光法拉第元件7、起偏分束器6、準(zhǔn)直器5、傳輸光纖3和光定向傳 輸裝置2后進(jìn)入光探測器9，由光探測器9將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 本發(fā)明的偏振無關(guān)特性通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。在傳感頭4中，由傳輸光纖3來的波長為X的任意偏振態(tài)的信號(hào)光，經(jīng)準(zhǔn) 直器5準(zhǔn)直后，經(jīng)起偏分束器6分為兩束偏振態(tài)相互垂直的線偏振光，垂直通 過磁光法拉第元件7，此時(shí)，其偏振態(tài)隨電流信號(hào)的大小而旋轉(zhuǎn)不同的角度，變 化后的兩束線偏振光通過反射器8反射，再次通過磁光法拉第元件7，其偏振態(tài) 再次旋轉(zhuǎn)同樣的角度后進(jìn)入起偏分束器6，此時(shí)，起偏分束器6起到合束的作用， 合束后的信號(hào)光通過準(zhǔn)直器5，進(jìn)入相同的傳輸光纖3，到達(dá)定向傳輸裝置2后， 通過探測器9得到與偏振無關(guān)的電流信號(hào)。由于在起偏分束器6前，偏振態(tài)的 擾動(dòng)對(duì)兩束線偏振光極性相反，相互抵消，使得反射后經(jīng)過起偏分束器6合束 后的光信號(hào)與輸入的偏振態(tài)無關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了傳感頭4的偏振態(tài)的自補(bǔ)償。另外，由于輸入和輸出的信號(hào)都過同樣的傳輸光纖3，從而補(bǔ)償了整個(gè)光路的徑向效 應(yīng)，真正抵消了整個(gè)光路的偏振態(tài)擾動(dòng)，使得探測器9得到的電流信號(hào)和偏振本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)高壓大電流的測量，其優(yōu)點(diǎn)是(一)可以采用普通傳輸光纖，降低了光電互感器成本；(二)采用反射式結(jié)構(gòu)，傳感頭 設(shè)計(jì)簡單，所用元器件少，便于傳感頭小型化和低成本化；(三)采用反射式 結(jié)構(gòu)，讓線偏振光兩次通過磁光法拉第元件，使偏轉(zhuǎn)角增加一倍，從而使電流 探測靈敏度提高一倍，或者縮小一半磁光法拉第元件的長度。(四)利用起偏 分束器和反射結(jié)構(gòu)，使得傳感頭和傳輸光纖偏振態(tài)擾動(dòng)互相抵消，實(shí)現(xiàn)了光電 互感器的偏振無關(guān)化。


附圖1:反射式偏振無關(guān)的小型化光電互感器的結(jié)構(gòu)原理圖附圖2:光定向傳輸裝置的光路方向圖(端口 A入，B出；端口 B入，C出)具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。在圖1中，光源l、光定向傳輸裝置2和光探測器9組成光電處理單元11， 該光電處理單元11通過傳輸光纖3和傳感頭4相連，傳感頭4由準(zhǔn)直器5、起 偏分束器6、磁光法拉第元件7和反射器8依次連接而成。并且和待測導(dǎo)線10 垂直放置，此時(shí)，待測導(dǎo)線10的電流產(chǎn)生的磁場方向和傳感頭4內(nèi)的光路方向 平行。準(zhǔn)直器5的作用是將通過傳輸光纖3的信號(hào)光準(zhǔn)直，使其垂直入射到起偏 分束器6上。起偏分束器6的作用是將準(zhǔn)直后的信號(hào)光分為偏振態(tài)互相垂直且 平行出射的兩束線偏振光，同時(shí)，也將反射后再次通過磁光法拉第元件7的兩 束線偏振光合束，送入準(zhǔn)直器5。反射器8可以是薄膜反射器，也可以是微型全 反射境，它通過反射使得通過磁光法拉第元件7后的兩束線偏振光沿原路返回。磁光法拉第元件7是具有法拉第磁光效應(yīng)的磁光材料，可以是釔鐵石榴石 晶體Y3Fe50u(YIG)或者其它稀土鐵石榴石類材料，也可以是各種摻雜的釔鐵石榴石晶體，也可以是重火石玻璃。該元件主要用來探測待測導(dǎo)線io產(chǎn)生的磁場大小，而該磁場大小和待測導(dǎo)線10內(nèi)的電流大小直接成比例關(guān)系。在外磁場作用下，線偏振光通過磁光法拉第元件時(shí)的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度e正比于磁場強(qiáng)度H與光作用距離l的積<formula>formula see original document page 8</formula>(i)式中Vd為費(fèi)爾德常數(shù)，取決于不同的磁光法拉第材料。假定光源發(fā)出波長為X的信號(hào)光的光強(qiáng)為IQ，光源1到反射器8的光路損耗 為a,反射器8到光探測器9的損耗為p，那么，經(jīng)過兩次通過磁光法拉第元件 7后，在光探測器9前得到的信號(hào)光功率I為<formula>formula see original document page 8</formula> (2)另一方面，當(dāng)傳感頭4和待測導(dǎo)線10的距離固定后，待測導(dǎo)線10上電流i 和其產(chǎn)生的磁場成正比關(guān)系<formula>formula see original document page 8</formula>(3)聯(lián)立式(1) 、(2)和(3)，我們得到<formula>formula see original document page 8</formula> (4) 由于ou (3、 y、 Io、 I、 Vd和l都是常數(shù)，我們可以很方便的求得待測導(dǎo)線10上 的電流i的大小。這部分的功能可以通過DSP芯片或者單片機(jī)來快速實(shí)現(xiàn)。為了更好的消除鏈路損耗變化的影響，我們還可以對(duì)式(2)進(jìn)行處理，如 式(5)所示<formula>formula see original document page 8</formula> (5)對(duì)式(5)的交流分量和直流分量相除，可得<formula>formula see original document page 8</formula> (6)其中，交流分量U為<formula>formula see original document page 8</formula>，直流分量ID為 <formula>formula see original document page 8</formula>。，利用電路處理，可以很方便的得到WlD的值。聯(lián)合式(1) 、 (3)和式(6)，得到<formula>formula see original document page 8</formula> (7)由此，實(shí)現(xiàn)所測電流與光源1到反射器8的光路損耗為a，以及反射器8到 光探測器9的損耗為(3無關(guān)。另外，通過采用起偏分束器6和反射器8的結(jié)合使用，對(duì)傳到傳感頭之前的信號(hào)光的偏振態(tài)不作要求，從而可以采用任何類型的傳輸光纖；同時(shí)，使得 整個(gè)光路的徑向效應(yīng)得以相互抵消，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的偏振敏感度，真正實(shí) 現(xiàn)整個(gè)光電互感器系統(tǒng)的偏振無關(guān)特性。
權(quán)利要求
1. 一種利用法拉第效應(yīng)的無源光電互感器，由傳感頭、光電處理單元和傳輸光纖組成，其特征在于所述的傳感頭由準(zhǔn)直器、起偏分束器、磁光法拉第元件和反射器依次連接而成；由傳輸光纖輸入的波長為λ的任意偏振態(tài)的信號(hào)光，經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，進(jìn)入起偏分束器分為兩束偏振態(tài)相互垂直的線偏振光，一起通過磁光法拉第元件，此時(shí)，其偏振態(tài)受到電流信號(hào)的調(diào)制，調(diào)制后的兩束線偏振光通過反射器反射后沿原路返回，第二次通過磁光法拉第元件，其偏振態(tài)再次受電流信號(hào)的調(diào)制，然后進(jìn)入起偏分束器，這里，起偏分束器起到合束的作用，合束后的信號(hào)光通過準(zhǔn)直器，輸出到傳輸光纖；所述的光電處理單元由光源、光定向傳輸裝置和光探測器組成光源輸出波長為λ的信號(hào)光，通過光定向傳輸裝置輸入到傳輸光纖；在傳感頭中受電流信號(hào)調(diào)制后的信號(hào)光輸出到傳輸光纖，通過光定向傳輸裝置后進(jìn)入光探測器，由光探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述的輸入光纖和輸出光纖為同一根的傳輸光纖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電互感器，其特征在于，所述的信號(hào)光在光定 向傳輸裝置后，輸入輸出都通過相同的光纖和器件，輸入和輸出信號(hào)光通過的 光路相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的光電互感器，其特征在于，所述的信號(hào)光經(jīng) 起偏分束器后分開的兩束線偏振光兩次通過磁光法拉第元件，使得偏振光反轉(zhuǎn) 角增加一倍，從而使電流探測靈敏度增加一倍，或者在保持偏振光反轉(zhuǎn)角不變 的前提下，沿光路方向能縮短一半磁光法拉第元件的長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電互感器，其特征在于，所述的反射器可以是 薄膜反射器，也可以是微型全發(fā)射鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電互感器，其特征在于，所述的傳輸光纖可以 是普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，也可以是保偏光纖和多模光纖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電互感器，其特征在于，所述的光定向傳輸裝 置為光環(huán)形器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電互感器，其特征在于，所述的光定向傳輸裝 置由一個(gè)三端口的功率耦合器和一個(gè)隔離器構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光定向傳輸裝置，其特征在于，所述的三端口功 率耦合器由 一個(gè)公共端和兩個(gè)分功率端組成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光定向傳輸裝置，其特征在于，所述的隔離器放 置在其中的一個(gè)分功率端口，通光方向向著公共端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖電流互感器，由光電處理單元、傳輸光纖和傳感頭組成。它可以采用普通的傳輸光纖，通過對(duì)傳感頭的偏振態(tài)自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使該傳感頭和傳輸光纖雙折射引起的偏振態(tài)擾動(dòng)無關(guān)；通過對(duì)光電處理單元中增加光定向傳輸裝置以及傳感頭中采用反射器的設(shè)計(jì)，使得輸入光纖和輸出光纖相同，有效抵消了光路的徑向效應(yīng)；另外，反射式結(jié)構(gòu)讓線偏振光兩次通過磁光法拉第元件，使得電流探測靈敏度提高一倍，同時(shí)，大大縮小了傳感頭體積。本發(fā)明特別適合于電力系統(tǒng)高壓大電流的測量，并且，適合低成本、小型化的光電互感器的大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01R15/24GK101226210SQ20071005129
公開日2008年7月23日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者何學(xué)海, 宋瓊霞, 禮 肖, 蔣俏峰 申請人:武漢晟思高新技術(shù)有限公司