專利名稱：自聚焦型光學(xué)電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自聚焦型光學(xué)電流互感器，涉及光學(xué)電流互感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高壓電流互感器是電力系統(tǒng)將電網(wǎng)中的高壓大電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪盒‰娏餍盘?hào)， 從而為系統(tǒng)的計(jì)量、監(jiān)控、繼電保護(hù)等提供統(tǒng)一、規(guī)范的電流信號(hào)的裝置。光學(xué)電流
互感器(Optical Current Transducer,簡(jiǎn)稱OCT)是一種集光纖傳感技術(shù)、光電技術(shù)、 非線性光學(xué)及先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的理論和應(yīng)用于一體的新型高壓電流互 感器。與傳統(tǒng)的高壓大電流互感器相比，光學(xué)電流互感器具有絕緣性能優(yōu)良、無(wú)磁飽 和、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
光學(xué)玻璃型OCT采用具有較高費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)的整塊光學(xué)玻璃制作傳感頭。 由于光束要在傳感頭內(nèi)形成圍繞載流導(dǎo)體的閉合光路，因此在此過(guò)程中不可避免地要 采用全反射結(jié)構(gòu)使光線發(fā)生偏折。由于全反射時(shí)，反射光電矢量相對(duì)于入射光電矢量 的相應(yīng)分量之間會(huì)產(chǎn)生附加的相位變化(簡(jiǎn)稱反射相移，以下同)，使入射的線偏振 光變?yōu)闄E圓偏振光，從而降低了測(cè)量靈敏度，并嚴(yán)重影響測(cè)量精度。研究表明若將 總反射相移控制在0.24rad (約為14°)以內(nèi)，則傳感頭的靈敏度將不低于理想模型的靈 敏度理論預(yù)期值的卯％。同時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性的提高都要靠減小反射相移 來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此看出，減小反射相移對(duì)提高系統(tǒng)的靈敏度、抗干擾能力和穩(wěn)定性具有重 要意義。因此，如何減小由反射導(dǎo)致的相位差，已成為此類OCT設(shè)計(jì)中亟待解決的關(guān) 鍵問(wèn)題。
Gongde Li等人(Sensitivity Improvement of an Optical Current Sensor with Enhanced
Faraday Rotation, Journal of Lightwave Technology, VolL. 15, No. 12， 1997)提出了—一禾中
光學(xué)玻璃型電流傳感器。該電流傳感器采用環(huán)形集磁器增大電流母線周圍磁場(chǎng)，并將 長(zhǎng)方體光學(xué)玻璃放置在集磁器開(kāi)口處，利用法拉第效應(yīng)測(cè)量母線電流。但是，由于線偏振光在光學(xué)玻璃上下表面發(fā)生多次反射過(guò)程必然會(huì)引入反射相移，從而給測(cè)量結(jié)果 帶來(lái)了誤差。
Benshun Yi等人(New Design of Optical Electric-Current Sensor for Sensitivity Improvement, IEEE Translations on Instrumentation and Measurement, Vol. 49, No. 2， 2000)提出的一種光學(xué)玻璃型電流傳感器也采用了一個(gè)有開(kāi)口的環(huán)形集磁器來(lái)增大電 流母線周圍的磁場(chǎng)。他們將長(zhǎng)方體光學(xué)玻璃的前端面研磨拋光成傾角為臨界角的斜面， 后端面鍍金屬反射膜，并將其置于環(huán)形集磁器的開(kāi)口處，線偏振光垂直于斜面入射， 并在光學(xué)玻璃的上下表面處發(fā)生多次臨界反射，到達(dá)玻璃后端面時(shí)，經(jīng)后端面上的金 屬反射膜反射回玻璃內(nèi)，再經(jīng)過(guò)上下表面的多次臨界反射，最終從入射端面出射。進(jìn) 而4也們(Magneto-optical electric-current sensor with enhanced sensitivity. Measurement Science and Technology, Vol. 13， 2002， N61-N63)又對(duì)上述傳感頭進(jìn)行了改進(jìn)。但無(wú)論 是改進(jìn)前還是改進(jìn)后的傳感頭，由于加工精度的限制和實(shí)際應(yīng)用中光束不能嚴(yán)格垂直 于斜面入射，從而使得線偏振光在上下表面發(fā)生的反射不是嚴(yán)格的臨界反射，因此同 樣會(huì)引入反射相移并降低傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種自聚焦型光學(xué)電流互感器。利用 梯度折射率型磁光玻璃或晶體的自聚焦原理制作傳感頭，由于光線在到達(dá)玻璃的或晶 體上下表面之前就會(huì)發(fā)生彎曲，避免了在表面上的全反射，因而可以完全消除反射相 移，從而提高系統(tǒng)的靈敏度、抗干擾能力和穩(wěn)定性。
技術(shù)方案
一種自聚焦型光學(xué)電流互感器，包括光源l、準(zhǔn)直器2、起偏器3、環(huán)形集磁器5、 光纖耦合器8、單模保偏光纖9、檢偏器10和信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)11，其特征在于 在環(huán)形集磁器開(kāi)口 7位置安放傳感頭4，所述的傳感頭采用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長(zhǎng)方體，所述集磁器開(kāi)口 7的寬度為5mm到10mm，必須大于傳感頭4的寬度。 所述的傳感頭4的寬度必須大于2c，其中c是梯度折射率層的厚度。
所述的傳感頭4的光線入射面與入射光的夾角y。應(yīng)滿足tany"^-,其中

為傳感頭4中間層折射率，n2為傳感頭4上下表面處折射率。
所述的環(huán)形集磁器5的外徑小于40mm，寬度R大于等于傳感頭的長(zhǎng)度L，其中 L小于環(huán)形集磁器5的外徑與被測(cè)電流母線半徑的差。
所述的傳感頭兩個(gè)通光面被研磨拋光成平行平面，光纖耦合器8連接在傳感頭4 位于環(huán)形集磁器5內(nèi)徑的一側(cè)。
所述的傳感頭4位于環(huán)形集磁器5外徑的端面被磨平拋光，在與其平行的后端面 鍍保偏反射膜12，光纖耦合器8連接在傳感頭4位于環(huán)形集磁器5外徑的 -側(cè)。
傳感頭4根據(jù)光束自聚焦原理制作，傳感頭材料為磁光玻璃或晶體，采用離子交 換法或溶膠凝膠法或化學(xué)氣相沉積法等工藝將所述傳感頭材料的折射率制備成梯度分 布，從而使光線在傳感頭內(nèi)部以曲線軌跡向前傳播，并不與傳感頭和空氣界面接觸。
帶開(kāi)口的環(huán)形集磁器5，自的是為了形成磁力線通路，使得傳感頭磁路盡量閉合 并增大磁路中的磁通量。環(huán)形集磁器的壁厚，開(kāi)口大小取決于長(zhǎng)方體型傳感頭的尺寸， 即環(huán)形集磁器開(kāi)口處空間的大小要適合傳感頭放入其中。同時(shí)開(kāi)口越大，開(kāi)口處磁場(chǎng) 越小，均勻性越差。當(dāng)集磁器開(kāi)口寬度為5mm到10mm時(shí)，其開(kāi)口處的磁場(chǎng)強(qiáng)度約 為不加集磁器母線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的2倍；而當(dāng)集磁器開(kāi)口寬度大于16mm時(shí)， 其開(kāi)口處的磁場(chǎng)強(qiáng)度甚至小于不加集磁器時(shí)母線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。其次，集磁 器的直徑應(yīng)小于80mm，因?yàn)殡娏髂妇€所產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)在距離母線40mm處就十分 微弱，且很不均勻了，因此如果集磁器的外徑超過(guò)這個(gè)范圍，就會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的失真， 從而降低了測(cè)量的靈敏度和穩(wěn)定性。
考慮到光在梯度折射率介質(zhì)中傳播時(shí)，光線不再與介質(zhì)和空氣界面接觸，而是按 曲線軌跡在介質(zhì)中周期性向前傳播。在曲線軌跡的頂點(diǎn)位置，光線仍可以看作是發(fā)生了全反射，引入的相移被稱作彎曲相移，但這里對(duì)TE波和TM波的彎曲相移都是兀/2， 所以該全反射不改變線偏振光的偏振態(tài)，因此也就對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。 有益效果
本發(fā)明的有益效果是線偏振光在所述傳感頭中以曲線軌跡周期性向前傳播，不 發(fā)生反射，因此避免了由全反射引入的反射相移對(duì)線偏振光偏振態(tài)的影響，提高了傳 感系統(tǒng)的靈敏度；由于光線在傳感頭中傳播時(shí)不與界面接觸，偏振光的光強(qiáng)沒(méi)有損耗， 因此也克服了現(xiàn)有光學(xué)玻璃型電流互感器中輸出光強(qiáng)信號(hào)弱，信噪比差的缺點(diǎn)；避免 了現(xiàn)有技術(shù)中采用雙光源的做法，降低了傳感系統(tǒng)的成本。


圖1是本發(fā)明自聚焦型光學(xué)電流互感器第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明自聚焦型光學(xué)電流互感器第一實(shí)施方式傳感頭折射率分布圖3是本發(fā)明自聚焦型光學(xué)電流互感器第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明自聚焦型光學(xué)電流互感器第二實(shí)施方式傳感頭折射率分布l-光源；2-準(zhǔn)直器；3-起偏器；4-長(zhǎng)方體型傳感頭；5-環(huán)形集磁器；6被測(cè)電流母
線；7-環(huán)形集磁器開(kāi)口； 8-光纖耦合器；9-單模保偏光纖；lO-檢偏器；11-信號(hào)探測(cè)與
處理系統(tǒng)；12-傳感頭；13-保偏反射膜。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例l:參閱附圖K圖2，包括光源l，準(zhǔn)直器2，起偏器3，長(zhǎng)方體型傳感
頭4，環(huán)形集磁器5，被測(cè)電流母線6，光纖耦合器8，單模保偏光纖9，檢偏器IO，
信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)11。 所述光源l為氦氖激光器。
所述準(zhǔn)直器2用于將光源出射的光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?所述起偏器3的作用是將準(zhǔn)直器出射的光束轉(zhuǎn)變成線偏振光。所述環(huán)形集磁器5可以為具有很高磁導(dǎo)率和很小矯頑力的軟磁材料，其外徑為
30mm。它的作用是形成磁力線通路，并增大磁路中的磁通量。 所述光纖耦合器8作用是將光束耦合進(jìn)入光纖。
所述單模保偏光纖9的作用是保持光纖中攜帶信息的線偏振光的偏振態(tài)不變，以供 檢偏器檢測(cè)。
所述檢偏器10用于檢測(cè)從傳感頭出射的線偏振光偏振面的變化。 所述信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)ll的作用是將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行信號(hào) 解調(diào)。
所述長(zhǎng)方體型傳感頭4置于所述環(huán)形集磁器5的開(kāi)口7處，集磁器開(kāi)口7的寬度為 7mm。
該長(zhǎng)方體型傳感頭4采用塊狀磁光材料制成，該材料的梯度折射率層的厚度c為 lmm，則傳感頭4的寬度為5mm。該傳感頭的兩個(gè)通光面被分別磨平拋光成平行平面， 使得光束可以從這兩個(gè)通光面入射和出射，光纖耦合器8連接在傳感頭4位于環(huán)形集磁 器5內(nèi)徑的一側(cè)。所述塊狀磁光材料采用離子交換等方式使得其折射率呈梯度分布。這 里以折射率成平方率漸變分布為例加以說(shuō)明。在塊狀磁光材料的上下表面同時(shí)進(jìn)行離 子交換，在離子交換層，磁光材料的折射率成平方率漸變分布，在沒(méi)有進(jìn)行離子交換 的中間層，其折射率仍是均勻分布的，最終折射率在;coz平面內(nèi)的分布滿足
"2(x) = w02[l — d2(x±6)2] x《6或x2—6
W2 (X) = W0 -6《X s 6
式中"O為中間均勻?qū)拥恼凵渎剩?A2—"22 ，&為傳感頭上下表面處的折射率，C
n。c
為折射率漸變層的厚度，如圖1所示。
利用光線方程求解光線在折射率成平方律漸變分布介質(zhì)中的傳播軌跡為
,、tan丌o w tfe 、 <icos ;k。
式中y。為光線與z軸的夾角。由此可知，光線在介質(zhì)中按正弦型路徑傳播，其傳播周從所述光源1發(fā)出的光束傳輸至準(zhǔn)直器2后變成平行光，經(jīng)起偏器3后轉(zhuǎn)變成線 偏振光，再以一定角度經(jīng)長(zhǎng)方體型傳感頭4的一個(gè)端面入射。進(jìn)入傳感頭4的入射光， 在傳感頭折射率漸變層中以正弦型路徑向前傳播，但在均勻?qū)又腥砸灾本€傳播，這樣 便可以以相同的角度再次折射進(jìn)入漸變折射率層。如此周期性傳播，最終從傳感頭的 另一端面出射。經(jīng)光纖耦合器8耦合至單模保偏光纖9，由檢偏器10檢測(cè)其偏振面的 變化，最后輸出至信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)11進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)解調(diào)。
由于所述傳感頭中磁場(chǎng)方向垂直于所述正弦型傳播路徑的軸線方向。因此，該光
學(xué)電流互感器的有效光程為周期性曲線軌跡幅值的4M倍，M是光線在該傳感頭中傳
播的周期數(shù)。通過(guò)計(jì)算可以求出周期r、r + 46^&。設(shè)該傳感頭在光線傳播方向上
的長(zhǎng)度為丄，則光線在其中傳播的周期數(shù)
"Z Z * J * tan yn
M =~T = -^-
T2冗sin ;k0 + 4必cos /。
于是，平行于磁場(chǎng)方向的有效光程為
丄'=4M * (i + W = "^(Sin y。 +必COS & )
cos2 y0(2;rsin;k0十4^cos;k。)
由上式可以看出，增大入射角％可以增大有效光程。同時(shí)，入射角外受到傳感頭
尺寸和折射率不均勻程度等的限制。計(jì)算得出入射角％應(yīng)滿足
tan y0《~^-
實(shí)施例2:參閱附圖2，包括光源l，準(zhǔn)直器2，起偏器3，環(huán)形集磁器5，傳感頭4， 檢偏器10，光纖耦合器8，單模保偏光纖9，保偏反射膜13，信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)ll。 所述光源1為半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器。
本實(shí)施例所述的傳感頭4在上一個(gè)實(shí)施例的一種改進(jìn)，即將方形傳感頭4的前端 面被磨平拋光，在與其平行的后端面鍍保偏反射膜12，光纖耦合器8連接在傳感頭4 位于環(huán)形集磁器5外徑的一側(cè)。從所述光源1發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器2后變成平行光， 經(jīng)起偏器3后轉(zhuǎn)變成線偏振光，再進(jìn)入所述傳感頭4。入射光以一定角度入射到傳感頭4的前端面，入射光束在傳感頭4的折射率漸變層中以正弦型路徑向前傳播，在折
射率均勻?qū)又腥匝刂本€傳播。如此周期性傳播，最終在鍍有保偏反射膜12的后端面發(fā)
生反射，反射線偏振光在傳感頭中以相同的方式傳播，最終從原入射端面出射。經(jīng)光
纖耦合器8耦合至單模保偏光纖9，由檢偏器10檢測(cè)其偏振面的變化，最后輸出至信 號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)H進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)解調(diào)。
實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于實(shí)施例2中傳感頭4的后端面鍍保偏反射膜12。 線偏振光在所述傳感頭4中來(lái)回兩次傳播，有效光程加倍。由于入射光和出射光在所 述傳感頭4的同一側(cè)，并且在空間上是相互分離的，因此可以減小傳感頭的總體尺寸。 但是該傳感頭中由于引入反射結(jié)構(gòu)可能會(huì)對(duì)傳感器性能產(chǎn)生一定影響。
本發(fā)明自聚焦型光學(xué)電流互感器利用自聚焦原理提出了兩種光學(xué)電流互感器結(jié) 構(gòu)，所述兩種結(jié)構(gòu)均克服了現(xiàn)有光學(xué)玻璃型電流互感器因傳感頭不可避免的反射相移 而降低了系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。由于線偏振光在傳感頭中沿曲線軌跡周期 性向前傳播，避免了與空氣和傳感頭界面的接觸，消除了全反射所產(chǎn)生的反射相移對(duì) 測(cè)量結(jié)果的影響。而且由于偏振光的光強(qiáng)沒(méi)有損耗，也避免了現(xiàn)存光學(xué)玻璃型電流互 感器中輸出光強(qiáng)信號(hào)弱，信噪比差的缺點(diǎn)。此外，所述實(shí)施例2中的長(zhǎng)方體型傳感頭 較實(shí)施例1中的長(zhǎng)方體型傳感頭而言，有效光程加倍，并且可以減小傳感頭的總體尺 寸。
權(quán)利要求
1.一種自聚焦型光學(xué)電流互感器，包括光源(1)、準(zhǔn)直器(2)、起偏器(3)、環(huán)形集磁器(5)、光纖耦合器(8)、單模保偏光纖(9)、檢偏器(10)和信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)(11)，其特征在于在環(huán)形集磁器開(kāi)口(7)位置安放傳感頭(4，所述的傳感頭(4)采用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長(zhǎng)方體，所述集磁器開(kāi)口(7)的寬度為5mm到10mm，必須大于傳感頭(4)的寬度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自聚焦型光學(xué)電流互感器，其特征在于所述的傳感頭(4) 的寬度必須大于2c，其中c是梯度折射率層的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自聚焦型光學(xué)電流互感器，其特征在于所述的傳感頭(4)的光線入射面與入射光的夾角;V應(yīng)滿足ta"o^"。2-,其中"。為傳感頭(4)中間層折射率，W為傳感頭(4)上下表面處折射率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自聚焦型光學(xué)電流互感器，其特征在于所述的環(huán)形集磁器(5)的外徑小于40miii，寬度R大于等于傳感頭的長(zhǎng)度L，其中L小于環(huán)形集 磁器(5)的外徑與被測(cè)電流母線半徑的差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自聚焦型光學(xué)電流互感器，其特征在于所述的傳感頭(4) 兩個(gè)通光面被研磨拋光成平行平面，光纖耦合器(8)連接在傳感頭(4)位于環(huán) 形集磁器(5)內(nèi)徑的一側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自聚焦型光學(xué)電流互感器，其特征在于所述的傳感頭4 位于環(huán)形集磁器5外徑的端面被磨平拋光，在與其平行的后端面鍍保偏反射膜12， 光纖耦合器8連接在傳感頭4位于環(huán)形集磁器5外徑的一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自聚焦型光學(xué)電流互感器，包括光源1、準(zhǔn)直器2、起偏器3、環(huán)形集磁器5、光纖耦合器8、單模保偏光纖9、檢偏器10和信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)11，其特征在于在環(huán)形集磁器開(kāi)口7位置安放傳感頭4，所述的傳感頭采用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長(zhǎng)方體，所述集磁器開(kāi)口7的寬度為5mm到10mm，必須大于傳感頭4的寬度。有益效果是提高了傳感系統(tǒng)的靈敏度；由于光線在傳感頭中傳播時(shí)不與界面接觸，偏振光的光強(qiáng)沒(méi)有損耗，因此也克服了現(xiàn)有光學(xué)玻璃型電流互感器中輸出光強(qiáng)信號(hào)弱，信噪比差的缺點(diǎn)；避免了現(xiàn)有技術(shù)中采用雙光源的做法，降低了傳感系統(tǒng)的成本。
文檔編號(hào)G01R15/14GK101285854SQ20081001745
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者洵 萬(wàn), 鵬 張, 王美蓉, 趙建林 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)