專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及母線大電流的光電傳感器，特別是涉及用于測(cè)量發(fā)電廠，變電所等處的母線上高達(dá)103－106安培電流的光纖電流傳感器。
目前用來(lái)取代陳舊的電流互感器的大電流測(cè)量手段是光纖電流傳感器，這種傳感器應(yīng)用了法拉第磁光效應(yīng)，即將光纖繞在母線上，應(yīng)用磁致旋光原理探測(cè)母線電流。然而，在使用這種光纖傳感器時(shí)會(huì)不可避免地由于光纖彎曲產(chǎn)生應(yīng)力雙折射，至使偏振光經(jīng)過(guò)光纖時(shí)產(chǎn)生的旋光現(xiàn)象，是法拉第旋光效應(yīng)和雙折射效應(yīng)的迭加，給傳感器造成誤差。為此有人采用了8字形交叉繞法來(lái)抵消雙折射效應(yīng)。但實(shí)際上由彎曲應(yīng)力造成的雙折射不可能被完全抵消，而且光的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)隨外界的溫度、應(yīng)力等發(fā)生變化，影響測(cè)量精度。此外，這種傳感器的繞制工藝復(fù)雜，而且必須套在母線上，給安裝和拆卸帶來(lái)不便。另外，現(xiàn)有的光纖電流傳感器普遍使用激光源，費(fèi)用較高。
本實(shí)用新型的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種容易制造和使用的光纖電流傳感器。
本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是提供一種采用廉價(jià)的LED光源替代激光源的光纖電流傳感器。
本實(shí)用新型的其他目的還涉及到提高傳感器的靈敏度，以及排除外界環(huán)境溫度和應(yīng)力對(duì)傳感器的干擾。
本實(shí)用新型的光纖電流傳感器包括輸入光纖和輸出光纖，一塊傳感媒質(zhì)，分別附著在傳感媒質(zhì)的通光面兩端的起偏器和檢偏器，它們的偏振方向互成45°角，以及第一聚焦透鏡設(shè)在輸入光纖的端面與上述起偏器之間，其焦點(diǎn)處于輸入光纖的上述端面上，第二聚焦透鏡設(shè)在上述檢偏器與輸出光纖的端面之間，其焦點(diǎn)處于輸出光纖的上述端面上。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于光纖電流傳感器的光源是一個(gè)發(fā)光二極管(LED)。
為了提高傳感器的靈敏度，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中采用了多次反射的光學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，傳感媒質(zhì)的材料選用費(fèi)爾德常數(shù)與溫度無(wú)關(guān)的一種玻璃材料，這種材料的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為ZF－7，而國(guó)際上采用的產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為SF－6。傳感媒質(zhì)為條塊狀，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的退火，不存在余應(yīng)力。
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的各種實(shí)施例，從中可以進(jìn)一步理解本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。各圖中相同的標(biāo)號(hào)表示各實(shí)施例中相同或?qū)?yīng)的部分。


圖1是本實(shí)用新型第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，為了表示出傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中的上半部采用剖面圖；圖2表示第二實(shí)施例中光學(xué)元件的布置圖；圖3表示第三實(shí)施例中的光學(xué)元件布置圖；圖4中示出了本實(shí)用新型的傳感器被用于測(cè)量離相封閉母線電流時(shí)的安裝示意圖，并同時(shí)表示出了與傳感器相配合的大電流測(cè)量?jī)x表的原理方框圖；以及圖5表示本實(shí)用新型的傳感器被用于測(cè)量非封閉母線電流時(shí)的安裝示意圖。
現(xiàn)參見(jiàn)圖1描述本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。輸入光纖1被套管固定在傳感器的軸心上，其端面2經(jīng)過(guò)光學(xué)拋光處理，該端面二位于聚焦透鏡3的焦點(diǎn)上。一塊圓柱形的傳感媒質(zhì)5設(shè)置在傳感器外殼內(nèi)的中間位置，一個(gè)起偏器4設(shè)在上述透鏡3和傳感媒質(zhì)之間，并且用光學(xué)樹(shù)脂膠粘在傳感媒質(zhì)5的一個(gè)通光面上。一個(gè)檢偏器6用光學(xué)樹(shù)脂膠粘在傳感媒質(zhì)5的另一個(gè)通光面上，并且該檢偏器6與起偏器4的偏振方向互成45°角。在圖1中檢偏器6的右側(cè)依次還設(shè)有另一個(gè)聚焦透鏡7以及輸出光纖9，輸出光纖9的端面8也經(jīng)過(guò)光學(xué)拋光處理并且位于相應(yīng)透鏡7的焦點(diǎn)上。
以下結(jié)合圖4描述上述實(shí)施例的光纖電流傳感器在測(cè)量大電流離相母線電流時(shí)的工作原理。
在圖4中，21表示一相的母線，22表示離相封閉母線21的接地外殼，20為本實(shí)用新型的光纖電流傳感器，它被裝在外殼22內(nèi)靠近母線21的適當(dāng)位置，處于由母線電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。輸入和輸出光纖經(jīng)由外殼22上的孔直接連接到測(cè)量?jī)x表，并且不必繞過(guò)母線。
測(cè)量?jī)x表包括電源，發(fā)光二極管(LED)光源，為L(zhǎng)ED提供恒定電流的可調(diào)恒流源，恒流顯示裝置，以及檢測(cè)電路，后者將在下文中描述。
由LED光源產(chǎn)生的單色光經(jīng)輸入光纖1的端面2入射到透鏡3上(見(jiàn)圖1)，并且由透鏡3變成平行光束，然后經(jīng)起偏器4射入傳感媒質(zhì)5。這一平行光束在通過(guò)傳感媒質(zhì)5時(shí)被母線電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)調(diào)制，被調(diào)制的信息光通過(guò)檢偏器6后的光強(qiáng)為Po＝Picosψ (1)
其中Pi為輸入光強(qiáng)，ψ為起偏器與檢偏器之間的偏振方向的夾角。因此，當(dāng)ψ＝45°時(shí)，光強(qiáng)變化最靈敏。
另一方面，通過(guò)檢偏器后的信息光的光強(qiáng)Po與磁旋角θ的關(guān)系為 Po＝ 1/2 (1＋sin2θ)Pi (2)其中 θ＝VHL或θ＝VI (3)式中的V為費(fèi)爾德常數(shù)，L為傳感器媒質(zhì)中光通路的長(zhǎng)度，I和H分別是母線電流和該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
光強(qiáng)為Po的信息光通過(guò)另一個(gè)聚焦透鏡7聚焦到輸出光纖的端面上，然后傳送給檢測(cè)電路。
信息光在檢測(cè)電路中被光電轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖4)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)帶通、低通濾波器將直流和交流分量分開(kāi)，用除法器得到信息電壓信號(hào) U＝sin(2VI) (4)由于實(shí)際的磁旋角θ很小，式(4)可以近似地改寫(xiě)成U＝2VI (5)例如在θ＝5°時(shí)，近似的誤差僅為8.8×10－4。
最后，信息電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后由顯示器顯示出母線上的電流值。
以下參照?qǐng)D2描述本實(shí)用新型的第二實(shí)施例。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，為了便于安裝并且避免不必要地彎曲光纖，希望輸入光纖和輸出光纖從傳感器的同一側(cè)面進(jìn)出。本實(shí)施例可以滿足這些要求。
在圖2中，標(biāo)號(hào)3至7依次代表與圖1中相同的透鏡，起偏器，傳感媒質(zhì)，檢偏器以及另一個(gè)透鏡。此外，在透鏡3與起偏器4之間設(shè)有一個(gè)全反射三棱鏡11用于把來(lái)自透鏡3的平行光折射到起偏器4上；在檢偏器6與另一個(gè)透鏡7之間還設(shè)有另一個(gè)全反射三棱鏡12用于把通過(guò)傳感媒質(zhì)5和檢偏器6后的信息光折射到透鏡7上。因此，可以通過(guò)棱鏡的折射改變光的方向，以便把輸入和輸出光纖安裝在傳感器的同一側(cè)。
圖3是本實(shí)用新型的第三實(shí)施例。由于磁旋角θ與光的傳播方向無(wú)關(guān)，只決定于磁場(chǎng)的方向，因此，為增大傳感作用提高靈敏度，本例中采取了多次反射的結(jié)構(gòu)來(lái)增加傳感媒質(zhì)中的光通路長(zhǎng)度L。
在圖3中，輸入光纖1的端面2被直接用光學(xué)樹(shù)脂膠粘在自聚焦透鏡3上，從輸入光纖1射出的光經(jīng)自聚焦透鏡3后成為平行光，然后通過(guò)附著在矩形的傳感媒質(zhì)5上的起偏器4射入傳感媒質(zhì)5。傳感媒質(zhì)5上、下端面13和14嚴(yán)格平行，并經(jīng)拋光處理后鍍有多層介質(zhì)反射膜15和16。光在傳感媒質(zhì)5中經(jīng)過(guò)多次反射，如果反射次數(shù)為N，傳感媒質(zhì)5中的光通路有效長(zhǎng)度L則為L(zhǎng)＝(N＋1)l，其中l(wèi)為傳感媒質(zhì)5的厚度。通過(guò)多次反射所獲得的信息光按照與其他實(shí)施例中類(lèi)似的方式由檢偏器6和另一個(gè)自聚焦透鏡7耦合到輸出光纖9的端面8上，其中的檢偏器6與起偏器4的偏振方向仍是互成45°角。
借助于上述第三實(shí)施例，可以明顯地增加傳感媒質(zhì)中光通路的有效長(zhǎng)度，從而達(dá)到提高傳感器靈敏度的目的。然而應(yīng)當(dāng)指出，只有在小角度入射的條件下，反射才不會(huì)影響偏振態(tài)，因此本實(shí)施例中采用的入射角α(見(jiàn)圖3)為5－12°，最好是限制在7－10°，由式(2)表示的輸出光強(qiáng)公式在這種條件下仍然適用。
圖5還表示出了用本實(shí)用新型的光纖電流傳感器測(cè)量非封閉母線上的電流時(shí)的安裝示意圖。此時(shí)一條母線附近的磁場(chǎng)與三相電流有關(guān)，并且還會(huì)受到雜散磁場(chǎng)的干擾。為了測(cè)出每相母線的電流I，可以在被測(cè)母線周?chē)黾右粋€(gè)留有氣隙安放傳感器的鐵氧體環(huán)23，其形狀根據(jù)母線形狀可做成(或組成)圓形或矩形環(huán)。圖5中以圓形環(huán)23為例，21代表母線，而20仍表示本實(shí)用新型的傳感器，其中鐵氧體環(huán)23的環(huán)長(zhǎng)為l，氣隙長(zhǎng)度為lo。在圖示的情況下，前述的磁旋角與電流的關(guān)系式(3)仍成立，只是費(fèi)爾德常數(shù)V需要適當(dāng)?shù)男拚?br> 很明顯，按照上述各個(gè)實(shí)施例的構(gòu)思還可以做出很多修改和變更，而不會(huì)脫離本實(shí)用新型的范圍，權(quán)利要求書(shū)對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍做出了適當(dāng)?shù)南薅ā?br> 權(quán)利要求1.一種用于測(cè)量大電流的光纖電流傳感器，其特征是包括一塊傳感媒質(zhì)；分別附著在傳感媒質(zhì)的通光面兩端的起偏器和檢偏器，起偏器和檢偏器的偏振方向互成45°角；耦合到一個(gè)光源上的第一光纖；設(shè)在上述第一光纖的一個(gè)端面與上述起偏器之間的第一聚焦透鏡，其焦點(diǎn)處于第一光纖的上述端面上；耦合到一個(gè)測(cè)量電路上的第二光纖；以及設(shè)在上述檢偏器與上述第二光纖的一個(gè)端面之間的第二聚焦透鏡，其焦點(diǎn)處于第二光纖的上述端面上。
2.按照權(quán)利要求1的光纖電流傳感器，其特征是上述光源是一個(gè)發(fā)光二極管。
3.按照權(quán)利要求1的光纖電流傳感器，其特征是進(jìn)一步包括設(shè)在上述第一聚焦透鏡與上述起偏器之間的第一全反射棱鏡，以及設(shè)在上述檢偏器與上述第二聚焦透鏡之間的第二全反射棱鏡。
4.按照權(quán)利要求1的光纖電流傳感器，其特征是上述傳感媒質(zhì)中的光通路的有效長(zhǎng)度大于上述傳感媒質(zhì)的長(zhǎng)度。
5.按照權(quán)利要求4的光纖電流傳感器，其特征是上述傳感媒質(zhì)是矩形的，并且在上述矩形傳感媒質(zhì)的兩個(gè)端面上具有介質(zhì)反射膜。
6.按照權(quán)利要求5的光纖電流傳感器，其特征是上述起偏器和上述檢偏器附著在上述傳感媒質(zhì)的同一個(gè)端面上。
7.按照權(quán)利要求4或5或6的光纖電流傳感器，其特征是通過(guò)上述第一聚焦透鏡入射到上述起偏器上的光的入射角為5至12°。
8.按照權(quán)利要求7的光纖電流傳感器，其特征是上述入射角為7至10°。
9.按照權(quán)利要求1的光纖電流傳感器，其特征是還包括一個(gè)留有氣隙的鐵氧體環(huán)，上述光纖電流傳感器可以裝在上述氣隙中。
10.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求3至5所述的光纖電流傳感器，其特征是上述傳感媒質(zhì)由一種玻璃材料構(gòu)成，這種玻璃材料的費(fèi)爾德常數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。
專(zhuān)利摘要一種用于測(cè)量大電流的光纖電流傳感器包括分別耦合到光源和測(cè)量電路上的輸入和輸出光纖，一塊傳感媒質(zhì)，分別附著在傳感媒質(zhì)通光面兩端的啟偏器和檢偏器，設(shè)在輸入光纖與啟偏器之間的第一透鏡以及設(shè)在檢偏器與輸出光纖之間的第二透鏡。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和使用，不受環(huán)境溫度和應(yīng)力的干擾，并且可采用廉價(jià)的LED光源。
文檔編號(hào)G01R33/032GK2181005SQ9324504
公開(kāi)日1994年10月26日 申請(qǐng)日期1993年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月29日
發(fā)明者喬松, 何斌, 陳紀(jì)東, 羅方亮, 徐銘哲 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部