一種環(huán)形腔式全光纖電流傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于光纖環(huán)形腔的全光纖電 流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖電流傳感器是一種基于法拉第效應(yīng)的新型電流傳感器，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中實 現(xiàn)繼電保護(hù)與電能計量作用。相對于傳統(tǒng)的電流傳感器，光纖電流傳感器具有許多優(yōu)勢，如 動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、無飽和現(xiàn)象等等。隨著電壓和電流等級的提 高，傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器漸漸無法滿足測量的要求，光纖電流傳感器以其獨特的優(yōu)勢， 受到越來越多的關(guān)注。
[0003] 全光纖電流傳感器是基于法拉第效應(yīng)測量電流的，其計算公式為：AG= 其中A0為法拉第相移，N為光纖匝數(shù)，Vd為維爾德常數(shù)，I為待測電流強(qiáng)度。對于反射式全 光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)，由于其光路的互易性，電流引起的法拉第相移加倍，即△〇 = 4VdN'I。 從公式中可以看出，法拉第相移與光纖匝數(shù)、電流強(qiáng)度大小成正比。在實際測量中，尤其對 于小電流情況，敏感光纖環(huán)的法拉第相移很小，以至于全光纖電流傳感器的測量精度和測 量范圍受到影響。為解決上述問題，研宄人員往往采用增加傳感光纖長度和光纖匝數(shù)的方 式增大法拉第相移。但是這種方法在增大法拉第相移的同時還會帶來額外的線性雙折射等 誤差源，而且由于市場上用于全光纖電流傳感器的傳感光纖都價格昂貴，故該方案還增加 了成本。此外，還有方案如公開號為CN103777062A的中國發(fā)明專利申請公開了一種干涉環(huán) 式全光纖電流互感器，設(shè)置兩個保偏耦合器和兩個法拉第旋轉(zhuǎn)鏡與傳感光纖共同形成一個 FP腔，通過在傳感光纖中引入FP腔的方式增加光程，從而增加法拉第相移。但是該方法在 增加光程的同時，引入了極大的額外損耗，如多個耦合器插入損耗以及多個法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 反射損耗等等。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型針對現(xiàn)有的全光纖電流傳感器為增大法拉第相移所導(dǎo)致的誤差源以 及額外損耗等問題，提供一種環(huán)形腔式全光纖電流傳感器，能夠顯著增大電流引起的法拉 第相移，同時降低了成本和減少損耗，提高光纖電流傳感器的小電流測量精度和測量范圍。
[0005] 本實用新型的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種環(huán)形腔式全光纖電流傳感器，包括在入射光的光路上設(shè)置的相位調(diào)制器和延 遲線圈，所述延遲線圈和相位調(diào)制器還依次設(shè)置在返回光的光路上，其特征在于，還包括在 入射光的光路上與延遲線圈依次連接的1/4波片和光纖環(huán)形腔，所述光纖環(huán)形腔和1/4波 片還依次設(shè)置在返回光的光路上，所述光纖環(huán)形腔包括傳感光纖和一個耦合器，所述耦合 器的一側(cè)的端口連接1/4波片，耦合器的另一側(cè)的兩個端口分別連接傳感光纖的兩端頭， 所述耦合器的分光比為1:99至15:85 ;在入射光的光路上經(jīng)相位調(diào)制器和延遲線圈形成的 兩束線偏振光經(jīng)1/4波片后變成兩束旋向相反的圓偏振光或橢圓偏振光，再經(jīng)耦合器兩側(cè) 交叉的端口進(jìn)入光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)傳輸，在光纖環(huán)形腔內(nèi)產(chǎn)生法拉第相移并輸出旋向相反 的兩束圓偏振光或橢圓偏振光通過耦合器兩側(cè)交叉的端口返回光路，經(jīng)1/4波片后由圓偏 振光或橢圓偏振光變回線偏振光。
[0007] 所述相位調(diào)制器為Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，所述Y波導(dǎo)相位調(diào)制器包括第一分路端和 第二分路端，所述1/4波片包括第一 1/4波片和第二1/4波片，所述Y波導(dǎo)相位調(diào)制器的第 一分路端通過延遲線圈與第一 1/4波片相連，第二分路端直接與第二1/4波片相連或通過 另一延遲線圈與第二1/4波片相連，所述第一 1/4波片和第二1/4波片分別連接耦合器一 側(cè)的兩個端口。
[0008] 所述相位調(diào)制器為直波導(dǎo)相位調(diào)制器，所述直波導(dǎo)相位調(diào)制器的入射光前端設(shè)置 有45°熔點，所述直波導(dǎo)相位調(diào)制器通過延遲線圈與1/4波片相連；所述光纖環(huán)形腔還包 括一個反射鏡，所述1/4波片和反射鏡分別連接親合器一側(cè)的兩個端口。
[0009] 所述延遲線圈為熊貓型保偏光纖或橢圓芯保偏光纖。
[0010] 所述傳感光纖為低雙折射光纖或旋轉(zhuǎn)型光纖，所述耦合器為2X2光纖耦合器。
[0011] 所述反射鏡為光纖端面鍍膜平面反射鏡或法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡。
[0012] 在入射光的光路上還包括SLD光源和分光器件，所述分光器件與相位調(diào)制器相 連，所述分光器件還位于返回光的光路上且返回光的光路上的分光器件的輸出連接至探測 器，所述探測器連接信號處理電路，所述信號處理電路反饋連接至相位調(diào)制器以及輸出電 流信息。
[0013] 本實用新型的技術(shù)效果如下：
[0014] 本實用新型提供的環(huán)形腔式全光纖電流傳感器，依次設(shè)置相位調(diào)制器、延遲線圈、 1/4波片和光纖環(huán)形腔，光纖環(huán)形腔包括傳感光纖和一個耦合器，耦合器的一側(cè)的端口連 接1/4波片，耦合器的另一側(cè)的兩個端口分別連接傳感光纖的兩端頭，耦合器的分光比為 1:99至15:85。在入射光的光路上經(jīng)相位調(diào)制器和延遲線圈形成的兩束偏振方向正交的線 偏振光，再經(jīng)1/4波片后由原來的線偏振光變成兩束旋向相反的圓偏振光或橢圓偏振光， 再經(jīng)耦合器兩側(cè)交叉的端口進(jìn)入光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)傳輸，本實用新型通過配置一具有特定 分光比的耦合器并與傳感光纖連接，形成獨特的環(huán)形腔式結(jié)構(gòu)，在該光纖環(huán)形腔內(nèi)傳輸?shù)?圓偏振光或橢圓偏振光每次經(jīng)過耦合器位置時，都會從耦合器兩側(cè)交叉的端口輸出一小部 分光，剩余的絕大部分光繼續(xù)在光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)，當(dāng)有待測電流通過時，旋向相反的兩束 圓偏振光或橢圓偏振光在環(huán)形腔內(nèi)的傳輸速度不同，產(chǎn)生正比于電流強(qiáng)度的法拉第相移 ，在一定強(qiáng)度電流作用下，光傳輸一周所感應(yīng)的法拉第相移為，光傳輸多圈后法拉第 相移成倍增加，在光纖環(huán)形腔內(nèi)產(chǎn)生法拉第相移并輸出旋向相反的兩束圓偏振光或橢圓偏 振光通過耦合器兩側(cè)交叉的端口返回光路，經(jīng)1/4波片后由圓偏振光或橢圓偏振光變回線 偏振光，并在相位調(diào)制器處發(fā)生干涉。本實用新型環(huán)形腔式全光纖電流傳感器隨著循環(huán)圈 數(shù)的增加，其干涉光強(qiáng)雖然有所衰減，但是加方波調(diào)制后光強(qiáng)變化幅度增加，其檢測靈敏度 也增加，與普通的Sagnac式以及現(xiàn)有的其它敏感光纖環(huán)結(jié)構(gòu)相比，在相等的傳感光纖長度 情況下，能夠顯著增大電流引起的法拉第相移，提高全光纖電流傳感器的小電流測量精度 和測量范圍。并且這種方案使用的傳感光纖長度短，可以顯著降低敏感環(huán)內(nèi)溫度分布不均 勻引起的標(biāo)度因數(shù)誤差，避免了現(xiàn)有技術(shù)因為增大法拉第相移導(dǎo)致帶來額外的線性雙折射 等誤差源的問題，通過引入獨特的環(huán)形腔，輸入光能夠在環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)傳輸，這樣，使用很 短的傳感光纖就能代替同等光程長度的光纖，顯著增大電流引起的法拉第相移的同時降低 了成本。而且本實用新型的光纖環(huán)形腔結(jié)構(gòu)簡單，只用一個耦合器和傳感光纖，能夠使器件 額外損耗降到最低，提高光纖電流傳感器的小電流測量精度和測量范圍。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型環(huán)形腔式全光纖電流傳感器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為光纖環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3為本實用新型環(huán)形腔式全光纖電流傳感器輸出光強(qiáng)與法拉第相移的關(guān)系曲 線示意圖。
[0018] 圖4為光循環(huán)圈數(shù)n與A I的關(guān)系曲線不意圖。
[0019] 圖5為本實用新型環(huán)形腔式全光纖電流傳感器的另一優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中各標(biāo)號列示如下：
[0021] 1 - SLD光源；21 -分束器；22 -環(huán)形器；31 -Y波導(dǎo)相位調(diào)制器；32 -直波導(dǎo)相 位調(diào)制器；4 一延遲線圈；5 - 1/4波片；51 -第一 1/4波片；52 -第二1/4波片；6 -親合 器；7 -傳感光纖；8 -探測器；9 一信號處理電路；10 -反射鏡；11 一待測電流。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行說明。
[0023] 本實用新型涉及一種環(huán)形腔式全光纖電流傳感器，包括在入射光的光路上依次設(shè) 置的相位調(diào)制器、延遲線圈、1/4波片和光纖環(huán)形腔，其中，光纖環(huán)形腔、1/4波片、延遲線圈 和相位調(diào)制器還依次設(shè)置在返回光的光路上，光纖環(huán)形腔包括傳感光纖和一個耦合器，耦 合器的一側(cè)的端口連接1/4波片，耦合器的另一側(cè)的兩個端口分別連接傳感光纖的兩端 頭，耦合器的分光比為1:99至15:85 ;在入射光的光路上經(jīng)相位調(diào)制器和延遲線圈形成的 兩束線偏振光經(jīng)1/4波片后變成兩束旋向相反的圓偏振光或橢圓偏振光，再經(jīng)耦合器兩側(cè) 交叉的端口進(jìn)入光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)傳輸，在光纖環(huán)形腔內(nèi)產(chǎn)生法拉第相移并輸出旋向相反 的兩束圓偏振光或橢圓偏振光通過耦合器兩側(cè)交叉的端口返回光路，經(jīng)1/4波片后由圓偏 振光或橢圓偏振光變回線偏振光。
[0024] 圖1為本實用新型環(huán)形腔式全光纖電流傳感器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)是在入 射光的光路上依次設(shè)置SLD光源1、分光器件、相位調(diào)制器、延遲線圈4、1/4波片和光纖環(huán) 形腔，光纖環(huán)形腔、1/4波片、延遲線圈、相位調(diào)制器和分光器件還位于返回光的光路上且返 回光的光路上的分光器件的輸出連接至探測器8,探測器8連接信號處理電路9,信號處理 電路9反饋連接至相位調(diào)制器同時信號處理電路9還輸出電流信息。其中，光纖環(huán)形腔包 括傳感光纖7和一個耦合器6,分光器件采用分束器21，相位調(diào)制器采用Y波導(dǎo)相位調(diào)制器 31，Y波導(dǎo)相位調(diào)制器31包括合路端、第一分路端和第二分路端，1/4波片包括第一 1/4波 片51和第二1/4波片52 ;Y波導(dǎo)相位調(diào)制器31的合路端與分束器21的一端相連，Y波導(dǎo) 相位調(diào)制器31的第一分路端通過延遲線圈4與第一 1/4波片51相連，第二分路端直接與 第二1/4波片52相連，當(dāng)然，第二分路端也可以連接另一延遲線圈，使得第二分路端通過另 一延遲線圈與第二1/4波片52相連，第一 1/4波片51和第二1/4波片52分別連接耦合器 6 -側(cè)的兩個端口，親合器6的另一側(cè)的兩個端口分別連接傳感光纖7的兩端頭。
[0025] 如圖1所示，從SLD光源1發(fā)出的光經(jīng)分束器21后到達(dá)Y波導(dǎo)相位調(diào)制器31，經(jīng) Y波導(dǎo)相位調(diào)制器31起偏后分成兩束偏振方向正交的線偏振光（如X軸線偏振光和Y軸線 偏振光），這兩束線偏振光分別從Y波導(dǎo)相位調(diào)制器31的兩分路端發(fā)出，如X軸線偏振光從 第一分路端發(fā)出，Y軸線偏振光從第二分路端發(fā)出，分別經(jīng)過第一 1/4波片51和第二1/4波 片52后由原來的線偏振光變成旋向相反的圓偏振光或橢圓偏振光，這兩束圓偏振光或橢 圓偏振光的大部分光通過耦合器6的兩側(cè)交叉的端口