專利名稱：基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電力部門的光電式互感器，特別是涉及一種基于 光纖磁光效應(yīng)(法拉第效應(yīng))的光纖電流傳感測量系統(tǒng)。
技術(shù)背景采用基于法拉第(Faraday)效應(yīng)的光電式電流傳感器與傳統(tǒng)電^P茲式電流 互感器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此在國際上受到廣泛重視并進(jìn)行了大量地研 究。如圖1所示，基于法拉第效應(yīng)的偏旨測型電流傳感系統(tǒng)基本構(gòu)成包括 依次排列的光源1、傳輸光纖2、起偏器3、傳感光纖或磁光材料4、電流導(dǎo) 線5、檢偏器6、傳輸光纖7、光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路8。根據(jù)法拉第效應(yīng)的基本原理，若沿光纖傳輸方向存在磁場，則光纖中傳 輸?shù)木€偏振光的偏振方向?qū)l(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果^P茲場由導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生，則可 以根據(jù)檢測光偏振方向的變化測量電流的大小。如圖1所示，若傳感光纖內(nèi)部不存在雙折射，且沿光纖長度方向磁場強(qiáng)度H均勻時，線偏振光的旋轉(zhuǎn)角e可由下式表示其中，V為光纖材料的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，L為光纖長度，I為導(dǎo)線中 流過的電流，n為環(huán)繞光纖的導(dǎo)線匝數(shù)。但在實(shí)際光纖中，由于光纖制作工藝的限制以及制作光纖傳感線圈時引 入的彎曲，這些不完善因素在光纖內(nèi)部將產(chǎn)生雙折射。光纖中雙折射的存在 會引起傳輸光的偏振態(tài)發(fā)生變化，使傳感器的靈敏度降低及傳感系統(tǒng)輸出信 號波動。在基于Faraday效應(yīng)的光纖電流傳感系統(tǒng)中，為使系統(tǒng)輸出信號對凈皮測 電流有最大的靈敏度，如圖1所示，所用的檢偏器光軸與光纖出射光的偏振 方向應(yīng)成45°夾角。傳統(tǒng)的電流傳感器使用半導(dǎo)體激光器(LD)或發(fā)光二極管 (LED)作為系統(tǒng)的光源，由于LD的輸出為偏振光，而LED的輸出光功率很弱， 也有一定的偏振度，因此采用LD或LED光源通過光纖將光傳輸至起偏器時， 系統(tǒng)輸出光功率易隨時間和環(huán)境因素的干擾而變化，造成傳感系統(tǒng)輸出信號 發(fā)生較大的波動。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)，其克服了背景 技術(shù)基于法拉第效應(yīng)的光電式電流傳感器所存在的靈敏度低、傳感系統(tǒng)輸出 信號波動的不足。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)，它包括一光源、 一第一傳 輸光纖、 一光纖傳感頭、 一第二傳輸光纖以及一光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元。 該光纖傳感頭包括一偏振分束器、 一法拉第旋轉(zhuǎn)器以及一帶全反射鏡的退火 光纖環(huán)，該光源通過第一傳輸光纖將光傳輸至光纖傳感頭，其中，該退火光 纖環(huán)在高溫下退火，以消除光纖中的雙折射，以提高傳感頭在環(huán)境溫度變化 下的穩(wěn)定性。該光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元通過第二傳輸光纖連接傳感頭。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，該偏振分束器和法拉第旋轉(zhuǎn)器直接一體化組 合安裝成組合器。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，該光源為半導(dǎo)體激光器泵浦滲萍光纖制作的 放大自發(fā)輻射光源。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，該光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元包括一光電轉(zhuǎn)換單元以及一數(shù)據(jù)采集與處理單元，該傳感頭輸出的光通過第二傳輸光纖傳輸 至光電轉(zhuǎn)換單元，該光電轉(zhuǎn)換單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該數(shù)據(jù)采集與處 理單元接收電信號并處理電信號以得電流值。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，該帶全反射鏡的退火光纖環(huán)包括一退火光纖 環(huán)、 一全反射鏡以及一電流導(dǎo)線。該退火光纖環(huán)包括一引入段以及一繞成環(huán) 狀的由外及內(nèi)的環(huán)段，而且，該退火光纖環(huán)的起始端連接組合器。該全反射 鏡設(shè)于退火光纖環(huán)的末端。該電流導(dǎo)線從光纖環(huán)的中心穿過。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，該退火光纖環(huán)制造過程包括 首先，采用普通光纖制作好光纖環(huán)； 然后，在高溫下退火。本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，還包括一光纖光柵溫度傳感器，它設(shè)于傳感 頭內(nèi)，用于檢測傳感頭的溫度變化并根據(jù)溫度變化對信號進(jìn)行補(bǔ)償。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的效果本發(fā)明的傳感頭采用了 帶全反射鏡的退火光纖環(huán)，因此能在很大程度上消除應(yīng)力在光纖中產(chǎn)生的雙 折射，能有效消除光纖內(nèi)在以及制作光纖傳感環(huán)路時彎曲產(chǎn)生的線雙折射， 能使偏振光在傳感環(huán)路中傳輸時偏振態(tài)不隨環(huán)境溫度變化，能有高的電流靈 敏度，能提高傳感頭在環(huán)境溫度變化下的穩(wěn)定性。由于反射使偏振光在傳感 光纖環(huán)路中來回通過，因此增大了被測電流信號。另外，采用申請人獨(dú)特設(shè) 計的一體化偏振分束與22. 5。旋轉(zhuǎn)器，可以使返回的偏振光與檢偏器光軸成靈 敏度最佳的角度。此外，采用這種一體化的器件在光路中免除了傳統(tǒng)方案需 要的光纖分束器或環(huán)形器，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時比采用光纖分束器的方 案信號強(qiáng)度提高了 l倍。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 圖1為背景技術(shù)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)框圖。圖2為一較佳實(shí)施例的光纖電流傳感測量系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)，它包括一光 源l、 一第一傳輸光纖2、 一光纖傳感頭3、 一第二傳輸光纖4以及一光電轉(zhuǎn) 換與信號處理單元5。該傳感系統(tǒng)的光源1采用半導(dǎo)體激光器泵浦滲萍光纖制作的^:大自發(fā)輻 射(ASE)光源。由于該光源輸出光具有無偏振效應(yīng)、寬帶大功率的特點(diǎn)，因此 經(jīng)偏振分束器輸出的光具有功率大、且光強(qiáng)不受環(huán)境溫度和傳輸光纖引線狀 態(tài)變化而影響的優(yōu)點(diǎn)，能有效消除光纖引線狀態(tài)變化對傳感系統(tǒng)輸出信號的 影響。該光纖傳感頭3包括一組合器6以及一帶全反射鏡的退火光纖環(huán)。 該組合器6 (FBS-FR)同時起到起偏、檢偏、偏振方向旋轉(zhuǎn)和分束的4大 功能，它包括直接一體組合安裝的一偏振分束器和一單程旋轉(zhuǎn)角為22. 5° 、 非互易的法拉第旋轉(zhuǎn)器。采用一體化組合器設(shè)計新型光纖電流傳感光路，解 決了常規(guī)的光纖起偏、檢偏器由于光纖引線較長的問題，解決了在實(shí)際使用 時會引起傳輸光偏振態(tài)不穩(wěn)定和變化的問題。該組合器同時實(shí)現(xiàn)起偏與最佳 偏置角(45。)檢偏功能，在反射式光路設(shè)計中同時還具有入射、反射光空間分 離功能，既筒化了光纖傳感系統(tǒng)光路，又在光路上省略了反射式光路需要的 50:50分光器件，將反射光信號強(qiáng)度增大了 一倍。該組合器同時對入射光起偏、 返回光檢偏以及使返回光偏振方向與檢偏器光軸成45。夾角作用，大大簡化了 傳感光路，提高了傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使傳感器工作點(diǎn)設(shè)置在最佳位置。該組合器6的具體結(jié)構(gòu)及構(gòu)成請參照本申請人在先申請 ZL200620156549. 0實(shí)用新型，它公告于2007年12月12日。該帶全反射鏡的退火光纖環(huán)包括一退火光纖環(huán)7、 一全反射鏡8以及一電 流導(dǎo)線9。該退火光纖環(huán)7包括一引入段以及一繞成環(huán)狀的由外及內(nèi)的環(huán)段， 由于反射使偏振光在傳感光纖環(huán)路中來回通過，因此增大了被測電流信號。 而且，該退火光纖環(huán)7具有兩個連接端， 一個為引入段的端頭(起始端)，另 一個為環(huán)段的內(nèi)端頭(末端)。該引入段的端頭連接組合器6，該環(huán)段的內(nèi)端 頭連接全反射鏡8。該電流導(dǎo)線從光纖環(huán)的中心穿過。其中，該退火光纖環(huán)7 制造過程包括首先，采用普通光纖制作好的光纖環(huán)7;然后，在高溫下退火。 消除光纖內(nèi)在以及制作光纖傳感環(huán)路時彎曲產(chǎn)生的線雙折射，使偏振光在傳 感環(huán)路中傳輸時偏振態(tài)不隨環(huán)境溫度變化，并有高的電流靈敏度，提高傳感 頭6在環(huán)境溫度變化下的穩(wěn)定性。該光源1通過第一傳輸光纖2將光源1發(fā)出的光傳輸至光纖傳感頭3的 PBS-FR組合器6，在PBS-FR組合器6中入射光經(jīng)過PBS后起偏為線偏振光， 再經(jīng)過22. 5。磁光旋轉(zhuǎn)器件(FR)后，在退火光纖7傳感環(huán)路中傳輸并被光纖終 端的全反射鏡8反射而原路返回，再次經(jīng)過器件FR后偏振方向?qū)⒃傩D(zhuǎn)22. 5° 并與PBS-FR器件中的檢偏器光軸夾45。角，對被測電流變化有最佳的靈敏度。該光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元5包括一光電轉(zhuǎn)換單元以及一^:據(jù)采集與處 理單元，該傳感頭3輸出的光通過第二傳輸光纖4傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元，光 電轉(zhuǎn)換單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該數(shù)據(jù)采集與處理單元接收電信號并處 理電信號以得電流值。該光纖傳感頭3內(nèi)安裝有光纖光柵溫度傳感器，它具有抗電磁干擾、絕 緣性能好的特點(diǎn)。它實(shí)時監(jiān)測光纖電流傳感頭的溫度變化，通過信號處理補(bǔ)償光纖及材料特性隨溫度的變化，消除輸出電流信號隨溫度波動問題，獲得 與環(huán)境溫度變化無關(guān)的系統(tǒng)輸出信號。本發(fā)明公開了一種基于光纖法拉第效應(yīng)、釆用新型器件和技術(shù)、可應(yīng)用 于高壓電力傳輸線交變電流檢測的光纖電流傳感測量系統(tǒng)。本發(fā)明描述的光 纖電流傳感檢測系統(tǒng)在電力和其它相關(guān)部門均有^艮大的應(yīng)用前景。以上所述者，僅為本發(fā)明其中的較佳實(shí)施例而已，并非用來限定本發(fā)明 的實(shí)施范圍，即凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆為本發(fā) 明專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)，其特征是它包括一光源；一第一傳輸光纖；一光纖傳感頭，它包括一偏振分束器、一法拉第旋轉(zhuǎn)器以及一帶全反射鏡的退火光纖環(huán)，該光源通過第一傳輸光纖將光傳輸至光纖傳感頭，其中，該退火光纖環(huán)在高溫下退火，以消除光纖中的雙折射，以提高傳感頭在環(huán)境溫度變化下的穩(wěn)定性；一第二傳輸光纖；以及一光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元，它通過第二傳輸光纖連接傳感頭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)， 其特征是該偏振分束器和法拉第旋轉(zhuǎn)器直接一體化組合安裝成組合器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)， 其特征是該光源為半導(dǎo)體激光器泵浦摻鉺光纖制作的i丈大自發(fā)輻射光源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)， 其特征是該光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元包括一光電轉(zhuǎn)換單元以及一數(shù)據(jù)采集 與處理單元，該傳感頭輸出的光通過第二傳輸光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元，該 光電轉(zhuǎn)換單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該數(shù)據(jù)采集與處理單元接收電信號并 處理電信號以得電流值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)， 其特征是該帶全反射鏡的退火光纖環(huán)包括一退火光纖環(huán)，它包括一引入段以及一繞成環(huán)狀的由外及內(nèi)的環(huán)段，而 且，該退火光纖環(huán)的起始端連接組合器；一全反射鏡，它設(shè)于退火光纖環(huán)的末端；以及一電流導(dǎo)線，它穿過退火光纖環(huán)的中心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)， 其特征是該退火光纖環(huán)制造過程包括首先，采用普通光纖制作好的光纖環(huán)； 然后，在高溫下退火。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的基于光纖磁光效應(yīng)的光 纖電流傳感測量系統(tǒng)，其特征是還包括一光纖光柵溫度傳感器，它設(shè)于傳感頭內(nèi)，用于檢測傳感頭的溫度變化 并根據(jù)溫度變化對信號進(jìn)行補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光纖磁光效應(yīng)的光纖電流傳感測量系統(tǒng)，它包括一光源、一第一傳輸光纖、一光纖傳感頭、一第二傳輸光纖以及一光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元。該光纖傳感頭包括一偏振分束器、一法拉第旋轉(zhuǎn)器以及一帶全反射鏡的退火光纖環(huán)，該光源通過第一傳輸光纖將光傳輸至光纖傳感頭，其中，該退火光纖環(huán)在高溫下退火，以消除光纖中的雙折射，以提高傳感頭在環(huán)境溫度變化下的穩(wěn)定性。該光電轉(zhuǎn)換與信號處理單元通過第二傳輸光纖連接傳感頭。
文檔編號G02F1/01GK101403768SQ20081007083
公開日2009年4月8日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者董小鵬 申請人:董小鵬;廈門敏飛光電科技有限公司