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(1)不含油,無爆炸危險；(2)不含 交流線圈,不存在輸出線圈開路危險，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，運行安全可靠；(7)測量帶寬寬、準(zhǔn)確度高；(8)信號傳輸距離遠；(9)有 利于變電站綜合自動化水平的提高。因此，OCT必將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT，具有 很高的經(jīng)濟價值?，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，降低了整個儀器的測量靈 敏度。(2)線性雙折射的存在對不同偏振面的入射線偏振光，引入的相位不同，使 得整個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)致信號輸出不僅會受到被測導(dǎo) 體位置的調(diào)制，而且還會受到外界大磁場的干擾。美國專利No.5463312中公開了一種改進的全光纖傳感頭，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)擾動的影響。國際專利WO1997/019367則采用保偏光纖連接多個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 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)力雙折射會使傳輸光的偏振態(tài)隨振動、溫度等因素而變，在光學(xué)傳 感頭和光電探測器中表現(xiàn)為強度的變化，從而引入噪聲；同時，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、實際中由于安裝裝配光路器件 (如透鏡、偏振器件等)時引入的附加應(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， 采用雙光源對稱光路的結(jié)構(gòu)來消除光源的光強漂移，但是該專利并不能消除偏 振態(tài)擾動對靈敏度的影響。中國專利《一種光電電流互感器》(公開號 CN1271413C，
公開日2006年8月23日)則是引入了兩個傳感頭加標(biāo)準(zhǔn)磁場的 辦法來消除溫度的影響，但是對偏振態(tài)擾動并不能消除，該技術(shù)不僅使傳感頭 復(fù)雜，造價高昂，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《綜合補償型光纖電流傳感器》(公開號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，但是因為其輸入輸出光路并不相同，所以無法補償整個光路的徑向效應(yīng)，傳感頭靈敏度會隨外界環(huán)境(如溫度、應(yīng)力等)對輸入輸出光纖的擾動而擾動， 另外，探測磁場的信號光和探測溫度的信號光都經(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。本發(fā)明的主要特點是(一)采用偏振無關(guān)的結(jié)構(gòu) 設(shè)計，對傳到傳感頭之前的信號光的偏振態(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，使得整個光路的徑向效應(yīng)得以相互抵消，進一步降低了系統(tǒng)的偏振敏感度，真正實現(xiàn)整個光電互感器系統(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后進入光探測器9，由光探測器9將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 本發(fā)明的偏振無關(guān)特性通過下述技術(shù)方案予以實現(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，其偏振態(tài)隨電流信號的大小而旋轉(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)同樣的角度后進入起偏分束器6，此時，起偏分束器6起到合束的作用， 合束后的信號光通過準(zhǔn)直器5，進入相同的傳輸光纖3，到達定向傳輸裝置2后， 通過探測器9得到與偏振無關(guān)的電流信號。由于在起偏分束器6前，偏振態(tài)的 擾動對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 后的光信號與輸入的偏振態(tài)無關(guān)，即實現(xiàn)了傳感頭4的偏振態(tài)的自補償。另外，由于輸入和輸出的信號都過同樣的傳輸光纖3，從而補償了整個光路的徑向效 應(yīng)，真正抵消了整個光路的偏振態(tài)擾動，使得探測器9得到的電流信號和偏振本發(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)擾動互相抵消，實現(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)具體實施方式
下面，結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的描述。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，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，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的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度e正比于磁場強度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的信號光的光強為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芯片或者單片機來快速實現(xiàn)。為了更好的消除鏈路損耗變化的影響，我們還可以對式(2)進行處理，如 式(5)所示<formula>formula see original document page 8</formula> (5)對式(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，對傳到傳感頭之前的信號光的偏振態(tài)不作要求，從而可以采用任何類型的傳輸光纖；同時，使得 整個光路的徑向效應(yīng)得以相互抵消，進一步降低了系統(tǒng)的偏振敏感度，真正實 現(xiàn)整個光電互感器系統(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)的信號光，經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，進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，其偏振態(tài)受到電流信號的調(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)再次受電流信號的調(diào)制，然后進入起偏分束器，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調(diào)制后的信號光輸出到傳輸光纖，通過光定向傳輸裝置后進入光探測器，由光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；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 置由一個三端口的功率耦合器和一個隔離器構(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 一個公共端和兩個分功率端組成。
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，通過對傳感頭的偏振態(tài)自補償結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使該傳感頭和傳輸光纖雙折射引起的偏振態(tài)擾動無關(guān)；通過對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，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，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