專利名稱：一種傳感光纖環(huán)以及反射式全光纖電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型還涉及一種由該傳感光纖環(huán)，以及應(yīng)用該傳感光纖環(huán)的一種反射式全光纖電流互感器。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高、容量不斷增大以及智能電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的要求，傳統(tǒng)電流互感器已經(jīng)逐漸暴露出嚴(yán)重缺陷，而且越來(lái)越不能滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，因此光學(xué)電流互感器的研究已經(jīng)迫在眉睫。利用磁光玻璃拉制成的磁光玻璃光纖制作新型的全光纖電流互感器，是以法拉第(Frarday)效應(yīng)為基礎(chǔ)，可在一定程度上克服傳統(tǒng)電流互感器的缺點(diǎn)，必將逐步取代傳統(tǒng)的電流互感器而成為電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的最主要手段之一。全光纖電流互感器的原理是基于光的法拉第效應(yīng)(FaradayEffect)，即在被測(cè)電流導(dǎo)體的外部環(huán)繞適當(dāng)圈數(shù)的光纖，當(dāng)有電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，其周圍產(chǎn)
生的磁場(chǎng)將使得光纖內(nèi)傳輸光波的偏振方向發(fā)生變化。可表述為S = Ffzwi，其中，H是
被傳感的磁場(chǎng)，L是磁場(chǎng)內(nèi)傳感光纖的長(zhǎng)度,V為傳感光纖的費(fèi)爾德(Verdet)系數(shù)，Θ為光纖內(nèi)光波電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的角度。目前國(guó)內(nèi)有多家單位從事光纖電流互感器的研究，盡管個(gè)別企業(yè)的光纖電流互感器已經(jīng)進(jìn)入了生產(chǎn)和掛網(wǎng)運(yùn)行階段，但產(chǎn)品性能的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性還面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。超低折射光纖在被彎曲做成傳感光纖環(huán)后，產(chǎn)生了額外的線雙折射，而這種線雙折射強(qiáng)烈依賴于溫度等環(huán)境因素，加上光纖本身易受振動(dòng)等因素的影響，所傳輸?shù)墓馄裉匦詷O不穩(wěn)定，因此適合于全光纖電流互感器用的傳感光纖是光纖電流互感器的研究的關(guān)鍵。已有的反射式全光纖電流互感器中的傳感光纖，如申請(qǐng)?zhí)枮?00910262107.2的中國(guó)實(shí)用新型專利中 提到，材料為線雙折射保偏光纖，依次存在一段不旋轉(zhuǎn)段、一段起轉(zhuǎn)段(螺旋速率上升段)和一段勻速旋轉(zhuǎn)段以及反射鏡。但是光纖各部分的旋轉(zhuǎn)度不同，不同位置的費(fèi)爾德(Verdet)系數(shù)不盡相同。在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的起轉(zhuǎn)段內(nèi)，各位置點(diǎn)上的費(fèi)爾德系數(shù)
均不相同，而是沿著光纖螺旋增加方向緩慢增加，所以公式就變?yōu)? 二 1、 *，其中H是被
Ji)
傳感的磁場(chǎng)，L是磁場(chǎng)內(nèi)傳感光纖的長(zhǎng)度，V為傳感光纖的費(fèi)爾德系數(shù)，Θ為光纖內(nèi)光波電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的角度。因?yàn)橘M(fèi)爾德系數(shù)依賴于傳感光纖中的位置，當(dāng)導(dǎo)電線處于傳感光纖周圍的不同位置時(shí)，由此得到的相位變化將會(huì)不同。這就使得該傳感光纖受電流導(dǎo)線的位置影響，因而不具備良好的抗干擾能力，不適用于實(shí)際應(yīng)用。申請(qǐng)?zhí)枮?01120417236.7的中國(guó)實(shí)用新型專利設(shè)計(jì)了一種傳感光纖環(huán)，解決了前述專利(申請(qǐng)?zhí)枮?00910262107.2)的傳感光纖對(duì)空間位置敏感的問(wèn)題，但是該專利又帶來(lái)新的問(wèn)題。該光纖電流互感器是一種Sagnac式光纖電流互感器。Sagnac式光纖電流傳感器既具有電流傳感器的特點(diǎn)又具有Sagnac式傳感器的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，這種傳感器既能敏感電流又能敏感Sagnac效應(yīng)。因?yàn)檫@種缺陷，Sagnac式傳感器輸出變化無(wú)法分清是外界環(huán)境影響還是高壓導(dǎo)線中電流本身的變化，嚴(yán)重影響了電流互感器的測(cè)量準(zhǔn)確性，無(wú)法實(shí)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種傳感光纖環(huán)及其繞制方法以及基于該傳感光纖環(huán)的一種全光纖電流互感器。該傳感光纖環(huán)通過(guò)本實(shí)用新型特殊的傳感光纖及其繞制結(jié)構(gòu)提高了全光纖電流互感器系統(tǒng)的集成度，避免了 λ/4波片性能對(duì)全光纖電流互感器測(cè)量的影響；同時(shí)消除扭光纖各處的費(fèi)爾德系數(shù)不同引起全光纖電流互感器的測(cè)量誤差，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術(shù)難題。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供以下技術(shù)方案。—種傳感光纖環(huán)，包括扭光纖和線圈骨架，所述扭光纖是由線保偏光纖扭轉(zhuǎn)而成；按照扭轉(zhuǎn)速率所述扭光纖分為起旋轉(zhuǎn)段和高速勻速旋轉(zhuǎn)段，高速勻速旋轉(zhuǎn)段的長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的70%至90%，在勻速旋轉(zhuǎn)段的末端鍍有反射膜；所述扭光纖以起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)為起點(diǎn)繞制在線圈骨架上，并使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上，起旋轉(zhuǎn)段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上。上述的傳感光纖環(huán)的制作方法，包括以下步驟:I)采用線保偏光纖扭轉(zhuǎn)制作如權(quán)利要求1中所述的扭光纖，在高速勻速旋轉(zhuǎn)段的末端鍍反射膜；并在起旋轉(zhuǎn)段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)做標(biāo)記，起旋轉(zhuǎn)段的中點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)速率為高速勻速旋轉(zhuǎn)速率的一半；2)將扭光纖以起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)為起點(diǎn)繞制在線圈骨架上，并使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上?！N光纖電流互感器,包括激光光源、光電探測(cè)器、光纖稱合器、具有起偏、分光以及相位調(diào)制功能的分光起偏調(diào)制裝置、保偏光纖耦合器、線保偏延遲光纜和上述的傳感光纖環(huán)；激光光源和光電 探測(cè)器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根輸入光纖熔接，光纖耦合器的一根尾纖與分光起偏調(diào)制裝置的輸入光纖熔接，分光起偏調(diào)制裝置的兩根尾纖分別以0°和90°與保偏光纖耦合器的兩根輸入光纖熔接，保偏光纖耦合器的一根尾纖通過(guò)線保偏延遲光纜與傳感光纖環(huán)的起旋段連接，傳感光纖的末端(高速勻速旋轉(zhuǎn)段)鍍有反射膜。分光起偏調(diào)制裝置可以采用公知的多功能集成器件，也可以采用多個(gè)分立器件，依次具有起偏、分光以及相位調(diào)制的功能。一種光纖電流互感器，包括激光光源、光電探測(cè)器、光纖耦合器、起偏器、相位調(diào)制裝置、線保偏延遲光纜和上述的傳感光纖環(huán)；激光光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根輸入光纖熔接，光纖稱合器的一根尾纖與起偏器連接，起偏器的尾纖以45°與相位調(diào)制裝置的輸入光纖熔接，相位調(diào)制裝置的尾纖通過(guò)線保偏延遲光纜與傳感光纖環(huán)的起旋段連接，傳感光纖的末端(高速勻速旋轉(zhuǎn)段)鍍有反射膜。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):1.在全光纖電流互感器中，利用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)于繞制在其周圍的光纖中傳播的圓偏振光的傳播速度的改變而實(shí)現(xiàn)電流強(qiáng)度的探測(cè)的，因此任何影響光波偏振態(tài)的因素均影響互感器的精度性能，其中λ/4波片的不完備性、溫度敏感性及其與光纖的對(duì)軸誤差是主要的影響因素。本實(shí)用新型中的傳感光纖實(shí)現(xiàn)了 λ/4波片、橢圓/圓保偏光纖的功能，簡(jiǎn)化了光路，使系統(tǒng)的集成化程度更高。減少了因器件接入所增加的熔接點(diǎn)帶來(lái)的光路光信號(hào)損耗和光偏振質(zhì)量的下降，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術(shù)難題。2.本實(shí)用新型采用了特殊的繞制方法:使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上；起旋轉(zhuǎn)段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上。這樣使傳感光纖環(huán)各處的費(fèi)爾德系數(shù)相同。從而消除了扭轉(zhuǎn)光纖各個(gè)部分的費(fèi)爾德系數(shù)不同引起傳感環(huán)對(duì)于母線電流位置的敏感問(wèn)題。

圖1是構(gòu)成傳感光纖的扭光纖的結(jié)構(gòu)及光波經(jīng)過(guò)其后的偏振狀態(tài)變化示意圖。圖2是本實(shí)用新型傳感光纖環(huán)繞制方式的示意圖。圖3是用使用這種傳感光纖做成的全光纖電流互感器的一種最佳實(shí)施例。圖4是用使用這種傳感光纖做成的全光纖電流互感器的另一種最佳實(shí)施例。附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1-光源；2_光纖 稱合器；3_Υ波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件；4-保偏光纖稱合器；5-線保偏延遲光纜；6_傳感光纖；7-電流導(dǎo)線；8_反射鏡；9_光電探測(cè)器；10_90°熔接點(diǎn)；11-起偏器12-45°熔接點(diǎn)；13_直波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件。
具體實(shí)施方式
全光纖電流互感器利用傳感光纖的法拉第效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，即被測(cè)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)引起傳感光纖中兩束不同旋向的圓偏振光以不同速度傳輸從而產(chǎn)生相位差，通過(guò)測(cè)量干涉后的信號(hào)幅值可以間接測(cè)量導(dǎo)線中電流的大小。當(dāng)兩束旋向相反的圓偏振光經(jīng)過(guò)磁光光纖時(shí)，由于法拉第效應(yīng)，兩束圓偏振光的傳播速度發(fā)生改變，引起兩束光之間相位差發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量相干的兩束光之間的干涉光強(qiáng)的變化就可以間接地測(cè)量導(dǎo)線電流的大小。如圖1所示，本實(shí)用新型傳感光纖環(huán)采用的扭光纖結(jié)構(gòu)及光波經(jīng)過(guò)其后的偏振狀態(tài)變化。扭光纖結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分:起旋轉(zhuǎn)段61和高速勻速旋轉(zhuǎn)段62。其中起旋轉(zhuǎn)段為扭轉(zhuǎn)速率從零緩慢變化到高速旋轉(zhuǎn)速率。高速勻速旋轉(zhuǎn)段62的長(zhǎng)度為總長(zhǎng)度70%-90%。豎直線偏振光波從起旋轉(zhuǎn)段61入射，在高速勻速旋轉(zhuǎn)段62得到橢圓/圓偏振光，經(jīng)過(guò)高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端的反射鏡8后，光波的偏振方向發(fā)生π相移，即左旋橢圓/圓偏振光變?yōu)橛倚龣E圓/圓偏振光。右旋橢圓/圓偏振光再次經(jīng)過(guò)該傳感光纖后，光波的偏振方向變?yōu)樗狡窆?。圖2是圖1中所示的傳感光纖在線圈骨架上繞制方式示意圖。在制作傳感光纖時(shí)，在起旋轉(zhuǎn)段61的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)做標(biāo)記。在繞制傳感光纖環(huán)時(shí)，以扭光纖的起旋轉(zhuǎn)段61中點(diǎn)開(kāi)始繞制光纖環(huán)，并使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)在傳感光纖線圈骨架軸向位置上重合。采用這樣繞制方法制作的傳感環(huán)具有對(duì)導(dǎo)體位置不敏感的特性。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，扭光纖作為光纖電流互感器的傳感光纖帶來(lái)一個(gè)較為麻煩的問(wèn)題是:由于傳感光纖各部分的扭轉(zhuǎn)速率不同導(dǎo)致各部分的費(fèi)爾德系數(shù)不同。因此，電流導(dǎo)體在不同位置時(shí)傳感光纖的總費(fèi)爾德系數(shù)不同，測(cè)量結(jié)果受導(dǎo)體位置的影響。這對(duì)于光纖電流互感器來(lái)說(shuō)幾乎是致命的，因?yàn)橘M(fèi)爾德系數(shù)能成倍影響測(cè)量結(jié)果。本實(shí)用新型的傳感光纖環(huán)，設(shè)計(jì)使起旋轉(zhuǎn)段的起點(diǎn)、終點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上，并且傳感光纖起旋段中點(diǎn)與鍍有反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)段末端位于線圈骨架的同一軸向線上。從而確保重疊后任意處總的費(fèi)爾德系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，且與高速勻速旋轉(zhuǎn)段光纖的費(fèi)爾德系數(shù)一樣。扭光纖的費(fèi)爾德系數(shù)與旋轉(zhuǎn)速率ξ成正比例關(guān)系。高速勻速旋轉(zhuǎn)段光纖的費(fèi)爾德系數(shù)為Κξ。扭光纖起旋轉(zhuǎn)段I處傳感光纖的費(fèi)爾德系數(shù)為:
權(quán)利要求1.一種傳感光纖環(huán),包括扭光纖和線圈骨架,所述扭光纖是由線保偏光纖扭轉(zhuǎn)而成；其特征在于:按照扭轉(zhuǎn)速率所述扭光纖分為起旋轉(zhuǎn)段和高速勻速旋轉(zhuǎn)段，高速勻速旋轉(zhuǎn)段的長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的70%至90%，在勻速旋轉(zhuǎn)段的末端鍍有反射膜；所述扭光纖以起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)為起點(diǎn)繞制在線圈骨架上，并使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上，起旋轉(zhuǎn)段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上。
2.一種光纖電流互感器，其特征在于:包括激光光源、光電探測(cè)器、光纖耦合器、具有起偏、分光以及相位調(diào)制功能的分光起偏調(diào)制裝置、保偏光纖耦合器、線保偏延遲光纜和權(quán)利要求I所述的傳感光纖環(huán)；激光光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根輸入光纖熔接，光纖耦合器的一根尾纖與分光起偏調(diào)制裝置的輸入光纖熔接，分光起偏調(diào)制裝置的兩根尾纖分別以0°和90°與保偏光纖耦合器的兩根輸入光纖熔接，保偏光纖耦合器的一根尾纖通過(guò)線保偏延遲光纜與傳感光纖環(huán)的起旋段連接，傳感光纖的末端鍍有反射膜。
3.一種光纖電流互感器，其特征在于:包括激光光源、光電探測(cè)器、光纖稱合器、起偏器、相位調(diào)制裝置、線保偏延遲光纜和權(quán)利要求1所述的傳感光纖環(huán)；激光光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與光纖稱合器的兩根輸入光纖熔接，光纖稱合器的一根尾纖與起偏器連接，起偏器的尾纖以45°與相位調(diào)制裝置的輸入光纖熔 接，相位調(diào)制裝置的尾纖通過(guò)線保偏延遲光纜與傳感光纖環(huán)的起旋段連接，傳感光纖的末端鍍有反射膜。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種傳感光纖環(huán)及其繞制方法以及基于該傳感光纖環(huán)的一種全光纖電流互感器。該傳感光纖環(huán)提高了全光纖電流互感器系統(tǒng)的集成度，避免了λ/4波片性能對(duì)全光纖電流互感器測(cè)量的影響；同時(shí)消除扭光纖各處的費(fèi)爾德系數(shù)不同引起全光纖電流互感器的測(cè)量誤差，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術(shù)難題。本實(shí)用新型包括扭光纖和線圈骨架，按照扭轉(zhuǎn)速率所述扭光纖分為起旋轉(zhuǎn)段和高速勻速旋轉(zhuǎn)段，在勻速旋轉(zhuǎn)段的末端鍍有反射膜；并使鍍有反射膜的高速勻速旋轉(zhuǎn)段末端與起旋轉(zhuǎn)段中點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上，起旋轉(zhuǎn)段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位于線圈骨架的同一軸向線上。
文檔編號(hào)G01R15/24GK203084049SQ20122071177
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者徐金濤, 王英利, 石念寶, 劉尚波, 康夢(mèng)華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所