本發(fā)明涉及光纖電流傳感器設計領域，特別是一種單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器及其檢測方法。

背景技術：

隨著電網裝機容量的增長，電網過流可能帶來的危害越來越大，電流傳感器的重要性也越來越明顯。傳統(tǒng)的磁電式傳感器由于存在磁飽和，體積大，重量高，電氣絕緣性不好，安全性低等缺點，已經逐漸無法適應智能電網發(fā)展的需求，急需尋找一種新型的電流傳感器作為替代。

光纖電流傳感器屬于光學電流傳感器的一種，具有結構相對簡單，重量輕，電磁絕緣性好，安全性高等優(yōu)點，其發(fā)展可追溯到20世紀70年代。不同于其他的光學電流傳感器主要采用塊狀玻璃為敏感元件，光纖電流傳感器是采用光纖作為敏感元件，纏繞于被測導線周圍，基本結構如說明書附圖1所示。其基本原理是法拉第旋光效應，即：利用偏振光通過介質時，如果受到磁場作用，偏振面會發(fā)生一定的旋轉，旋轉角度正比于磁場大小。而磁場大小又正比于通過被測導線的電流，如下式：

ω＝vni；

其中，v是光纖材料費爾德常數(shù)，n是光纖的匝數(shù)，i是電流大小，ω是偏振光旋轉角。

考慮到基礎結構的光纖電流傳感器易受到光源強度波動影響，常見的改進方法是在檢測端采用雙光路結構，如說明書附圖2所示。輸出端連接偏振分束器，將偏振光分到2個相互垂直方向并由2個光電探測器接收，結果將表示為：

光纖電流傳感器結構簡單，光利用率高，安裝簡便。但是也存在一些問題阻礙其發(fā)展應用。光纖電流傳感器的信噪比低正是其中一個極其關鍵的問題。造成這一結果的原因主要是光纖的費爾德常數(shù)很低，對電流變化不夠敏感。此外，光纖電流傳感器穩(wěn)定性差，容易受到外界干擾，此外光源和連接器件的不穩(wěn)定也會影響輸出信號，有用信號容易被噪聲淹沒。

對于該問題，常見的幾種解決方案有：1.增加作為敏感元件的光纖長度。利用較長光纖增加法拉第效應，從而得到較大的旋光角；2.采用摻雜的特種光纖作為敏感元件，通常采用摻鋱或摻銪提高光纖的費爾德常數(shù)，從而實現(xiàn)較大法拉第旋光；3.采用循環(huán)光路增加法拉第效應，利用循環(huán)光路讓光信號多次通過作為敏感元件的光纖，逐漸放大法拉第旋光。

以上方法盡管可以在一定程度上解決電流靈敏度，但也都存在一定問題：增加光纖長度將增加傳感頭的體積，還增大外界干擾的影響；采用摻雜的特種光纖不僅制作困難，成本高，在溫度穩(wěn)定性上還存在問題；采用循環(huán)光路需要使用包括耦合器在內的多個連接器件，結構復雜并且連接器件也容易受到外界影響。

本發(fā)明在循環(huán)光路結構的基礎上，設計解決光纖電流傳感器的電流靈敏度和穩(wěn)定性問題，利用盡可能少的器件，減少系統(tǒng)受外界干擾的可能性，并減低系統(tǒng)成本。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器及其檢測方法，結構簡單，使用器件少，非偏振檢測，抗外界干擾能力強，對光源和連接器件的穩(wěn)定性要求低。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器，包括光源、第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器、第一傳感光纖環(huán)、第二傳感光纖環(huán)以及光電探測器；所述第一單偏振耦合器雙端口側的其中一個端口經光纖與所述光源連接，所述第一單偏振耦合器單端口側與所述第二單偏振耦合器的單端口側相連，所述第二單偏振耦合器的雙端口側的其中一個端口依次經所述第一傳感光纖環(huán)、所述第二傳感光纖環(huán)連接至所述第一單偏振耦合器雙端口側的另一個端口，所述第二單偏振耦合器的雙端口側的另一個端口經光纖與所述光電探測器相連；所述第一傳感光纖環(huán)與所述第二傳感光纖環(huán)均環(huán)繞在同一通電導體上且繞制結構鏡像對稱。

進一步地，所述第一單偏振耦合器與第二單偏振耦合器均為單軸工作耦合器。

進一步地，所述第一傳感光纖環(huán)與所述第二傳感光纖環(huán)的匝數(shù)相同，繞制方向相反，為對稱結構。

本發(fā)明還提供了一種基于上文所述的單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器的檢測方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：所述光源發(fā)出脈沖光信號；

步驟s2：所述光信號經過連接光纖進入第一單偏振耦合器雙端口側的其中一個端口中，所述第一單偏振耦合器將脈沖光信號轉換為線偏振光輸出到單端口側，所述線偏振光再由第二單偏振耦合器單端口側進入，第二單偏振耦合器將線偏振光分為兩部分，一部分光經第二單偏振耦合器雙端口側的一個端口進入第一傳感光纖環(huán)，再進入第二傳感光纖環(huán)，從第二傳感光纖環(huán)出來的光再經由第一單偏振耦合器雙端口側的另一個端口再次進入第一單偏振耦合器，另一部分光經第二單偏振耦合器雙端口側的另一個端口進入光電探測器；

步驟s3：重復步驟s2，光信號在傳感器結構中多次循環(huán)，直到光強衰減為零；每次循環(huán)都有一部分光經由第二單偏振耦合器進入光電探測器形成一個脈沖信號，在光源的一周期內，光電探測器輸出一串逐漸衰減的脈沖信號。

進一步地，每次循環(huán)，光源發(fā)出的脈沖光信號都經第一單偏振耦合器起偏，通過傳感光纖環(huán)，電流引起的法拉第旋光將使光偏振面發(fā)生角度ω旋轉，再經過第二單偏振耦合器時，在第二單偏振耦合器的檢偏作用下，光強將衰減為原來的(cosω)²，經過k次循環(huán)后，輸出光強j為：

j＝j0(cosω)^2k(e^α)^k；

其中，j0是脈沖光信號輸入廚師光強，e^α是環(huán)形腔自身損耗，所述環(huán)形腔為由第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器、第一傳感光纖環(huán)以及第二傳感光纖環(huán)共同構成；

歸一化的輸出光強變化量為：

其中，v是光纖材料費爾德常數(shù)，n是光纖的匝數(shù)，i是電流大??；

由光強大小得到電流大?。?/p>

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明首次將單偏振耦合器使用到光纖電流傳感器設計中，具有結構簡單，使用器件少，非偏振檢測，抗外界干擾能力強，對光源和連接器件的穩(wěn)定性要求低的優(yōu)點。本發(fā)明提出的結構中，第一單偏振耦合器具有起偏器效果，第二單偏振耦合器具有檢偏器效果，因此結構中不需要起偏和檢偏器件。單偏振耦合器相比普通耦合器而言，具有較強的抗外界干擾能力，保證輸出光為線偏振狀態(tài)。第一傳感光纖環(huán)和第二傳感光纖環(huán)由于繞制結構鏡像對稱，可以抵消單個光纖環(huán)中因光纖彎曲帶來的線雙折射。

附圖說明

圖1為本發(fā)明背景技術中傳統(tǒng)光纖電流傳感器結構示意圖。

圖2為本發(fā)明背景技術中傳統(tǒng)改進的光纖電流傳感器結構示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例中光電探測器輸出的脈沖信號示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例中光信號衰減原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖3所示，本實施例提供了一種單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器，包括光源、第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器、第一傳感光纖環(huán)、第二傳感光纖環(huán)以及光電探測器；所述第一單偏振耦合器雙端口側的其中一個端口經光纖與所述光源連接，所述第一單偏振耦合器單端口側與所述第二單偏振耦合器的單端口側相連，所述第二單偏振耦合器的雙端口側的其中一個端口依次經所述第一傳感光纖環(huán)、所述第二傳感光纖環(huán)連接至所述第一單偏振耦合器雙端口側的另一個端口，所述第二單偏振耦合器的雙端口側的另一個端口經光纖與所述光電探測器相連；所述第一傳感光纖環(huán)與所述第二傳感光纖環(huán)均環(huán)繞在同一通電導體上且繞制結構鏡像對稱。

在本實施例中，所述第一單偏振耦合器與第二單偏振耦合器均為單軸工作耦合器。

在本實施例中，所述第一傳感光纖環(huán)與所述第二傳感光纖環(huán)的匝數(shù)相同，繞制方向相反，為對稱結構。

本實施例中還提供了一種基于上文所述的單偏振型環(huán)形全光纖電流傳感器的檢測方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：所述光源發(fā)出脈沖光信號；

步驟s2：所述光信號經過連接光纖進入第一單偏振耦合器雙端口側的其中一個端口中，所述第一單偏振耦合器將脈沖光信號轉換為線偏振光輸出到單端口側，所述線偏振光再由第二單偏振耦合器單端口側進入，第二單偏振耦合器將線偏振光分為兩部分，一部分光經第二單偏振耦合器雙端口側的一個端口進入第一傳感光纖環(huán)，再進入第二傳感光纖環(huán)，從第二傳感光纖環(huán)出來的光再經由第一單偏振耦合器雙端口側的另一個端口再次進入第一單偏振耦合器，另一部分光經第二單偏振耦合器雙端口側的另一個端口進入光電探測器；

步驟s3：重復步驟s2，光信號在傳感器結構中多次循環(huán)，直到光強衰減為零；每次循環(huán)都有一部分光經由第二單偏振耦合器進入光電探測器形成一個脈沖信號，在光源的一周期內，光電探測器輸出一串逐漸衰減的脈沖信號，如圖4所示。結構中的第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器和傳感光纖環(huán)共同構成光纖環(huán)行腔結構，光信號將在其中多次循環(huán)，直到光強衰減為零。每次循環(huán)都有一部分光經由第二單偏振耦合器進入光電探測器形成一個脈沖信號，因此光源的一周期內，光電探測器輸出的是一串逐漸衰減的脈沖信號。

在本實施例中，每次循環(huán)，光源發(fā)出的脈沖光信號都經第一單偏振耦合器起偏，通過傳感光纖環(huán)，電流引起的法拉第旋光將使光偏振面發(fā)生角度ω旋轉，再經過第二單偏振耦合器時，在第二單偏振耦合器的檢偏作用下，光強將衰減為原來的(cosω)²，如圖5所示，經過k次循環(huán)后，輸出光強j為：

j＝j0(cosω)^2k(e^α)^k；

其中，j0是脈沖光信號輸入廚師光強，e^α是環(huán)形腔自身損耗，所述環(huán)形腔為由第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器、第一傳感光纖環(huán)以及第二傳感光纖環(huán)共同構成；

歸一化的輸出光強變化量為：

其中，v是光纖材料費爾德常數(shù)，n是光纖的匝數(shù)，i是電流大?。簧鲜绞窃诳紤]到通常情況下電流引起的法拉第旋光角ω非常微小的情況下近似得到。對于給定的循環(huán)次數(shù)k，則有歸一化的光強變化量正比電流大小。

由光強大小得到電流大?。?/p>

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。