專利名稱：雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型所涉及的是一種雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感器，可適用于各種電流(如電網(wǎng)電流、沖擊電流、泄漏電流等)的測量，尤其適用于測量普通電學(xué)儀器、儀表不適用或難以探測準(zhǔn)確的電流信號?？蓱?yīng)用于電力系統(tǒng)高壓、超高壓下的各種電流測量。
在現(xiàn)有技術(shù)中，利用法拉弟(Faraday)磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器一般采用光學(xué)玻璃作法拉弟敏感材料。光學(xué)電流傳感器頭的結(jié)構(gòu)涉及主要要求具有很好的保偏性；光路繞被測電流呈閉合環(huán)路；傳輸光的損耗小；測量靈敏度高；溫度穩(wěn)定性好等。通常使線偏振光在玻璃傳感頭中經(jīng)過幾次反射而實(shí)現(xiàn)光路繞被策電流成為閉合或近似閉合的環(huán)路，并采用臨界全反射法、或反射面鍍保偏膜法、或正交雙全反射法來解決保偏問題，即使線偏振光保持線偏振狀態(tài)。多種二維或三維保偏傳感頭的設(shè)計(jì)方案在現(xiàn)有技術(shù)中已被提出，光路一般為單圈、多圈(兩圈或兩圈以上)或等效的多圈。多圈設(shè)計(jì)方案雖然因光路加長而提高了傳感頭的靈敏度，但是由于光程長，光發(fā)散程度大，光損耗加大，輸出光強(qiáng)信號弱，信噪比較差。為了增大輸出光強(qiáng)信號，現(xiàn)有技術(shù)中采用雙光源代替單光源，這種作法雖然可增大總的輸入光強(qiáng)，但卻提高了傳感系統(tǒng)的成本。
本實(shí)用新型的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中的光源利用率低、輸出光強(qiáng)信號弱(尤其在光程長的情況下)、信噪比低的問題，在不增加光源器件的成本以及光路復(fù)雜性的前提下，設(shè)計(jì)一種雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭；同時，對法拉弟敏感材料受溫度、應(yīng)力等外界環(huán)境因素變化的影響可進(jìn)行光路上的補(bǔ)償。
本實(shí)用新型所述的雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭，由法拉弟材料制成的傳感頭1、分光束型起偏器2和兩個檢偏器3a、3b構(gòu)成。檢偏器3a、3b分別設(shè)置在傳感頭1的兩束輸出光處，分光束型起偏器2設(shè)置在輸入光進(jìn)入傳感頭1處，即在光線進(jìn)入法拉弟材料后需要導(dǎo)向的位置，在其法拉弟材料上有反射面的切面4，切面4上鍍有保偏膜。所說的分光束型起偏器2可有兩種設(shè)置方式一種是設(shè)置在法拉弟材料之中，如

圖1所示；另一種是設(shè)置在法拉弟材料之外，并附加180°保偏轉(zhuǎn)向棱鏡6，如圖2所示。
本實(shí)用新型所述的雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭的效果與現(xiàn)有技術(shù)的效果相比，可使總的輸入的偏振光光強(qiáng)提高近一倍，從而可大大提高總的輸出光強(qiáng)，傳感靈敏度和信噪比亦可大幅度提高。由于兩束偏振光光路方向相反，又因?yàn)榉ɡ苄?yīng)與光路方向無關(guān)，而外界因素(如溫度、機(jī)械應(yīng)力、振動等)的影響與光路有關(guān)，所以影響也相反，從而在輸出的兩束光強(qiáng)的疊加信號中法拉弟效應(yīng)疊加，使靈敏度提高，同時外界因素影響則相互抵消了一部分。其光強(qiáng)疊加的原理及效果分析如下線偏振光在電流產(chǎn)生的磁場作用下通過法拉弟材料時，其偏振面的旋轉(zhuǎn)角θ正比于磁場
，沿著偏振光通過材料的路徑L的線積分，若將光路設(shè)計(jì)成圍繞電流導(dǎo)體繞N圈的閉合環(huán)路，則根據(jù)全電流定律可得
從式中可知，測出θ角便可求出電流i。
根據(jù)馬呂斯定律，從法拉弟材料出射的光經(jīng)與起偏器成45°夾角的檢偏器檢偏后，輸出光強(qiáng)P為P=P0(1±Sin2θ)式中，P0為輸入光強(qiáng)。
通過探測輸出光強(qiáng)P，并作適當(dāng)?shù)男盘柼幚肀憧傻玫奖粶y電流i。
本實(shí)用新型所說的雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭的起偏器為分光束型，光源發(fā)出的光經(jīng)分光束型起偏器起偏后分為兩束偏振面相互垂直的兩束線偏振光，在現(xiàn)有技術(shù)中僅利用了這兩束線偏振光中的一束，而本實(shí)用新型所說的技術(shù)將這兩束偏振光皆用上了，其中一束直接入射到法拉弟材料中，繞電流i成環(huán)路后經(jīng)檢偏器3a檢偏輸出；另一束反方向繞電流i成環(huán)路后經(jīng)檢偏器3b檢偏輸出。設(shè)檢偏器3a、3b的輸出光強(qiáng)分別為P1、P2，則P1=P0(1±Sin2θ)
P2=P0(1±Sin2θ)相應(yīng)的信號調(diào)制度m1、m2分別為m1=P0Sin2θm2=P0Sin2θ總的信號調(diào)制度m為m=m1+m2=2P0Sin2θ可見，本實(shí)用新型所說的技術(shù)可使光源的輸入光強(qiáng)得以充分利用，并使其靈敏度提高。
外界因素(如溫度、應(yīng)力、振動等)的影響與光路方向相關(guān)，即對m1、m2的影響相反，所以，總的信號調(diào)制度m受外界因素的影響被抵消了一部分，即達(dá)到了相互補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 附圖1起偏器設(shè)置于法拉弟材料之中的傳感頭示意圖附圖2起偏器設(shè)置于法拉弟材料之外的傳感頭示意圖。
圖1為內(nèi)置式起偏器的傳感頭，由法拉弟材料加工成鍍膜保偏型傳感頭1，如果為正方形塊狀法拉弟材料，則三個直角切成均與邊長成45°夾角的a、b、c反射面切面4，在反射面上鍍有保偏反射膜；第四個角被制成內(nèi)嵌式直角5，將分光束型起偏器2嵌在里面。光源發(fā)出的光經(jīng)90°分光束型起偏器后分為兩束方向垂直的線偏振光，分別正入射進(jìn)入傳感頭1，經(jīng)三次保偏反射后分別反方向繞電流i成閉合環(huán)路，再分別從與起偏器的光軸成45°角的兩個檢偏器輸出，總的輸出光強(qiáng)為二者之和。當(dāng)光線正入射時，在反射面a、b、c的入射角為45°。檢偏器3a、3b分別設(shè)置在兩束光輸出的位置上。
圖2為外置式起偏器的傳感頭，這種結(jié)構(gòu)形式的傳感頭，在分光束型起偏器相應(yīng)第二束光的方向設(shè)置有180°保偏轉(zhuǎn)向棱鏡6，檢偏器3a、3b分別設(shè)置在兩束光輸出的位置上。
圖中虛線部分分別表示為兩束光線在法拉弟材料中的傳輸方向。
權(quán)利要求1.一種雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭，由法拉弟材料制成的傳感頭(1)、分光束型起偏器(2)和兩個檢偏器(3a)、(3b)構(gòu)成，其特征在于，檢偏器(3a)、(3b)分別設(shè)置在傳感頭(1)兩束輸出光處，分光束型起偏器(2)設(shè)置在輸入光進(jìn)入傳感頭(1)處，在其法拉弟材料上有反射面的切面(4)，在切面(4)上鍍有保偏膜。
2.按照權(quán)利要求1所說的傳感頭，其特征在于，為內(nèi)置式起偏器傳感頭(1)，由法拉弟材料加工成鍍膜保偏型傳感頭(1)，正方形塊狀，三個直角切成均與邊長成45°夾角的反射面切面(4)，在反射面上鍍有保偏反射膜；第四個角被制成內(nèi)嵌式直角(5)，分光束型起偏器(2)嵌在里面；檢偏器(3a)、(3b)分別設(shè)置在兩束光輸出的位置上。
3.按照權(quán)利要求1所說的傳感頭，其特征在于，為外置式起偏器傳感頭(1)，分光束型起偏器(2)設(shè)置在傳感頭(1)的外面，在經(jīng)分光束型起偏器(2)相應(yīng)第二束光的方向設(shè)置有180°保偏轉(zhuǎn)向棱鏡(6)；檢偏器(3a)、(3b)分別設(shè)置在兩束光輸出的位置上。
專利摘要一種雙入射光路反向型光學(xué)電流傳感頭、由傳感頭、分光束型起偏器和兩個檢偏器構(gòu)成,檢偏器分別設(shè)置在傳感頭兩束輸出光處,分光束型起偏器設(shè)置在輸入光進(jìn)入傳感頭處,在其法拉弟材料上有反射面的切面,在切面上鍍有保偏膜。本技術(shù)所述的電流傳感頭與現(xiàn)有技術(shù)的效果相比,可使總的輸入的偏振光光強(qiáng)提高近一倍,可提高總的輸出光強(qiáng),可大幅度提高傳感靈敏度和信噪比。可適用于電網(wǎng)電流、沖擊電流、泄漏電流的測量以及電力系統(tǒng)高壓、超高壓下各種電流測量。
文檔編號G01R15/24GK2319815SQ97241609
公開日1999年5月19日 申請日期1997年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月12日
發(fā)明者李爾寧, 劉延冰 申請人:華中理工大學(xué)