一种反射式偏振无关的小型化光电互感器制造技术

本发明专利技术涉及一种光纤电流互感器，由光电处理单元、传输光纤和传感头组成。它可以采用普通的传输光纤，通过对传感头的偏振态自补偿结构的设计，使该传感头和传输光纤双折射引起的偏振态扰动无关；通过对光电处理单元中增加光定向传输装置以及传感头中采用反射器的设计，使得输入光纤和输出光纤相同，有效抵消了光路的径向效应；另外，反射式结构让线偏振光两次通过磁光法拉第元件，使得电流探测灵敏度提高一倍，同时，大大缩小了传感头体积。本发明专利技术特别适合于电力系统高压大电流的测量，并且，适合低成本、小型化的光电互感器的大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤电流互感器，更具体的说，是一种偏振无关的小型化 光纤电流互感器。
技术介绍
光学电流互感器(optical current transducer,简称OCT)是以法拉第磁光效应 为基础的，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生磁场的作 用而发生旋转的角度来确定电流的大小。与传统的电流互感器Ccurrent transformer,简称CT)相比，OCT有许多优点(1)不含油,无爆炸危险；(2)不含 交流线圈,不存在输出线圈开路危险，可用于测量直流；(3)不含铁芯，无铁磁共 振和磁滞效应；(4)抗电磁干扰；(5)体积小、质量轻、易安装；(6)与高压线路完 全隔离，运行安全可靠；(7)测量带宽宽、准确度高；(8)信号传输距离远；(9)有 利于变电站综合自动化水平的提高。因此，OCT必将逐步代替传统的CT，具有 很高的经济价值。现有技术中，无源光纤电流互感器主要分为全光纤型、块状光学玻璃型和 磁场传感器型三种。全光纤传感头的优点是光路简单，便于加工，但其输出灵敏度受外界温度、光 纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大。主要表现在 (l)双折射使入射线偏振光的输出变成了椭圆偏振光，降低了整个仪器的测量灵 敏度。(2)线性双折射的存在对不同偏振面的入射线偏振光，引入的相位不同，使 得整个探头的灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变化。(3)随温度的变化而改 变的应力引入的线性双折射分布会导致传感器的测量灵敏度随温度变化而产生 漂移，且灵敏度的分布在传感头中是非均匀的，导致信号输出不仅会受到被测导 体位置的调制，而且还会受到外界大磁场的干扰。美国专利No.5463312中公开了一种改进的全光纤传感头，它通过在制造过程中尽量减少传感光纤的双折射(例如使光纤旋转)，随后将线圈形式退火以 尽量减少温度依赖性来提高全光纤电流互感器的灵敏度，但是它并不能完全消 除各类光纤双折射或者通过双折射效应造成的偏振态扰动的影响。国际专利WO1997/019367则采用保偏光纤连接多个直光纤传感头来消除温度相关双折射 引起的偏振态的变化，提高传感头的响应度，但其不足之处在于它并不能消除 光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响，并且采用传感头设计复杂。而国 际专利WO2002/004963和中国专利《全光纤电流测试方法》(公开号CN 1488946A，公开日2004年4月14日)中，则采用干涉的办法从根本上解决基 于法拉第效应的偏振扰动问题，但是该技术使得传感器变得复杂，成本大幅上 升，并且，它必须保证两个相干光束的光程相同，也就无法避免温度、应力等 双折射导致的光程变化的影响。中国专利《一种光学电流传感器》(公开号CN2403033Y，公开日2000年 10月25日)、中国专利《双入射光路反向型光学电流传感器》(公开号 CN2319815Y，公开日1999年5月19日)、中国专利《双光路光学电流传感头》 (公开号CN2762147Y，公开日2006年3月1日)等都公开了一种基于块状光 学玻璃的传感头，这类技术虽然不存在全光纤传感头因弯曲弓I入的双折射，但传 导光纤中的应力双折射会使传输光的偏振态随振动、温度等因素而变，在光学传 感头和光电探测器中表现为强度的变化，从而引入噪声；同时，光学玻璃材料本 身的剩余应力形成的线性双折射随温度的变化、实际中由于安装装配光路器件 (如透镜、偏振器件等)时引入的附加应力产生的双折射在60'C的温度变化范围 内引起的输出漂移也不可忽视；另外，用磁光玻璃构成的传感头加工起来较复 杂，并且由于光路较长，光束质量较差,耦合困难，耦合效率较低(一般为1 % 2 %)。在磁场传感器型的传感头中，中国专利《一种光电直流电流传感器》(公 开号CN1580789A，公开日2005年2月6日)公开了一种光电直流电流互感器， 采用双光源对称光路的结构来消除光源的光强漂移，但是该专利并不能消除偏 振态扰动对灵敏度的影响。中国专利《一种光电电流互感器》(公开号 CN1271413C，公开日2006年8月23日)则是引入了两个传感头加标准磁场的 办法来消除温度的影响，但是对偏振态扰动并不能消除，该技术不仅使传感头 复杂，造价高昂，而且，引入的标准磁场长期处于其他磁场环境下，稳定性无 法保证。中国专利《综合补偿型光纤电流传感器》(公开号CN1093640C，公开 曰2002年10月30日)中，引入了起偏分束器，减小了传感头本身偏振相关性 问题，但是因为其输入输出光路并不相同，所以无法补偿整个光路的径向效应，传感头灵敏度会随外界环境(如温度、应力等)对输入输出光纤的扰动而扰动， 另外，探测磁场的信号光和探测温度的信号光都经过法拉第元件的磁场偏转， 又都经过温度敏感元件的损耗，会导致消光比过大，而使得光探测器失效。'
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种低成本的小型化偏振无 关的光纤电流互感器设计。本专利技术的主要特点是(一)采用偏振无关的结构 设计，对传到传感头之前的信号光的偏振态不作要求，从而可以采用任何类型 的传输光纤；(二)采用反射式结构设计，使得整个光路的径向效应得以相互抵消，进一步降低了系统的偏振敏感度，真正实现整个光电互感器系统的偏振 无关特性。(三)采用反射式结构，让线偏振光两次通过磁光法拉第元件，使 得偏转角增加一倍，从而使电流探测灵敏度提高一倍，或者在偏转角不变的前 提下，沿光路方向能减小一半的法拉第元件的长度，便于低成本和小型化生产。 本专利技术所述的反射式偏振无关的小型化光电互感器，由光电处理单元11、传感头4和传输光纤组成，所述光电处理单元11由光源1、光定向传输装置2 和光探测器9组成；光源1输出波长为X的信号光，通过光定向传输装置2和 传输光纤3传到传感头4，所述传感头4由准直器5、起偏分束器6、磁光法拉 第元件7和反射器8依次连接而成。波长为人的信号光经过反射器8反射后， 反向通过磁光法拉第元件7、起偏分束器6、准直器5、传输光纤3和光定向传 输装置2后进入光探测器9，由光探测器9将光信号转换为电信号。 本专利技术的偏振无关特性通过下述技术方案予以实现。在传感头4中，由传输光纤3来的波长为X的任意偏振态的信号光，经准 直器5准直后，经起偏分束器6分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，垂直通 过磁光法拉第元件7，此时，其偏振态随电流信号的大小而旋转不同的角度，变 化后的两束线偏振光通过反射器8反射，再次通过磁光法拉第元件7，其偏振态 再次旋转同样的角度后进入起偏分束器6，此时，起偏分束器6起到合束的作用， 合束后的信号光通过准直器5，进入相同的传输光纤3，到达定向传输装置2后， 通过探测器9得到与偏振无关的电流信号。由于在起偏分束器6前，偏振态的 扰动对两束线偏振光极性相反，相互抵消，使得反射后经过起偏分束器6合束 后的光信号与输入的偏振态无关，即实现了传感头4的偏振态的自补偿。另外，由于输入和输出的信号都过同样的传输光纤3，从而补偿了整个光路的径向效 应，真正抵消了整个光路的偏振态扰动，使得探测器9得到的电流信号和偏振本专利技术可广泛应用于电力系统高压大电流的测量，其优点是(一)可以采用普通传输光纤，降低了光电互感器成本；(二)采用反射式结构，传感头 设计简本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用法拉第效应的无源光电互感器，由传感头、光电处理单元和传输光纤组成，其特征在于：所述的传感头由准直器、起偏分束器、磁光法拉第元件和反射器依次连接而成；由传输光纤输入的波长为λ的任意偏振态的信号光，经过准直器准直后，进入起偏分束器分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，一起通过磁光法拉第元件，此时，其偏振态受到电流信号的调制，调制后的两束线偏振光通过反射器反射后沿原路返回，第二次通过磁光法拉第元件，其偏振态再次受电流信号的调制，然后进入起偏分束器，这里，起偏分束器起到合束的作用，合束后的信号光通过准直器，输出到传输光纤；所述的光电处理单元由光源、光定向传输装置和光探测器组成：光源输出波长为λ的信号光，通过光定向传输装置输入到传输光纤；在传感头中受电流信号调制后的信号光输出到传输光纤，通过光定向传输装置后进入光探测器，由光探测器将光信号转换为电信号；所述的输入光纤和输出光纤为同一根的传输光纤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖礼，蒋俏峰，宋琼霞，何学海，
申请(专利权)人：武汉晟思高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]