專利名稱：全光纖電流傳感器及其偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖電流傳感器及其偏振態(tài)調(diào)節(jié) 方法。
背景技術(shù)：
在高電壓、大電流和強功率的電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器存在易受電 磁干擾、精度低、鐵芯共振和滯后效應(yīng)等一系列缺點，難以滿足使用要求。光纖傳感器具有 抗電磁干擾能力強、絕緣性好、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，這為大電流的檢測提供了可能，受到了 廣泛的關(guān)注，已經(jīng)成為目前電力系統(tǒng)檢測高壓電流的最流行、最有應(yīng)用前景的技術(shù)。目前開發(fā)的光纖電流傳感器，大致可以分為功能型光纖傳感器(全光纖式)和傳 輸型光纖傳感器兩類。在傳輸型光纖電流傳感器中，光纖的作用僅僅是完成對信號的傳輸， 磁場對于光信號的調(diào)制是由其他元件完成，比如環(huán)狀磁光玻璃，BGO晶體、以及發(fā)光二極管 等。圖1是一種利用BGO晶體的光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)，其原理是激光器1發(fā)出的連續(xù)光經(jīng) 多模光纖2送至準(zhǔn)直透鏡3進(jìn)行準(zhǔn)直，然后經(jīng)過起偏器4變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入BGO晶體5，光 在通過BGO晶體5時，其偏振方向?qū)⒃诖艌龅淖饔孟掳l(fā)生旋轉(zhuǎn)，在出射端采用分光棱鏡6分 為兩束，然后送至兩只探測器7進(jìn)行光強消光比變化的檢測。由于磁場正比于外界的電流， 檢測到這個磁場也就可以檢測出電流。該傳感器不受光纖雙折射的影響，長期穩(wěn)定性較高。 但是該種傳感器畢竟只是測量了磁場，而沒有進(jìn)行沿長度的積分，存在換算誤差。而且磁場 的大小與BGO探頭所處位置有關(guān)，這個誤差難以克服。此外還存在探頭的BGO晶體容易受 溫度的影響，而且雖然理論上偏振方向的旋轉(zhuǎn)是由磁場所決定，但是由于磁光效應(yīng)與磁場 方向和光傳輸方向的夾角有關(guān)，從而引起誤差。而且BGO晶體長度畢竟有限，很難進(jìn)一步提 高靈敏度。全光纖式的功能型光纖電流傳感器是基于光纖內(nèi)的Faraday磁光效應(yīng)實現(xiàn)電流 的檢測，光纖既是傳感元件又是信號的傳輸介質(zhì)。全光纖式的功能型光纖電流傳感器是將 光纖纏繞在通電導(dǎo)體周圍，通過測量光纖中的Faraday旋轉(zhuǎn)角來測量電流的大小。這個旋 轉(zhuǎn)角是不僅正比于磁場的大小，而且是與沿路徑的積分有關(guān)，因此真正反映了通過光纖圈 的總電流。由于光纖可以繞制成很多圈，從而大大提高傳感器的靈敏度。而且普通石英光纖 非常便宜，每米只有0. 1元左右，不必像集磁式光纖電流傳感器需要一個集磁鐵芯，制作成 本低，因此很有優(yōu)勢。這類傳感器的調(diào)制原理主要有兩種方案偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型。 偏振調(diào)制型的基本原理是基于光纖內(nèi)的Faraday效應(yīng)實現(xiàn)偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)，如圖2所示激光 器8輸出的連續(xù)光經(jīng)過光纖起偏器9后輸入光纖圈10，輸出端采用握拉斯頓棱鏡11將光分 為互相垂直的兩束，然后采用兩個探測器12將光信號轉(zhuǎn)換為電信號送入信號處理單元13。相位調(diào)制型光纖電流傳感器是利用調(diào)制器對光波的相位進(jìn)行調(diào)制，通過檢測輸出 干涉光的相位差來確定待測電流。此種原理的光纖電流傳感器主要是基于Fabry-Perot干 涉儀、Mach-Zehnder干涉儀、Sagnac干涉儀等幾種干涉儀實現(xiàn)的。以Sagnac干涉儀為例， 一種反射式Sagnac光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，測量原理是激光器14發(fā)出的光經(jīng)單模光纖被傳送耦合器15，然后送至起偏器16，成為線偏振光，通過45度熔接點17分成偏 振方向相互垂直的兩束光，再經(jīng)λ/4波片18入射光轉(zhuǎn)換為兩個旋向相反(左旋和右旋) 的圓偏振光，進(jìn)入光纖圈19進(jìn)行傳感。在光纖圈19中經(jīng)過一次法拉第效應(yīng)后，到達(dá)反射鏡 20，發(fā)生反射，它們的偏振態(tài)在反射時發(fā)生了交換，即原左旋光變成了右旋光，原右旋光變 成了左旋光。經(jīng)過反射后的圓偏振光按原路返回，再次經(jīng)法拉第效應(yīng)，然后通過λ/4波片 18轉(zhuǎn)換回線偏振光，經(jīng)過反射的光攜帶了相位差信息經(jīng)過耦合器15被傳送至光電探測器 21上述全光纖型電流傳感器由于光纖中的雙折射效應(yīng)的存在，而這種雙折射易受外 界影響，使得測量誤差大大增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性削弱，長期以來沒有辦法實用。因此人們致力 于尋找低雙折射光纖或者低光彈性系數(shù)光纖來試圖消除光纖自身的雙折射效應(yīng)，以便減少 外界環(huán)境的干擾?；蛘咴噲D找出磁光Faraday效應(yīng)與光纖自身雙折射效應(yīng)之間的區(qū)別，來 抑制光纖自身的雙折射，但由于光纖自身的雙折射受光纖放置狀態(tài)的影響，即使是低雙折 射光纖，光纖彎曲、收到應(yīng)力以及溫度的影響，都會形成新的雙折射，因此上述方法都收效 甚微。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全光纖電流傳感器及其偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法。一方面，本發(fā)明公開了一種全光纖電流傳感器，包括順序設(shè)置的激光器、感應(yīng)電流 磁場變化的光纖圈組件、設(shè)置于所述光纖圈組件輸入端的第一偏振控制器、設(shè)置于所述光 纖圈組件輸出端的第二偏振控制器、快速偏振態(tài)檢測器和高通濾波器。上述電流傳感器，優(yōu)選所述光纖圈組件為光纖圈。上述電流傳感器，優(yōu)選所述光纖圈組件包括順序設(shè)置的光纖環(huán)行器、光纖圈和全 反射鏡；其中，所述光纖圈組件的輸入端為所述光纖環(huán)行器的第一端，與所述第一偏振控制 器的輸出端相連接；所述光纖圈組件的輸出端為所述光纖環(huán)行器的第三端，與所述第二偏 振控制器的輸入端相連接；所述光纖圈的輸入端與所述光纖環(huán)行器的第二端連接。上述電流傳感器，優(yōu)選所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器分別連接有伺 服系統(tǒng)。上述電流傳感器，優(yōu)選所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器為手動偏振控 制器或電動偏振控制器。上述電流傳感器，優(yōu)選所述手動偏振控制器為旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)的偏振控制器或擠壓光 纖的偏振控制器。上述電流傳感器，優(yōu)選所述電動偏振控制器為電動旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)的偏振控制器或利 用壓電陶瓷擠壓光纖的電動偏振控制器。上述電流傳感器，優(yōu)選所述電動偏振控制器為基于半導(dǎo)體光放大器非線性偏振旋 轉(zhuǎn)效應(yīng)的電動偏振控制器。上述電流傳感器，優(yōu)選所述快速偏振態(tài)檢測器由1 X 4耦合器與4個光探測器組 成；或所述快速偏振態(tài)檢測器由1X4耦合器與4個光探測器，以及3個偏振分束器組成。另一方面，本發(fā)明公開了一種上述電流傳感器的偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟 步驟1，所述激光器輸出的光經(jīng)過第一偏振控制器后，使用所述快速偏振態(tài)檢測器進(jìn)行檢測，這時，在輸出邦加球上畫出一個圓。步驟2，調(diào)節(jié)所述第一偏振控制器，使得偏振態(tài)所畫 出的圓圈越來越小，直至縮小為一個點，所述一個點所處的狀態(tài)為偏振主態(tài)；步驟3，調(diào)節(jié) 所述第二偏振控制器，使得已經(jīng)獲得的所述偏振主態(tài)移動到邦加球的兩極中的一個；步驟 4，調(diào)節(jié)所述第一偏振控制器，使得所畫出的圓圈越來越大，直至達(dá)到赤道。本發(fā)明針對上述偏振調(diào)制型全光纖電流傳感器存在的缺點，提出了一種基于偏振 主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器，該傳感器通過調(diào)整輸入偏振態(tài)，尋找出電流 變化的偏振主態(tài)，從而使電流變化時引起的輸出偏振態(tài)的變化始終繞著偏振主態(tài)在邦加球 的赤道上旋轉(zhuǎn)，從而確保磁場方向夾角誤差最?。皇褂酶咚倨駪B(tài)檢測技術(shù)，對偏振態(tài)的變 化進(jìn)行快速檢測，由于外界干擾引起的偏振態(tài)變化時間在秒級，其頻率大大低于交流電的 變化速度，很容易利用濾波器濾除，從而有效的規(guī)避了自身雙折射的影響，也有效地解決了 溫度穩(wěn)定性問題。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于BGO晶體的光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中偏振調(diào)制型全光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中相位調(diào)制型全光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器實施例的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器另一實施例 的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器另一實施例 的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明全光纖電流傳感器包括順序設(shè)置的激光器、感應(yīng)電流磁場變化的光纖圈組 件、設(shè)置于所述光纖圈組件輸入端的第一偏振控制器、設(shè)置于所述光纖圈組件輸出端的第 二偏振控制器、快速偏振態(tài)檢測器和高通濾波器。其中的光纖圈組件用于感受電流場的變 化，可以為單個的光纖圈，也可以包含光纖環(huán)行器。下面通過三個實施例加以說明。實施例一參照圖4，圖4為本發(fā)明基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器實 施例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括順序連接的激光器22、第一偏振控制器24、光纖圈23，第二偏振控 制器25，快速偏振態(tài)檢測器26和高通濾波器27。與通常的全光纖電流傳感器的區(qū)別在于，在光纖圈23的輸入端沒有了起偏器，而 代之以第一偏振控制器24 ；在光纖圈23輸出端也沒有檢偏器或者偏振分束器(沃拉斯頓 透鏡等)，代之以第二偏振控制器25與快速偏振態(tài)檢測器26。這是一個非常簡單的結(jié)構(gòu)， 關(guān)鍵在于偏振態(tài)的快速檢測與通過調(diào)節(jié)兩個偏振控制器獲得偏振主態(tài)。其調(diào)節(jié)步驟如下
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步驟1激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)過第一偏振控制器24后，使用快速偏振態(tài)檢測器26 進(jìn)行檢測，這時，由于電流的法拉第效應(yīng)，在輸出邦加球上將畫出一個圓。步驟2，調(diào)節(jié)第一偏振控制器24，使得電流作用導(dǎo)致輸出偏振態(tài)在邦加球上所畫 出的圓圈越來越小，直至縮小為一點，即為偏振主態(tài)。步驟3，調(diào)節(jié)第二偏振控制器25，使得已經(jīng)獲得的偏振主態(tài)(邦加球上的一個點) 移動到邦加球的兩極中的一個。步驟4，調(diào)節(jié)第一偏振控制器24，使得所畫出的圓圈越來越大，直至達(dá)到赤道。這 時電流的變化總是使輸出偏振態(tài)在赤道上旋轉(zhuǎn)。任何非赤道旋轉(zhuǎn)或者在赤道上旋轉(zhuǎn)但是速度低于工頻的運動，都是干擾信號，可 以用濾波器直接濾除。本實施例的優(yōu)點在于通過偏振主態(tài)和高速偏振態(tài)檢測方法檢測電流變化，該方法 克服了全光纖電流傳感器中由于環(huán)境引起的偏振態(tài)不穩(wěn)定的問題，而且該方法測量簡便， 速度快，結(jié)構(gòu)簡單。實施例二參照圖5，圖5為本發(fā)明基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器另 一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該實施例為反射式全光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中包括激光器28、第一偏振控制器29，第二偏振控制器30，光纖環(huán)行器31，光纖 圈32，全反射鏡33，高速偏振態(tài)檢測器34，高通濾波器35。該反射式傳感器是在圖4的基 礎(chǔ)上，在光纖圈32的末端加了一個全反射鏡，使得入射到光纖圈32的光經(jīng)原路返回，從而 增加了磁場對于光信號的調(diào)制作用，相當(dāng)于增加了光纖圈的圈數(shù)。返回來的光經(jīng)過環(huán)行器 31與輸出偏振控制器30相連接，然后進(jìn)入高速偏振態(tài)檢測器34和電的高通濾波器35。偏 振主態(tài)的調(diào)節(jié)的方法同前。在此不再贅述。另外，在具體實施時，在實施例一或者實施例二的第一偏振控制器(24或29)前 面，還可以再加一個偏振控制器、一個耦合器和一個快速偏振態(tài)檢測器，用以檢測輸入偏振 態(tài)，防止其它由光源側(cè)引起的輸入偏振態(tài)的變化。在上述兩個實施例中，偏振控制器使用手動偏振控制器或者電動偏振控制器；手 動偏振控制器是旋轉(zhuǎn)光纖圈形式或者是擠壓光纖的形式；電動偏振控制器是將手動偏振控 制改為電動控制，或者基于其他原理的電動控制器，如半導(dǎo)體偏振控制器等。實施例三參照圖6，圖6是另外一種基于偏振主態(tài)與高速偏振態(tài)檢測的全光纖電流傳感器 的結(jié)構(gòu)，激光器36發(fā)出的光是一個脈沖光，第一偏振控制器37為電動的偏振控制器，其與 伺服系統(tǒng)38組成了一個電動偏振態(tài)控制系統(tǒng)，當(dāng)脈沖光經(jīng)過時可以按照預(yù)先設(shè)定的要求 精確進(jìn)行偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)。第一偏振控制器37的輸出光經(jīng)過光纖環(huán)形器39進(jìn)入光纖圈40，在 光纖圈中在法拉第效應(yīng)作用下發(fā)生偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)。光纖圈出射的光到達(dá)反射鏡41經(jīng)過反 射后沿著原路返回，再次經(jīng)過光纖圈40，然后經(jīng)過光纖環(huán)形器39到達(dá)第二偏振控制器42， 該偏振控制器也為電動偏振控制器，其與伺服系統(tǒng)43組成了另一個電動偏振態(tài)控制系統(tǒng)， 用來精確調(diào)節(jié)輸出偏振態(tài)。第二偏振控制器42的輸出光最終進(jìn)入快速光纖偏振態(tài)檢測器 44變成電信號，該電信號通過電的濾波器45獲得電流信息。偏振主態(tài)的調(diào)節(jié)的方法同前。 在此不再贅述。
以上對本發(fā)明所提供的一種全光纖電流傳感器及其偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行詳細(xì)介 紹，本文中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明 只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本 發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng) 理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種全光纖電流傳感器，其特征在于，包括順序設(shè)置的激光器、感應(yīng)電流磁場變化的光纖圈組件、設(shè)置于所述光纖圈組件輸入端的第一偏振控制器、設(shè)置于所述光纖圈組件輸出端的第二偏振控制器、快速偏振態(tài)檢測器和高通濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述光纖圈組件為光纖圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述光纖圈組件包括順序設(shè)置的光纖環(huán)行器、光纖圈和全反射鏡；其中，所述光纖圈組件的輸入端為所述光纖環(huán)行器的第一端，與所述第一偏振控制器 的輸出端相連接；所述光纖圈組件的輸出端為所述光纖環(huán)行器的第三端，與所述第二偏振 控制器的輸入端相連接；所述光纖圈的輸入端與所述光纖環(huán)行器的第二端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流傳感器，其特征在于，所述第一偏振控制器、所述第二偏 振控制器分別連接有伺服系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述第一偏振控制器、所述第二偏 振控制器為手動偏振控制器或電動偏振控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流傳感器，其特征在于，所述手動偏振控制器為旋轉(zhuǎn)光纖 環(huán)的偏振控制器或擠壓光纖的偏振控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流傳感器，其特征在于，所述電動偏振控制器為電動旋轉(zhuǎn) 光纖環(huán)的偏振控制器或利用壓電陶瓷擠壓光纖的電動偏振控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流傳感器，其特征在于，所述電動偏振控制器為基于半導(dǎo) 體光放大器非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電動偏振控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述快速偏振態(tài)檢測器由1X4耦合器與4個光探測器組成；或所述快速偏振態(tài)檢測器由1X4耦合器與4個光探測器，以及3個偏振分束器組成。
10.一種基于如權(quán)利要求1所述的電流傳感器的偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征在于，包括如 下步驟步驟1，所述激光器輸出的光經(jīng)過第一偏振控制器后，使用所述快速偏振態(tài)檢測器進(jìn)行 檢測，這時，在輸出邦加球上畫出一個圓；步驟2，調(diào)節(jié)所述第一偏振控制器，使得偏振態(tài)所畫出的圓圈越來越小，直至縮小為一 個點，所述一個點所處的狀態(tài)為偏振主態(tài)；步驟3，調(diào)節(jié)所述第二偏振控制器，使得已經(jīng)獲得的所述偏振主態(tài)移動到邦加球的兩極 中的一個；步驟4，調(diào)節(jié)所述第一偏振控制器，使得所畫出的圓圈越來越大，直至達(dá)到赤道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全光纖電流傳感器及其偏振態(tài)調(diào)節(jié)方法。其中，該全光纖電流傳感器包括順序設(shè)置的激光器、感應(yīng)電流磁場變化的光纖圈組件、設(shè)置于所述光纖圈組件輸入端的第一偏振控制器、設(shè)置于所述光纖圈組件輸出端的第二偏振控制器、快速偏振態(tài)檢測器和高通濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)中的全光纖電流傳感器不同的是，本發(fā)明沒有起偏器和檢偏器，而是利用主態(tài)原理，直接檢測偏振態(tài)在邦加球赤道上的變化，并用濾波器濾除溫度等環(huán)境干擾。
文檔編號G01R19/00GK101968508SQ20101028567
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者吳重慶 申請人:北京交通大學(xué)