一种光纤电流传感器及其制作方法

xiaoxiao2020-7-23  8

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专利名称:一种光纤电流传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种电流传感器及其制作方法,尤其涉及一种光纤电流传感器及其制 作方法。
背景技术
随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增加,对电流传感器的要求 是越来越高,传统电磁式电流传感器逐渐暴露出了严重的缺陷,不能满足高压、超高压电 网的需要。除了传统电磁式电流传感器,目前还有一种Sagnac式光纤电流传感器(参见 图1)正处于研发阶段,作为传统铁磁式电流传感器可能的换代产品而备受关注,但是这种 Sagnac式光纤电流传感器未进入实际应用阶段。因为这种Sagnac式光纤电流传感器既具 有电流传感器的特点又具有Sagnac式传感器的特点,也就是说,这种传感器既能敏感电流 又能敏感Sagnac效应。Sagnac效应是指,当光束在一个环形通道中前进时,如果这个环形 通道是转动的,沿着通道转动的方向前进所需要的时间比沿着通道转动相反的方向前进所 需要的时间多,两束光会产生光程差,光程差大小与环形通道转速成正比。由此可知Sagnac 式传感器是一种角速度传感器,对振动或转动非常敏感。高压线路分布在室外,由于刮风或 振动,高压导线会晃动,从而引起电流传感器传感部分振动,Sagnac式光纤电流传感器传感 部分敏感到振动,输出随之发生变化。因为这种缺陷,Sagnac式传感器输出变化无法分清 是外界环境影响还是高压导线中电流本身的变化,严重影响了电流传感器的测量准确性, 无法实用。综上所述,传统电磁式电流传感器的缺点1、体积大、重量大。电磁式电流传感器主要由铁芯、变压器油、铜导线以及绝缘介质组成,这些材料的 体积和重量都较大,而且随着电压等级的提高,绝缘结构越来越复杂,高压等级下,传统电 磁式电流传感器笨重而昂贵。2、有磁饱和、铁磁谐振问题。采用电磁感应原理,使用铁芯结构,当被测电流异常增大时,传感器铁芯将出现磁 饱和,使测量准确度严重下降。3、绝缘结构复杂、造价高。由于设计结构绝缘性不好,依靠油绝缘、气体绝缘等绝缘方法,随着电压等级的提 高,绝缘结构越来越复杂,绝缘成本直线上升,超高压等级下,昂贵而难以负担。4、不易与数字设备连接。二次侧的测量结果也是电流而不是数字信号,不易与数字设备连接。5、存在潜在的爆炸危险。油绝缘的传统电磁式电流传感器在超高压环境下有发生绝缘击穿引起对地短路 或突然爆炸的可能。Sagnac式光纤电流传感器的缺点
Sagnac式光纤电流传感器既具有电流传感器的特点又具有Sagnac式传感器的特 点,也就是说,这种传感器既能敏感电流又能敏感Sagnac效应。Sagnac效应是指,当光束在 一个环形通道中前进时,如果这个环形通道是转动的,沿着通道转动的方向前进所需要的 时间比沿着通道转动相反的方向前进所需要的时间多。由此可知Sagnac式传感器是一种 角速度传感器,对振动或转动非常敏感。高压线路分布在室外,由于刮风或振动,高压导线 会摆动,从而引起电流传感器传感部分晃动,Sagnac式光纤电流传感器传感部分敏感到晃 动,输出随之发生变化。因为这种缺陷,Sagnac式光纤电流传感器输出变化无法分清是外 界环境影响还是高压导线中电流本身的变化,严重影响了电流传感器的测量准确性,无法 实用。因此,目前这些电流传感器不能满足现代电力系统的要求,急需寻找更理想的新 型电流互感器。

发明内容
为解决背景技术中存在的上述技术问题,本发明提供了一种精度高、体积小、重量 轻且消除了 Sagnac效应因而对振动或转动不敏感的光纤电流传感器及其制作方法。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种光纤电流传感器,包括第一四分之 一波片、第二四分之一波片、传感光纤以及线圈骨架;第一四分之一波片和第二四分之一波 片通过传感光纤相连通,其特殊之处在于所述传感光纤耦合有半波片;所述传感光纤双 线同向绕制在线圈骨架上。上述半波片耦合在传感光纤的中部。上述光纤电流传感器还包括激光光源、光电探测器、光纤耦合器、Y波导多功能集 成光学器件;所述激光光源和光电探测器通过光纤耦合器后与Y波导多功能集成光学器件 相连;所述Y波导多功能集成光学器件的两个分支分别与第一四分之一波片、第二四分之 一波片相连。上述光纤电流传感器还包括起偏器和相位调制器;所述光纤耦合器和传输光纤通 过起偏器相连;所述相位调制器设置于传输光纤上。上述半波片为光纤式半波片、玻璃式半波片或者晶体式半波片。一种光纤电流传感器的制作方法,其特殊之处在于该方法包括以下步骤1)在传感光纤中部耦合半波片;2)以传感光纤中部为起始端以双线同向在线圈骨架绕制成传感线圈。上述步骤1)中半波片在传感光纤上的耦合是以传感光纤中部为起始端以双线同 向在线圈骨架绕制后断开中部位置,耦合入一个半波片。上述步骤1)中半波片在传感光纤上的耦合是在传感光纤中部先耦合入一个半波 片,再以传感光纤中部为起始端以双线同向在线圈骨架绕制成传感线圈。本发明的优点是1、动态测量范围大、测量精度高。本发明有很宽的动态范围,测量额定电流的范围 从几安培到几千安培,过电流范围可达几万安培。2、无磁饱和、铁磁谐振问题。本发明在传感头部分采用的是光纤线圈,不含铁芯, 因而不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。
3、绝缘结构简单,绝缘性能好。本发明采用光纤和比较轻便的绝缘支柱,高压侧与 低压侧之间只存在光纤的联系,从设计原理上就完全满足绝缘要求,因此其绝缘结构比较 简单,绝缘性能好。4、低压侧无开路高压危险。本发明的电流传感器的高压侧与低压侧之间只存在光 纤的连接,而光纤具有良好的绝缘性能,可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离,因 此低压侧没有因开路而产生高压的危险,而且避免了电磁干扰的影响。5、频率响应范围宽。本发明的实际能测量的频率范围主要取决于电子线路部分, 本发明可以测出高压电力线路上的谐波,还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测 量。6、对振动和转动不敏感,实用性强。本发明的光纤电流传感器在传感部分振动时, 输出不会受到影响。因为本发明中的光纤线圈为双线绕制,当发生振动或转动时,以半波片 为分界,光波在前一半传感光纤中因Sagnac效应而光程变长时,在后一半传感光纤中则因 Sagnac效应而光程变短,半波片耦合在传感光纤中点,Sagnac效应恰好完全抵消。而因电 流产生的法拉第磁光效应在半波片前后效果一致,传感器中的两束光波的光程差只与电流 大小有关,相遇时的相位差也只与电流大小有关。7、体积小、重量轻,易与数字设备连接。本发明能够给运输和安装带来较大的方 便,可提供便携式产品,测量电网中不同地点的电流。能提供数字化的电流信号,易与数字 设备连接。8、无传统电磁式电流传感器的潜在爆炸危险。本发明采用光纤绝缘而不采用油绝 缘,在结构设计上就可以避免因充油而产生的易燃、易爆等危险。


图1为Sagnac式光纤电流传感器传感线圈结构示意图;图2为本发明较佳的实施例结构示意图;图3为本发明光纤线圈缠绕方法示意图。
具体实施例方式参见图2,本发明提供了一种光纤电流传感器,包括第一四分之一波片3、第二四 分之一波片4、半波片7、传感光纤5以及线圈骨架6 ;第一四分之一波片3和第二四分之一 波片4通过传感光纤5相连通,传感光纤5的中部耦合有半波片7 ;传感光纤5双线同向绕 制在线圈骨架6上。本发明所提供的光纤电流传感器还包括激光光源1、光电探测器9、光纤耦合器2、 Y波导多功能集成光学器件8,该Y波导多功能集成光学器件8也可以采用分离的几个器件 组成,比如起偏器、光纤耦合器和相位调制器一起来实现Y波导多功能集成光学器件的功 能;激光光源1和光电探测器9通过光纤耦合器2后与Y波导多功能集成光学器件8相连; Y波导多功能集成光学器件的两个分支的尾纤分别与第一四分之一波片3和第二四分之一 波片4相连。半波片7可以是光纤式半波片、玻璃式半波片或者晶体式半波片。参见图3,本发明在提供该光纤电流传感器的同时还提供了 一种光纤电流传感器
5的制作方法,该方法是将耦合有半波片7的传感光纤5在线圈骨架6上进行绕制时,先找出 传感光纤5的中点,以其为起始端以双线同向绕制传感线圈。半波片7在传感光纤5上的耦合时,先在传感光纤5上找出其中点,以此为起始端 双线同向绕制传感线圈(同为顺时针或者同为逆时针),绕成后断开中点位置,耦合入一个 半波片7 ;或者先耦合入一个半波片7,再以其为起始端绕制。本发明的光纤电流传感器对振动或转动不敏感。高压线路分布在室外,由于刮风 或振动,高压导线会晃动,从而引起电流传感器传感部分振动。Sagnac式光纤电流传感器 传感部分敏感到振动时,输出随之发生变化,而本发明的光纤电流传感器在传感部分晃动 时,输出不会发生变化。因为Sagnac效应使光程变长或还是变短的由光波传播方向和光路 转动方向是否相同决定,与光波的偏振状态无关,而本发明中的光纤线圈为双线绕制,当发 生振动或转动时,以半波片为分界,光纤光路的光传播方向相反,光波在前一半传感光纤中 传播方向与转动方向相同(相反)时,在后一半传感光纤中的传播方向则与转动方向相反 (相同)。这样以半波片为分界,光波在前一半传感光纤中因Sagnac效应而光程变长,在后 一半传感光纤中则因Sagnac效应而光程变短,半波片耦合在传感光纤中点,Sagnac效应恰 好完全抵消。消除了 Sagnac效应后,传感器中的两束光波的光程差只与电流大小有关,相 遇时的相位差也只与电流大小有关,相位差与电流大小成正比测出某一时刻的相位差就 可以知道该时刻相应的电流大小。因此,本发明的光纤电流传感器消除了 Sagnac效应,对 振动或转动不敏感。参见图2,本发明的光纤电流传感器中,经过第一四分之一波片3的线偏振光被转 换成右旋(左旋)圆偏振光,经过一半的传感光纤5,再经半波片7变成左旋(右旋)圆偏振 光,再经过另一半传感光纤5,再经过第二四分之一波片4被转换回线偏振光;经过第二四 分之一波片4的线偏振光被转换成左旋(右旋)圆偏振光,经过一半的传感光纤5,经半波 片7变成右旋(左旋)圆偏振光,再经过另一半传感光纤5再经过第一四分之一波片3被 转换回线偏振光;两束光波回到Y波导多功能集成光学器件处时相遇发生干涉。穿过线圈 骨架的导线中无电流流过时,先经过第一四分之一波片3的光波和先经过第二四分之一波 片4的光波在传感光纤5中以圆偏振态传播时光速一致,此时两束光波之间相遇时无相位 差。当导线中有电流流过时,由于安培环路定理,在通电导线附近产生了感生磁场。而法拉 第磁光效应的一种表现形式是沿磁场方向传播的圆偏振光的光速发生变化(变得比无法 拉第效应时的光速快或慢),圆偏振光光速变快还是变慢与圆偏振光的旋向(左右)以及光 传播方向(与磁场方向相同与否)有关。当圆偏振光经过半波片时,旋向发生变化,同时光 传播方向(与磁场方向是相同与否)也发生变化,因为法拉第效应光波继续以这个快或慢 的光速传播。因此由相位调制器进入第一四分之一波片3的和第二四分之一波片4的光波 在传感光纤中以圆偏振态传播时光速不同,再经过四分之一波片转换回线偏振光相遇时有 相位差。由法拉第效应产生的相位差Of = 2VH1 = VlI/π r。由此可知,相位差与电流大 小成正比,测出某一时刻的相位差就可以知道该时刻相应的电流大小。本发明的核心部分,经过第一四分之一波片3的线偏振光被转换成右旋(左旋) 圆(椭圆)偏振光,经过一半的传感光纤5,此时光速比未经过四分之一波片时的光速快 (或慢),经半波片7变成左旋(右旋)圆(椭圆)偏振光,再经过另一半传感光纤5,此时 光速同样快(或慢),再经过第二四分之一波片4被转换回线偏振光;经过第二四分之一波片4的线偏振光被转换成左旋(右旋)圆(椭圆)偏振光,经过一半的传感光纤5,此时光 速比未经过四分之一波片时的光速慢(或快),经半波片7变成右旋(左旋)圆(椭圆)偏 振光,再经过另一半传感光纤5,此时光速同样慢(或快),再经过第一四分之一波片3被转 换回线偏振光。因振动或晃动产生的Sagnac效应在半波片前后效果相反而抵消,因电流产 生的法拉第磁光效应半波片前后效果一致,两束光相遇时的相位差只反映电流大小。这种光纤线圈绕制方法,消除了 Sagnac效应,因而对振动和转动不敏感,解决了 光纤电流传感器的应用瓶颈,使光纤电流传感器具有了实用性。本设计的光纤电流传感器稍加修改光纤线圈圈数等参数,可用于各种电压下的直 流、交流电流传感。
权利要求
一种光纤电流传感器,包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、传感光纤以及线圈骨架;第一四分之一波片和第二四分之一波片通过传感光纤相连通,其特征在于所述传感光纤耦合有半波片;所述传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上。
2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器,其特征在于所述半波片耦合在传感光纤 的中部。
3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器,其特征在于所述光纤电流传感器还包括 激光光源、光电探测器、光纤耦合器、Y波导多功能集成光学器件;所述激光光源和光电探 测器通过光纤耦合器后与Y波导多功能集成光学器件相连;所述Y波导多功能集成光学器 件的两个分支分别与第一四分之一波片、第二四分之一波片相连。
4.根据权利要求1所述的光纤电流传感器,其特征在于所述光纤电流传感器还包括 起偏器和相位调制器;所述光纤耦合器和传输光纤通过起偏器相连;所述相位调制器设置 于传输光纤上。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的光纤电流传感器,其特征在于所述半波片 为光纤式半波片、玻璃式半波片或者晶体式半波片。
6.一种实现权利要求1所述的光纤电流传感器的制作方法,其特征在于该方法包括 以下步骤1)在传感光纤中部耦合半波片;2)以传感光纤中部为起始端以双线同向在线圈骨架绕制成传感线圈。
7.根据权利要求5所述的光纤电流传感器的制作方法,其特征在于所述步骤1)中半 波片在传感光纤上的耦合是以传感光纤中部为起始端以双线同向在线圈骨架绕制后断开 中部位置,耦合入一个半波片。
8.根据权利要求6所述的光纤电流传感器的制作方法,其特征在于所述步骤1)中半 波片在传感光纤上的耦合是在传感光纤中部先耦合入一个半波片,再以传感光纤中部为起 始端以双线同向在线圈骨架绕制成传感线圈。
全文摘要
本发明涉及一种光纤电流传感器及其制作方法。一种光纤电流传感器,包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、传感光纤以及线圈骨架;第一四分之一波片和第二四分之一波片通过传感光纤相连通,传感光纤耦合有半波片;传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上。本发明提供了一种精度高、体积小、重量轻且消除了Sagnac效应,因而对振动或转动不敏感的光纤电流传感器及其制作方法。
文档编号G01R19/00GK101930019SQ200910303769
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者徐金涛, 赵卫 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所

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