[发明专利]基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于电力部门的光电式互感器，特别是涉及一种基于光纤磁光效应(法拉第效应)的光纤电流传感测量系统。

背景技术

采用基于法拉第(Faraday)效应的光电式电流传感器与传统电磁式电流互感器相比具有明显的优点，因此在国际上受到广泛重视并进行了大量地研究。如图1所示，基于法拉第效应的偏振检测型电流传感系统基本构成包括依次排列的光源1、传输光纤2、起偏器3、传感光纤或磁光材料4、电流导线5、检偏器6、传输光纤7、光电转换及信号处理电路8。

根据法拉第效应的基本原理，若沿光纤传输方向存在磁场，则光纤中传输的线偏振光的偏振方向将发生旋转。如果磁场由导线中的电流产生，则可以根据检测光偏振方向的变化测量电流的大小。如图1所示，若传感光纤内部不存在双折射，且沿光纤长度方向磁场强度H均匀时，线偏振光的旋转角θ可由下式表示：

θ=∫0LVHρ·dlρ=VHL=VnI]]>

其中，V为光纤材料的费尔德(Verdet)常数，L为光纤长度，I为导线中流过的电流，n为环绕光纤的导线匝数。

但在实际光纤中，由于光纤制作工艺的限制以及制作光纤传感线圈时引入的弯曲，这些不完善因素在光纤内部将产生双折射。光纤中双折射的存在会引起传输光的偏振态发生变化，使传感器的灵敏度降低及传感系统输出信号波动。

在基于Faraday效应的光纤电流传感系统中，为使系统输出信号对被测电流有最大的灵敏度，如图1所示，所用的检偏器光轴与光纤出射光的偏振方向应成45°夹角。传统的电流传感器使用半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)作为系统的光源，由于LD的输出为偏振光，而LED的输出光功率很弱，也有一定的偏振度，因此采用LD或LED光源通过光纤将光传输至起偏器时，系统输出光功率易随时间和环境因素的干扰而变化，造成传感系统输出信号发生较大的波动。

发明内容

本发明提供基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，其克服了背景技术基于法拉第效应的光电式电流传感器所存在的灵敏度低、传感系统输出信号波动的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量系统，它包括一光源、一第一传输光纤、一光纤传感头、一第二传输光纤以及一光电转换与信号处理单元。该光纤传感头包括一偏振分束器、一法拉第旋转器以及一带全反射镜的退火光纤环，该光源通过第一传输光纤将光传输至光纤传感头，其中，该退火光纤环在高温下退火，以消除光纤中的双折射，以提高传感头在环境温度变化下的稳定性。该光电转换与信号处理单元通过第二传输光纤连接传感头。

本发明的一较佳实施例中，该偏振分束器和法拉第旋转器直接一体化组合安装成组合器。

本发明的一较佳实施例中，该光源为半导体激光器泵浦掺铒光纤制作的放大自发辐射光源。

本发明的一较佳实施例中，该光电转换与信号处理单元包括一光电转换单元以及一数据采集与处理单元，该传感头输出的光通过第二传输光纤传输至光电转换单元，该光电转换单元将光信号转换为电信号，该数据采集与处理单元接收电信号并处理电信号以得电流值。

本发明的一较佳实施例中，该带全反射镜的退火光纤环包括一退火光纤环、一全反射镜以及一电流导线。该退火光纤环包括一引入段以及一绕成环状的由外及内的环段，而且，该退火光纤环的起始端连接组合器。该全反射镜设于退火光纤环的末端。该电流导线从光纤环的中心穿过。

本发明的一较佳实施例中，该退火光纤环制造过程包括：

首先，采用普通光纤制作好光纤环；

然后，在高温下退火。

本发明的一较佳实施例中，还包括一光纤光栅温度传感器，它设于传感头内，用于检测传感头的温度变化并根据温度变化对信号进行补偿。