[发明专利]反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的光纤电流传感器，具体的说，是一种基于马赫-曾德尔相位调节系统的反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器。

背景技术

电流传感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，随着电力工业的发展，电压运行等级越来越高，传统的电磁式电流互感器在绝缘上遇到了极大的困难。利用光纤制成的电流互感器在绝缘上具有天然的优势，还具有抗电磁干扰、测量频带宽、可实现数字化输出等优点，是未来电流传感器发展的趋势。

光纤电流传感的基本原理是法拉第磁光效应，即当施加外加磁场时，传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比，因此可通过测量偏振光在磁场中的角度变化来得到被测电流的大小（见专利US 6037770，CN 2403033等）。但是由于该角度很小，电流测量的灵敏度和精度都不高。1996年，J. N. Blake首先提出了萨格奈克干涉型光纤电流传感器的方案（US 5644397），将偏振角度变化的检测转变为两干涉光路相位差变化的检测，提高了光纤电流传感器测量的灵敏度和稳定性。

萨格奈克干涉光路的工作点处于最不灵敏的                                               点上，需要附加一个的相位偏置，目前常用的做法有无源偏置和有源调制两种。无源偏置是利用无源光器件对两干涉光路施加一个固定的相位差（见专利CN 101320055和WO 2007033057等）；有源调制是利用电光相位调制器，保偏光纤延迟线和调制信号发生器组成的相位调制系统对两束干涉光在相同的时间施加不同的相位调制（见专利US 6188811B1，US 6636321等）。由于光速极快，这种调制方式需要很长的光纤延迟线和很高的调制频率，技术难度大，成本较高。另外保偏光纤延迟线在光纤陀螺中作为传感光纤的一部分，可提高陀螺的灵敏度，但在光纤电流传感器中，保偏延迟线并不具备传感的作用。

本发明针对已有技术存在的不足，提出一种新的反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器方案，利用集成于铌酸锂基片上的两偏振分束器构成马赫-曾德尔相位调节系统，可对萨格奈克干涉型光纤电流传感器施加无源偏置或有源调制。由于调制并不施加在两干涉光的公共光路上，因此有源调制系统不需要很长的光纤延迟线，调制频率也可大大降低，从而降低了传感器的技术难度和成本。

发明内容

本发明针对已有技术的缺陷，提供了一种反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器方案，通过采用由两偏振分束器构成的马赫-曾德尔相位调节系统，可对萨格奈克干涉型光纤电流传感器施加无源偏置或有源调制。此方案可降低光纤电流互感器有源调制的技术难度和成本，同时实现了光纤电流传感器无源偏置和有源调制两种方案光路结构的统一。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明主要由宽带光源、光纤起偏器、光纤检偏器、铌酸锂多功能器件、光纤环形器、保偏传输光缆、四分之一波片、传感光纤、光电探测器和信号处理单元组成。宽带光源发出的光经过光纤起偏器后变成线偏振光，通过一个45°焊接点，将入射光分成两路正交的偏振光。两路正交的偏振光通过铌酸锂多功能集成器件（铌酸锂多功能集成器件的结构参见图3）的第一个偏振分束器后，分别到达马赫-曾德尔干涉仪的两臂，经过各自的相位延迟后，经第二个偏振分束器合波后进入光纤环形器（光纤环形器的结构参见图4）的端口1，并由光纤环形器的端口3输出。两干涉光在保偏传输光缆的两个主轴上传输至光纤电流传感头，在光纤电流传感头中经过各自的法拉第相位调制后，由反射镜反射回保偏传输光缆，并经光纤环形器端口3传输到光纤环形器端口2。由于此时两干涉光的偏振主轴已经发生了互换，因此当它们从偏振分束器的另一端口输入时，两干涉光将分别到达和入射时相同的马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂。通过铌酸锂多功能集成器件的第一个偏振分束器合束和一个45°焊接点后，在检偏器上发生干涉，干涉光强由光电探测器及信号处理单元处理后输出。两干涉光总的相位差为，其中为通过马赫-曾德尔干涉仪上臂的干涉光的相位延迟量，为通过马赫-曾德尔干涉仪下臂的干涉光的相位延迟量，法拉第旋转角。

根据以上构思，本发明的技术方案如下：