[發明專利]一種單偏振型環形全光纖電流傳感器及其檢測方法

有效

• 申請號: 201710407295.8
• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107247170B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 張昊;劉雙;張禹;陳書明;王堯
• 申請（專利權）人: 福建江夏學院
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

本發明涉及一種單偏振型環形全光纖電流傳感器及其檢測方法，包括光源、第一單偏振耦合器、第二單偏振耦合器、第一傳感光纖環、第二傳感光纖環以及光電探測器；第一單偏振耦合器雙端口側的其中一個端口經光纖與所述光源連接，第一單偏振耦合器單端口側與第二單偏振耦合器的單端口側相連，第二單偏振耦合器的雙端口側的其中一個端口依次經第一傳感光纖環、第二傳感光纖環連接至第一單偏振耦合器雙端口側的另一個端口，第二單偏振耦合器的雙端口側的另一個端口經光纖與光電探測器相連；第一傳感光纖環與第二傳感光纖環均環繞在同一通電導體上且繞制結構鏡像對稱。本發明結構簡單，使用器件少，抗外界干擾能力強，對光源和連接器件的穩定性要求低。

技術領域

本發明涉及光纖電流傳感器設計領域，特別是一種單偏振型環形全光纖電流傳感器及其檢測方法。

背景技術

隨著電網裝機容量的增長，電網過流可能帶來的危害越來越大，電流傳感器的重要性也越來越明顯。傳統的磁電式傳感器由于存在磁飽和，體積大，重量高，電氣絕緣性不好，安全性低等缺點，已經逐漸無法適應智能電網發展的需求，急需尋找一種新型的電流傳感器作為替代。

光纖電流傳感器屬于光學電流傳感器的一種，具有結構相對簡單，重量輕，電磁絕緣性好，安全性高等優點，其發展可追溯到20世紀70年代。不同于其他的光學電流傳感器主要采用塊狀玻璃為敏感元件，光纖電流傳感器是采用光纖作為敏感元件，纏繞于被測導線周圍，基本結構如說明書附圖1所示。其基本原理是法拉第旋光效應，即：利用偏振光通過介質時，如果受到磁場作用，偏振面會發生一定的旋轉，旋轉角度正比于磁場大小。而磁場大小又正比于通過被測導線的電流，如下式：

Ω＝VNI；

其中，V是光纖材料費爾德常數，N是光纖的匝數，I是電流大小，Ω是偏振光旋轉角。

考慮到基礎結構的光纖電流傳感器易受到光源強度波動影響，常見的改進方法是在檢測端采用雙光路結構，如說明書附圖2所示。輸出端連接偏振分束器，將偏振光分到2個相互垂直方向并由2個光電探測器接收，結果將表示為：

光纖電流傳感器結構簡單，光利用率高，安裝簡便。但是也存在一些問題阻礙其發展應用。光纖電流傳感器的信噪比低正是其中一個極其關鍵的問題。造成這一結果的原因主要是光纖的費爾德常數很低，對電流變化不夠敏感。此外，光纖電流傳感器穩定性差，容易受到外界干擾，此外光源和連接器件的不穩定也會影響輸出信號，有用信號容易被噪聲淹沒。

對于該問題，常見的幾種解決方案有：1.增加作為敏感元件的光纖長度。利用較長光纖增加法拉第效應，從而得到較大的旋光角；2.采用摻雜的特種光纖作為敏感元件，通常采用摻鋱或摻銪提高光纖的費爾德常數，從而實現較大法拉第旋光；3.采用循環光路增加法拉第效應，利用循環光路讓光信號多次通過作為敏感元件的光纖，逐漸放大法拉第旋光。

以上方法盡管可以在一定程度上解決電流靈敏度，但也都存在一定問題：增加光纖長度將增加傳感頭的體積，還增大外界干擾的影響；采用摻雜的特種光纖不僅制作困難，成本高，在溫度穩定性上還存在問題；采用循環光路需要使用包括耦合器在內的多個連接器件，結構復雜并且連接器件也容易受到外界影響。

本發明在循環光路結構的基礎上，設計解決光纖電流傳感器的電流靈敏度和穩定性問題，利用盡可能少的器件，減少系統受外界干擾的可能性，并減低系統成本。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提出一種單偏振型環形全光纖電流傳感器及其檢測方法，結構簡單，使用器件少，非偏振檢測，抗外界干擾能力強，對光源和連接器件的穩定性要求低。