一種光纖磁光探頭裝置及其應用系統的製作方法

2023-11-10 22:26:02

專利名稱：一種光纖磁光探頭裝置及其應用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學，尤其涉及一種光纖磁光探頭裝置及其應用系統。
背景技術：
在高壓高功率直流或交流電力傳輸系統中，在零電位安全地方監控和測量高壓線上的電流和位相十分必要。相對於傳統的電流互感器，光纖光學傳感器應用於電流和磁場的檢測具有絕緣方便，安全性高、尺寸小、抗幹擾能力強、以及低成本等特性。
幾百年前麥可·法拉第發現當線偏光通過放置在磁場中的活石玻璃後偏振面發生偏轉，這一特性叫法拉第效應，現已廣泛應用於感應磁場。偏振面的旋轉量正比與磁場如下式所示φ＝VH其中，Φ是旋轉量，H是磁場強度，V是費爾德常數。
在安培定律中，給出了磁場和導體中電流的關係如下 這樣，法拉第效應也常用來感應導體中的電流。
通常，不同的玻璃有不同的費爾德常數，但一般都很小，在10-4deg/cm-Oe的量級。人們常用光纖繞導體無數圈的方法來增加光通過磁光介質和磁場的距離，從而提高感應的靈敏度，並且，受光纖通信產業的影響，大量的研發促成了超大費爾德常數的鐵磁材料的產生和面市，使得小尺寸的法拉第旋光器成為可能。
在過去十幾年中，較普遍地採用如下兩種光線光學的技術方案來測量電流。
一種是採用光纖本身的法拉第效應，即上述的光纖繞導體的方法。這種方法需要很長的且(許多)無數圈的光纖纏繞導體，不但造成了光探頭尺寸的增大而且也增強了光陀螺效應，光纖的光陀螺效應會同時感應角動量，為了去除振動對電流測量的影響，就需要十分複雜的光纖光路系統。同時，由於光纖必須繞著導體，安裝時必須應用特別的連接件，也需要中斷輸電。該技術方案的缺點還包括偏振態的起偏和檢偏困難、需要低折射率的特殊材料製作光纖，以及光纖的熱應力導致的偏振態幹擾很難消除，在美國專利US6703821B2、US6301400B1、US6563589B1、US6356351B1及US6636321B2等都採用這種方法。
另一種技術方案是採用小尺寸法拉第旋光器內植光纖光路，這種技術方案採用小尺寸磁光材料如各種類型的石榴石晶體結合其它光學元件如光準直器，透鏡等光學元件構成的自由空間的光探頭，在美國專利編號US6,756,781發表了典型的此一途徑的設計方案，但在這個技術方案中，必需運用偏振保持光纖和固定偏振態的光源，任何中間環節的偏振態飄動將影響測量精度和穩定性。
對於上述兩種技術方案，只要採用法拉第效應去感應磁場或電流，都需要特殊的設計來監測偏振態的偏轉或兩正交偏振光相對位相變化，一般應用塞納幹涉方法把偏振面旋轉量或偏振位相變化轉換成光強度變化。
簡單的偏振檢測或塞納幹涉給出如下的關係Isin2=12(1-cos2)]]>在上式中，I是光強或光電管檢測到的光信號，Φ是法拉第旋轉量。由該式可以看出，當法拉旋轉量很小時，此探測系統很不敏感，即，會產生所謂的近零失敏的缺點。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新的光纖磁光探頭裝置及其應用系統，以克服現有技術中近零失敏的缺點。
本發明所採用的光纖磁光探頭裝置包括採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，採用光偏振處理，對所述的光正交偏振分量進行分波、磁光感應、合波處理，其特徵在於所述的法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉以避免近零失敏，而磁光感應，偏振檢測對兩正交偏振分量同時、等量進行。
所述的波片的晶體光軸與所述法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°。
所述裝置依次包括輸入光纖、輸入光準直器、第一偏振分光器、法拉第磁光旋轉器、1/2波片、第二偏振分光器、輸出光準直器和輸出光纖，其中，所述的輸入光纖把光引入輸入光準直器；所述的輸入光準直器將光準直後輸至第一偏振分光器；所述的第一偏振分光器將光分成兩束光，所述兩束光為偏振態相互正交的偏振光；所述的兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器輸出旋轉後的兩束輸出光至1/2波片；所述的1/2波片將兩束輸出光的偏振面同時旋轉，傳輸至第二偏振分光器；所述的第二偏振分光器選取光的分量合束，依次通過輸出光準直器和輸出光纖導出合束的光。
所述的第一偏振分光器和第二偏振分光器為平板型偏振分光器或楔板型偏振分光器。
所述裝置包括輸入光纖、輸出光纖、光纖光準直器、偏振分光器、法拉第磁光旋轉器、1/4波片和反射鏡，所述的輸入光纖和輸出光纖均與光纖光準直器導通，其中，所述的輸入光纖把光引入光纖光準直器；所述的光纖光準直器將光準直後輸至偏振分光器；所述的偏振分光器將光分成兩束光，所述兩束光為偏振態相互正交的偏振光；所述的兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器輸出旋轉後的兩束輸出光至1/4波片；所述的兩束輸出光通過1/4波片經反射鏡反射回1/4波片，該1/4波片將所述兩束輸出光的偏振面同時旋轉，傳輸至偏振分光器；所述的偏振分光器選取光的分量合束，依次通過光纖光準直器和輸出光纖導出合束的光。
所述輸入光纖和輸出光纖與光纖光準直器之間連接光纖環路器，所述的光纖環路器通過光纖與光纖光準直器直接導通。
這種光纖磁光探頭裝置應用系統，包括電光組件和磁光探頭裝置，所述的電光組件與所述磁光探頭裝置通過光纖光環路連通，所述的電光組件向磁光探頭裝置發出光源，並對該磁光探頭裝置所導出的光進行採集、檢測，所述的磁光探頭裝置安置於輸電線路上，其特徵在於該磁光探頭裝置採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉，通過偏振分光器向所述電光組件導出合束的光。
所述電光組件至少包括光源、光探測器、模擬電路模塊，其中，所述光源發出的光通過光纖傳至磁光探頭裝置，所述光的強度在磁光探頭裝置中根據導體中電流的大小被調製，通過光纖傳到光探測器中；所述的光探測器採集光信號，將檢測到的電流信號發送至模擬電路模塊；所述的模擬電路模塊對接收到的信號進行分析處理，輸出測量到的二次電流，用於對輸電線路的測量和控制。
所述的電光組件還包括數位訊號處理模塊，所述的數位訊號處理模塊對模擬電路模塊接收到的信號進行數位化處理，由標準數字出口輸出或顯示到面板表中。
所述系統還包括兩個光纖環路器32a、32b和光耦合器，所述電光組件包括兩個光探測器42a、42b，其中，所述的光源發出的光經過光耦合器分成等值的兩部分後分別傳輸至兩個光纖環路器32a、32b；所述的兩個光纖環路器32a、32b通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光纖環路器32a、32b的輸出端分別連通至光探測器42a、42b；所述的兩個光纖環路器32a、32b的兩路光從相反的方向通過磁光探頭裝置，所述的電光組件根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流I42a、I42b，以下式進行比較分析處理Ic=I42a-I42bI42a+I42b]]>所述系統還包括兩個光纖多波長分合器33a、33b，所述電光組件設有兩個光源41a、41b、以及兩個光探測器42a、42b；所述的兩個光纖多波長分合器33a、33b通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光源41a、41b分別發出不同波長的光，經光纖多波長分合器33a合波後輸送至磁光探頭裝置，所述的磁光探頭裝置將光信號傳輸至光纖多波長分合器33b；所述的光纖多波長分合器33b將分波處理後的光信號分別傳輸至相應的兩個光探測器42a、42b；所述的電光組件根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行分析。
所述系統還包括兩個光學濾波器34a、34b，所述電光組件設有兩個光源41a、41b、以及兩個光探測器42a、42b；所述的兩個光學濾波器34a、34b通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光源41a、41b分別通過所述的兩個光學濾波器34a、34b向磁光探頭裝置以相反的方向分別發送不同波長的光；所述的磁光探頭裝置將輸出的兩路光信號分別通過兩個光學濾波器34a、34b的透射或反射向兩個光探測器42a、42b分別傳送光信號；所述的電光組件根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行比較分析。
本發明的有益效果為在本發明的光纖磁光探頭裝置中，採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，採用光偏振處理對所述的光進行分波，經法拉第磁光旋轉器旋光處理後，再採用光偏振處理進行合波，法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉，例如，當所使用波片的光軸與法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°時，採用偏振分光器選取光的分量合束時所輸出光能量符合下式I＝I0sin2(45°+φ)其中，I代表輸出光強，I0代表輸入光強，Φ是法拉第磁光旋轉量，由於在法拉第磁光旋轉器後設置了波片，相當於在(第二)偏振分光器選取光的分量合束輸出光能量時，預設了一個偏振旋轉角度，這樣，即使法拉第磁光旋轉量為0，輸出光能量也不會為0，這就克服了現有技術中近零失敏的缺點，使本發明具有高靈敏度，高線性及寬量程的優點。
本發明採用了光探頭內部偏振處理方案，對正交的兩偏振分量同時進行了等量的磁光感應，偏振面旋轉及檢測，所以，光源偏振態及傳輸光纖引起的偏振漂移對測量結果沒有影響。
本發明採用小尺寸的法拉第磁光旋轉器，所構成的光纖磁光探頭裝置體積小，而且不受光陀螺效應的影響，安裝也較為簡便。
在本發明的應用中，通過電光組件對磁光探頭裝置所導出的光進行採集、檢測、分析，特別是對兩個電流進行比較分析處理，並且引入法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應參數，使得本發明對光源、光纖及環境造成的偏振態隨機擾動不敏感，且不需要外部的偏振保持及處理，以及外部的偏振態檢測，只需採集檢測從光纖磁光探頭裝置所輸出的已帶有光強調製的光信號即可。
本發明提供高絕緣性能的光學電流測量技術，為測量高壓傳輸線上的電流及相位提供了安全可靠的方法。


圖1為本發明中光纖磁光探頭裝置實施例1結構示意圖；圖2為本發明中光纖磁光探頭裝置實施例2結構示意圖；圖3為本發明中光纖磁光探頭裝置實施例3結構示意圖；圖4為本發明中光纖磁光探頭裝置實施例4結構示意圖；圖5為本發明中光纖磁光探頭裝置實施例5結構示意圖；圖6為本發明中光纖磁光探頭裝置安裝示意圖；圖7為本發明中光纖磁光探頭裝置安裝示意圖；圖8為本發明中光纖磁光探頭裝置應用系統實施例6結構示意圖；圖9為本發明中光纖磁光探頭裝置應用系統實施例7結構示意圖；圖10為本發明中光纖磁光探頭裝置應用系統實施例8結構示意圖；圖11為本發明中光纖磁光探頭裝置應用系統實施例9結構示意圖。
具體實施例方式
下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明實施例1根據圖1，本實施例的光纖磁光探頭裝置依次包括輸入光纖6、輸入光準直器5a、第一偏振分光器3a、法拉第磁光旋轉器1、1/2波片2、第二偏振分光器3b、輸出光準直器5b和輸出光纖7，如圖1所示，本實施例中的第一偏振分光器3a和第二偏振分光器3b採用平板型單軸的雙折射晶體偏振分光器，可由YVO4晶體製成，它能把兩個相互正交的偏振光在空間上分開一定的距離，光束經過第一偏振分光器3a後被分成兩束平行光，它們的偏振態相互正交，第二偏振分光器3b和第一偏振分光器3a完全相同，所以它能把兩束光中與原來偏振態正交的分量合成一束，而一致分量分得更開。在本發明中，輸入光纖6和輸出光纖7可以是多模也可以是單模。
如圖1所示，輸入光纖6把光引入輸入光準直器5a。
如圖1所示，輸入光準直器5a將光準直後輸至第一偏振分光器3a，提供足夠的工作距離給第一偏振分光器3a和第二偏振分光器3b去處理偏振態，並使光束具有足夠的直徑去覆蓋法拉第磁光旋轉器1的有效面積。
如圖1所示，第一偏振分光器3a將光分成兩束平行光，所述兩束平行光為偏振態相互正交的偏振光。
如圖1所示，兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器1，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器1輸出旋轉後的兩束輸出光至1/2波片2。
如圖1所示，1/2波片2將兩束輸出光的偏振面同時旋轉，傳輸至第二偏振分光器3b，該1/2波片2的晶體光軸與法拉第磁光旋轉器1兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°，因此，1/2波片2能把經過法拉第磁光旋轉器1後的兩束光的偏振面同時旋轉45°。
如圖1所示，第二偏振分光器3b選取光的分量合束，依次通過輸出光準直器5b和輸出光纖7導出合束的光。
本發明中這樣的偏振處理方式保證了探頭裝置對輸入光的偏振態不敏感。
如圖1所示，當第二偏振分光器3b選取分量合束時輸出光能量符合下式I＝I0sin2(45°+φ)上式中，I代表輸出光強，I0代表輸入光強，Φ是法拉第磁光旋轉量，與磁場強度成比例，上式也可改寫成I=12I0(1+sin2)]]>顯然，這樣的關係式表明，本發明的光纖磁光探頭裝置克服了近零失敏的缺點，並使探頭裝置具有高靈敏，高線性及寬量程的特點。
在本實施例中，輸入光纖6和輸出光纖7實際上是完全等效的，即，輸入光纖6可以作為輸出端使用，輸出光纖7也可以作為輸出端使用，這種具體的使用可以是單向的，也可以是雙向的。
實施例2如圖2所示，本實施例與實施例1的區別在於在本實施例中，採用楔板型偏振分光器的第一偏振分光器3d和第二偏振分光器3e。
在本實施例中，第一偏振分光器3d和第二偏振分光器3e也由單軸晶體製成，能把兩個相互正交的偏振光分開一定的角度。當光通過第一偏振分光器3d後，它被分成偏振面相互正交兩束，兩束光的傳播方向成一個小的角度。當它們到達第二偏振分光器3e後，每束光中偏振面相對於第一偏振分光器3d產生的原始偏振面轉90°的分量傳播方向將變一致，儘管兩束之間還有一微小的空間分離，它們還是可以被輸出光準直器5b和輸出光纖7等量接收，而其它分量將被隔離在輸出光纖7以外，至於其它部分結構、功能、以及應用機理與實施例1所述相同或相似，此處不再贅述，而且，本實施例中的輸入光纖6和輸出光纖7也是完全等效的。
實施例3根據圖3，本實施例的光纖磁光探頭裝置包括輸入光纖6、輸出光纖7、光纖光準直器5c、楔板型的偏振分光器3f、法拉第磁光旋轉器1、1/4波片2b和反射鏡4，輸入光纖6和輸出光纖7均與光纖光準直器5c導通，在本實施例中，1/4波片2b的晶體光軸與法拉第磁光旋轉器1兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°。
如圖3所示，輸入光纖6把光引入光纖光準直器5c。
如圖3所示，光纖光準直器5c將光準直後輸至偏振分光器3f。
如圖3所示，偏振分光器3f將光分成兩束光，所述兩束光為偏振態相互正交的偏振光。
如圖3所示，兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器1，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器1輸出旋轉後的兩束輸出光至1/4波片2b。
如圖3所示，兩束輸出光通過1/4波片2b經反射鏡4反射回1/4波片2b，該1/4波片2b將所述兩束輸出光的偏振面同時旋轉45°，傳輸至偏振分光器3f。
如圖3所示，偏振分光器3f選取光的分量合束，依次通過光纖光準直器5c和輸出光纖7導出合束的光。
在本實施例中，由於兩光束通過法拉第磁光旋轉器1兩次，它們的磁光旋轉量也增大到原來的兩倍。當兩光束第二次通過偏振分光器3f後，它們中偏振面與原來正交的分量被重新合成一束，進而通過光纖光準直器5c耦合光纖7中輸出。這裡由於楔板型偏振分光器3f額外使所有光彎轉一個角度，為了讓合束的光束能耦合進入輸出光纖7，光纖光準直器5c相對於其它元件需要被調整到一個合適的角度，通過這種安排，從輸出光纖7輸出的光強與法拉第旋轉量所成比例(換言之，與測量點的磁場或電流所成比例)如下所示I=12I0(1+sin4)]]>同樣，這樣的關係式表明，本發明的光纖磁光探頭裝置克服了近零失敏的缺點，並使探頭裝置具有高靈敏，高線性及寬量程的特點，而且，本實施例中的輸入光纖6和輸出光纖7也是完全等效的。
實施例4根據圖4，本實施例與實施例3的主要區別在於在本實施例中，輸入光纖6和輸出光纖7與光纖光準直器5c之間連接光纖環路器9，光纖環路器9通過光纖8與光纖光準直器5c直接導通，在本實施例中，實施例3中的楔板型偏振分光器3f替換為平板型偏振分光器3。同樣，1/4波片2b的晶體光軸與法拉第磁光旋轉器1兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°。
在本實施例中，由於兩光束通過法拉第磁光旋轉器1兩次，它們的磁光旋轉量也增大到原來的兩倍。當兩光束第二次通過偏振分光器3後，它們中偏振面與原來一致的偏振分量被重新合成一束，再次通過光纖光準直器5c而耦合回光纖8，從光纖8傳回光纖環路器9的輸出光將被環轉到輸出光纖7。
輸出光纖7輸出的光強與法拉第旋轉量所成比例與實施例3所述相同，然而，在本實施例中，由於光環路器9的應用，本實施例中的輸入光纖6和輸出光纖7不等效，不能相互替代。
實施例5根據圖5，本實施例與實施例4的區別在於在本實施例中，採用一直角稜鏡型的晶體偏振分光器3c替代平板型偏振分光器3，此偏振分光器3c可由單軸晶體製成，通常晶軸與稜鏡的斜邊平行，這樣，偏振分光器3c不單起到偏振態處理、旋光檢測作用，而且還用於彎轉光路，使構成光纖磁光探頭裝置的材料較少地影響磁迴路。
至於其它部分結構、功能、以及應用機理與實施例4所述相同或相似，此處不再贅述。
這樣，如上述實施例1至實施例5，通過法拉第磁光旋轉器1後設置波片，該波片用於對法拉第磁光旋轉器1兩束輸出光的偏振面進行旋轉，使得本發明的光纖磁光探頭裝置克服了現有技術中近零失敏的缺點，使本發明具有高靈敏度，高線性及寬量程的優點。
根據圖6和圖7，本發明這種光纖磁光探頭裝置的安裝中，如圖6所示，光纖磁光探頭裝置100a可根據上面所介紹的實施例1、2或4具體實施構建，如圖7所示，光纖磁光探頭裝置100b可根據上面所介紹的實施例3或5具體實施構建，無論應用何種方式，安裝時都必須儘可能使磁場垂直地穿過法拉第磁光旋轉器1的勻質部分，並讓光束儘可能平行於磁力線H。
實施例6根據圖8，本發明的光纖磁光探頭裝置應用系統包括電光組件400和磁光探頭裝置100，電光組件400與磁光探頭裝置100通過光纖200光環路連通，電光組件400向磁光探頭裝置100發出光源，並對該磁光探頭裝置100所導出的光進行採集、檢測、分析，磁光探頭裝置100安置於輸電線路上，該磁光探頭裝置100採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉，通過偏振分光器向電光組件400導出合束的光，本實施例中的磁光探頭裝置100可採用實施例1至實施例5的一種，在這種應用中，磁光探頭裝置100必須按圖6或圖7所示意的方式通過機械構件或其它構件安裝到負載電流的高壓導線上。
如圖8所示，電光組件400包括光源41、光探測器42、模擬電路模塊43和數位訊號處理模塊44。
具體地說，如圖8所示，光源41發出的光通過光纖傳至磁光探頭裝置100，光的強度在磁光探頭裝置100中根據導體中電流的大小被調製，通過光纖傳到光探測器42中，光探測器42採集光信號，將檢測到的電流信號發送至模擬電路模塊43，模擬電路模塊43對接收到的信號進行分析處理，輸出測量到的二次電流，用於對輸電線路的測量和控制，數位訊號處理模塊44對模擬電路模塊43接收到的信號進行數位化處理，由標準數字出口輸出或顯示到面板表中。
在本發明的應用系統中，除了磁光探頭裝置100需要安裝於高壓端，其它部件都安置在零電勢的安全地帶，它們中間只由電絕緣的光纖連接，這樣相比於傳統的電磁感應測量方法，具有很高的安全性能。而對於超高壓，絕緣性超高要求的情況，在光纖表面塗敷反爬電絕緣層等方法也顯得十分安全經濟。
利用本發明測量交流電流的過程中，相對調製深度與法拉第旋轉或電流的強度成比例，卻與光的絕對強度無關，所以通過電路處理用調製深度來度量電流時，測量結果不受環境造成的光強漂動影響。
實施例7根據圖9，本實施例與實施例6的區別在於在本實施例中，所述系統還包括兩個光纖環路器32a、32b和光耦合器31，電光組件400包括兩個光探測器42a、42b。
如圖9所示，光源41發出的光經過光耦合器31分成等值的兩部分後分別傳輸至兩個光纖環路器32a、32b，兩個光纖環路器32a、32b通過光纖200與磁光探頭裝置100相導通。
如圖9所示，兩個光纖環路器32a、32b的輸出端分別連通至光探測器42a、42b。
如圖9所示，兩個光纖環路器32a、32b的兩路光從相反的方向通過磁光探頭裝置100，電光組件400根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流I42a、I42b，以下式進行比較分析處理Ic=I42a-I42bI42a+I42b]]>在本實施例中，由於兩個光纖環路器32a、32b的兩路光同時從相反的方向傳輸光，磁光探頭裝置100可以採用上述實施例1至實施例3的一種。
以採用前述實施例1或實施例2，對電光組件400的比較分析處理進行考察，由前述實施例1所述可知(I42a和I42b之間數值大小的定性根據系統中各器件的特性是可預知的)I42a=12I0(1+sin2);]]>則I42b=12I0(1-sin2)]]>這樣，在模擬電路模塊43中做如下的信號處理Ic=I42a-I42bI42a+I42b=sin2]]>由該式中Ic的最終信號可看出，它與光強度無關，所以這種比較分析處理揭示了，本發明不管用於直流或交流測量時，都對環境所造成的光強漂動不敏感。
實施例8根據圖10，本實施例與實施例6的區別在於在本實施例中，所述系統還包括兩個光纖多波長分合器33a、33b，所述電光組件400設有兩個光源41a、41b、以及兩個光探測器42a、42b。
如圖10所示，兩個光纖多波長分合器33a、33b通過光纖200與磁光探頭裝置100相導通。
如圖10所示，兩個光源41a、41b分別發出不同波長的光，經光纖多波長分合器33a合波後輸送至磁光探頭裝置100，磁光探頭裝置100將光信號傳輸至光纖多波長分合器33b，光纖多波長分合器33b將分波處理後的光信號分別傳輸至相應的兩個光探測器42a、42b。
如圖10所示，電光組件400根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流信號I42a、I42b，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行分析。
在本實施例中，磁光探頭裝置100可以採用上述實施例1至實施例5的一種。
兩個光源41a、41b分別發出不同波長的光，例如，發出兩種不同波長的光，波長分別為λ1、λ2，其實，也可以是同一光源同時發多波長的光。
電光組件400根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長(光探測器42a、42b分別對應λ1、λ2的光波長)所具有的相應溫度響應曲線，設光探測器42a和42b所探測到的信號都是溫度和磁場的函數，則如下所示I42a=I0(1+sin(f1+f1TT)H)]]>I42b=I0(1+sin(f2+f2TT)H)]]>上兩式中I42a和I42a分別代表光電探測器42a和42b測到的信號，I0是常量，只與初始光強有關。fλ1和fλ2代表兩波長相對應的費爾德常數，而 是它們的溫度相關係數，電光組件400對溫度T的計算可如下所示T=bf1-af2af2T-bf1T]]>其中，a=arcsin(I42aI0-1)]]>b=arcsin(I42bI0-1)]]>由上面分析結果可知，其中的費爾德常數和它們的溫度相關係數可事先測得，這樣溫度得到了監控而矯正的磁場強度就可由上述I42a或I42a求得，進而準確地測量電流量。
在本實旋例中，只反映了對於兩種不同波長光的處理，其實，可以是對三種或以上不同波長光的處理，根據以上所述的啟發，這對於本領域技術人員來說，可以不需要付出創造性勞動即可實施，此處不再贅述。
實施例9根據圖11，本實施例與實施例6的區別在於在本實施例中，所述系統還包括兩個光學濾波器34a、34b，電光組件400設有兩個光源41a、41b、以及兩個光探測器42a、42b。
如圖11所示，兩個光學濾波器34a、34b通過光纖200與磁光探頭裝置100相導通，兩個光源41a、41b分別通過所述的兩個光學濾波器34a、34b向磁光探頭裝置100以相反的方向分別發送不同波長的光，磁光探頭裝置100將輸出的兩路光信號分別通過兩個光學濾波器34a、34b的透射或反射向兩個光探測器42a、42b分別傳送光信號。
如圖11所示，電光組件400根據兩個光探測器42a、42b所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行比較分析。
在本實施例中，磁光探頭裝置100可以採用上述實施例1至實施例3的一種。
在本實施例中，光學濾波器34a和34b完全一樣，例如，它們能全透一種波長λ1的光而全反另一波長λ2的光。這樣，從光源41a發出的波長為λ1的光經過磁光探頭裝置100感應到磁信號後被導入光電探測器41a中檢測，而從光源41b發出的波長為λ2的光反向經過磁光探頭裝置100並感應到磁信號後被導入光電探測器41b中檢測，與實施例10所述相似，電流信號I42a、I42b可由下兩式表示I42a=I0(1+sin(f1+f1TT)H)]]>I42b=I0(1-sin(f2+f2TT)H)]]>溫度監控可由與實施例10所述相似的方法達到，如下所示T=-bf1-af2af2T+bf1T]]>同樣，a=arcsin(I42aI0-1)]]>b=arcsin(I42bI0-1)]]>最終的測試結果可根據如下比較分析處理取得Ic=I42a-I42bI42a+I42b=sin((f1+f1TT)H)+sin((f2+f2TT)H),2+sin((f1+f1TT)H)-sin((f2+f2TT)H)]]>綜上所述，儘管本發明的基本結構、原理通過上述的各種具體實施例予以闡述，但這並不意味著對本發明的限定，在不脫離本發明要旨的前提下，根據以上所述的啟發，本領域普通技術人員可以不需要付出創造性勞動即可實施多種不同變換形式或不同的器件替代及組合，此處不再贅述。
權利要求
1.一種光纖磁光探頭裝置，包括採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，採用光偏振處理對所述的光進行分光、磁光感應、合波處理，其特徵在於所述的法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉。
2.根據權利要求1所述的光纖磁光探頭裝置，其特徵在於所述的波片的晶體光軸與所述法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的正交偏振面成22.5°或67.5°。
3.根據權利要求1或2所述的光纖磁光探頭裝置，其特徵在於所述裝置依次包括輸入光纖、輸入光準直器、第一偏振分光器、法拉第磁光旋轉器、1/2波片、第二偏振分光器、輸出光準直器和輸出光纖，其中，所述的輸入光纖把光引入輸入光準直器；所述的輸入光準直器將光準直後輸至第一偏振分光器；所述的第一偏振分光器將光分成兩束光，所述兩束光為偏振態相互正交的偏振光；所述的兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器輸出旋轉後的兩束輸出光至1/2波片；所述的1/2波片將兩束輸出光的偏振面同時旋轉，傳輸至第二偏振分光器；所述的第二偏振分光器選取光的分量合束，依次通過輸出光準直器和輸出光纖導出合束的光。
4.根據權利要求3所述的光纖磁光探頭裝置，其特徵在於所述的第一偏振分光器和第二偏振分光器為平板型偏振分光器或楔板型偏振分光器。
5.根據權利要求1或2所述的光纖磁光探頭裝置，其特徵在於所述裝置包括輸入光纖、輸出光纖、光纖光準直器、偏振分光器、法拉第磁光旋轉器、1/4波片和反射鏡，所述的輸入光纖和輸出光纖均與光纖光準直器導通，其中，所述的輸入光纖把光引入光纖光準直器；所述的光纖光準直器將光準直後輸至偏振分光器；所述的偏振分光器將光分成兩束光，所述兩束光為偏振態相互正交的偏振光；所述的兩正交的偏振光經過法拉第磁光旋轉器，兩個偏振光的偏振面被同時旋轉一個相同的角度，所述旋轉角的大小與所在點的磁場強度成比例，該法拉第磁光旋轉器輸出旋轉後的兩束輸出光至1/4波片；所述的兩束輸出光通過1/4波片經反射鏡反射回1/4波片，該1/4波片將所述兩束輸出光的偏振面同時旋轉，傳輸至偏振分光器；所述的偏振分光器選取光的分量合束，依次通過光纖光準直器和輸出光纖導出合束的光。
6.根據權利要求5所述的光纖磁光探頭裝置，其特徵在於所述輸入光纖和輸出光纖與光纖光準直器之間連接光纖環路器，所述的光纖環路器通過光纖與光纖光準直器直接導通。
7.一種光纖磁光探頭裝置應用系統，包括電光組件和磁光探頭裝置，所述的電光組件與所述磁光探頭裝置通過光纖光環路連通，所述的電光組件向磁光探頭裝置發出光源，並對該磁光探頭裝置所導出的光進行採集、檢測，所述的磁光探頭裝置安置於輸電線路上，其特徵在於該磁光探頭裝置採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，法拉第磁光旋轉器後設置波片，所述的波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉，通過偏振分光器向所述電光組件導出合束的光。
8.根據權利要求7所述的光纖磁光探頭裝置應用系統，其特徵在於所述電光組件至少包括光源、光探測器、模擬電路模塊，其中，所述光源發出的光通過光纖傳至磁光探頭裝置，所述光的強度在磁光探頭裝置中根據導體中電流的大小被調製，通過光纖傳到光探測器中；所述的光探測器採集光信號，將檢測到的電流信號發送至模擬電路模塊；所述的模擬電路模塊對接收到的信號進行分析處理，輸出測量到的二次電流，用於對輸電線路的測量和控制。
9.根據權利要求8所述的光纖磁光探頭裝置應用系統，其特徵在於所述的電光組件還包括數位訊號處理模塊，所述的數位訊號處理模塊對模擬電路模塊接收到的信號進行數位化處理，由標準數字出口輸出或顯示到面板表中。
10.根據權利要求8或9所述的光纖磁光探頭裝置應用系統，其特徵在於所述系統還包括兩個光纖環路器(32a)、(32b)和光耦合器，所述電光組件包括兩個光探測器(42a)、(42b)，其中，所述的光源發出的光經過光耦合器分成等值的兩部分後分別傳輸至兩個光纖環路器(32a)、(32b)；所述的兩個光纖環路器(32a)、(32b)通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光纖環路器(32a)、(32b)的輸出端分別連通至光探測器(42a)、(42b)；所述的兩個光纖環路器(32a)、(32b)的兩路光從相反的方向通過磁光探頭裝置，所述的電光組件根據兩個光探測器(42a)、(42b)所檢測到的兩個電流I42a、I42b，以下式進行比較分析處理Ic=I42a-I42bI42a+I42b]]>
11.根據權利要求8或9所述的光纖磁光探頭裝置應用系統，其特徵在於所述系統還包括兩個光纖多波長分合器(33a)、(33b)，所述電光組件設有兩個光源(41a)、(41b)、以及兩個光探測器(42a)、(42b)所述的兩個光纖多波長分合器(33a)、(33b)通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光源(41a)、(41b)分別發出不同波長的光，經光纖多波長分合器(33a)合波後輸送至磁光探頭裝置，所述的磁光探頭裝置將光信號傳輸至光纖多波長分合器(33b)；所述的光纖多波長分合器(33b)將分波處理後光信號分別傳輸至相應的兩個光探測器(42a)、(42b)；所述的電光組件根據兩個光探測器(42a)、(42b)所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行分析。
12.根據權利要求8或9所述的光纖磁光探頭裝置應用系統，其特徵在於所述系統還包括兩個光學濾波器(34a)、(34b)，所述電光組件設有兩個光源(41a)、(41b)、以及兩個光探測器(42a)、(42b)；所述的兩個光學濾波器(34a)、(34b)通過光纖與磁光探頭裝置相導通；所述的兩個光源(41a)、(41b)分別通過所述的兩個光學濾波器(34a)、(34b)向磁光探頭裝置以相反的方向分別發送不同波長的光；所述的磁光探頭裝置將輸出的兩路光信號分別通過兩個光學濾波器(34a)、(34b)的透射或反射向兩個光探測器(42a)、(42b)分別傳送光信號；所述的電光組件根據兩個光探測器(42a)、(42b)所檢測到的兩個電流信號，以及所選的法拉第磁光材料對不同的波長所具有的相應溫度響應曲線，對該兩個電流信號進行比較分析。
全文摘要
一種涉及光學的光纖磁光探頭裝置及其應用系統，該光纖磁光探頭裝置包括採用光纖導向的光和法拉第磁光旋轉器，採用正交光偏振處理，對所述的光進行正交偏振分量的分光、磁光感應、合波處理，其特徵在於法拉第磁光旋轉器後設置波片，波片用於對法拉第磁光旋轉器兩束輸出光的偏振面進行旋轉，以避免近零失敏，而磁光感應、偏振檢測對兩正交偏振分量同時、等量進行以避免光源和傳輸光路引起的光偏振漂移對測量結果的影響。該系統包括電光組件和磁光探頭裝置，電光組件與磁光探頭裝置通過光纖光環路連通，電光組件向磁光探頭裝置發出光源，並對該磁光探頭裝置所導出的光進行採集、檢測、分析。
文檔編號G01R15/24GK101074983SQ20061006060
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月17日 優先權日2006年5月17日
發明者袁海駿 申請人:袁海駿