傳感光纖環以及抗振型Sagnac式全光纖電流互感器的製作方法

2023-10-04 18:32:59 3

專利名稱：傳感光纖環以及抗振型Sagnac式全光纖電流互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感光纖結構及其製作方法，以及採用該種傳感光纖的抗振型Sagnac式全光纖電流互感器。
背景技術：
隨著電力系統中電網電壓等級的不斷提高、容量不斷增大以及智能電網的信息化、數位化、自動化、互動化的要求，傳統電流互感器已經逐漸暴露出嚴重缺陷，而且越來越不能滿足電力系統的發展要求，因此光學電流互感器的研究已經迫在眉睫。利用磁光玻璃拉製成的磁光玻璃光纖製作新型的全光纖電流互感器，是以法拉第(Frarday)效應為基礎，可在一定程度上克服傳統電流互感器的缺點，必將逐步取代傳統的電流互感器而成為電網監測的最主要手段之一。全光纖電流互感器的原理是基於光的法拉第效應(FaradayEffect)，即在被測電流導體的外部環繞適當圈數的光纖，當有電流流過導體時，其周圍產
生的磁場將使得光纖內傳輸光波的偏振方向發生變化。可表述為沒=Zf HdX ,其中,H是被
Jo
傳感的磁場，L是磁場內傳感光纖 的長度,V為傳感光纖的費爾德(Verdet)係數，Θ為光纖內光波電場偏轉的角度。目前國內有多家單位從事光纖電流互感器的研究，儘管個別企業的光纖電流互感器已經進入了生產和掛網運行階段，但產品性能的重複性和長期穩定性還面臨著嚴峻的考驗。超低折射光纖在被彎曲做成傳感光纖環後，產生了額外的線雙折射，而這種線雙折射強烈依賴於溫度等環境因素，加上光纖本身易受振動等因素的影響，所傳輸的光偏振特性極不穩定，因此適合於全光纖電流互感器用的傳感光纖是光纖電流互感器的研究的關鍵。已有的反射式全光纖電流互感器中的傳感光纖，如申請號為200910262107. 2的中國實用新型專利中提到，材料為線雙折射保偏光纖，依次存在一段不旋轉段、一段起轉段(螺旋速率上升段)和一段勻速旋轉段以及反射鏡。但是光纖各部分的旋轉度不同，不同位置的費爾德(Verdet)係數不盡相同。在長度為L的起轉段內，各位置點上的費爾德係數均
不相同，而是沿著光纖螺旋增加方向緩慢增加，所以公式就變為0 =，其中H是被傳
Jo
感的磁場，L是磁場內傳感光纖的長度，V為傳感光纖的費爾德係數，Θ為光纖內光波電場偏轉的角度。因為費爾德係數依賴於傳感光纖中的位置，當導電線處於傳感光纖周圍的不同位置時，由此得到的相位變化將會不同。這就使得該傳感光纖受電流導線的位置影響，因而不具備良好的抗幹擾能力，不適用於實際應用。申請號為201120417236. 7的中國實用新型專利設計了一種傳感光纖環，解決了前述專利(申請號為200910262107. 2)的傳感光纖對空間位置敏感的問題，但是該專利仍存在一些不可忽視的問題。由於電流導線置於所述光纖環內的任意位置，所以傳感光纖上各點對電流引起的溫度變化不相同，由於傳感光纖本身對溫度較為敏感，這將引入一定的相位誤差。抗幹擾性和穩定度很難保證。
其次,該專利的光纖電流互感器是一種Sagnac式光纖電流互感器。Sagnac式光纖電流互感器既具有電流傳感器的特點又具有Sagnac式傳感器的特點，也就是說，這種傳感器既能敏感電流又能敏感Sagnac效應。Sagnac效應是指，當光束在一個環形通道中前進時，如果這個環形通道是轉動的，沿著通道轉動的方向前進所需要的時間比沿著通道轉動相反的方向前進所需要的時間多，兩束光會產生光程差，光程差大小與環形通道轉速成正t匕。由此可知，Sagnac式傳感器是一種角速度傳感器,對振動或轉動非常敏感。高壓線路分布在室外，由於颳風或振動，高壓導線會晃動，從而引起電流互感器傳感部分振動，Sagnac式光纖電流傳感器傳感部分敏感到振動，輸出隨之發生變化。因為這種缺陷，Sagnac式傳感器輸出變化無法分清是外界環境影響還是高壓導線中電流本身的變化，嚴重影響了電流互感器的測量準確性，無法實用。

發明內容
本發明提供了一種傳感光纖環以及基於該傳感光纖環的全光纖電流互感器。該傳感光纖環通過本發明特殊的傳感光纖及其繞制結構提高了全光纖電流互感器系統的集成度，避免了 λ/4波片性能對全光纖電流互感器測量的影響；同時消除Sagnac效應引起全光纖電流互感器的測量誤差，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術難題。為實現以上發明目的，本發明提供以下技術方案。—種傳感光纖環,包括扭光纖和線圈骨架,所述扭光纖是由線保偏光纖扭轉而成，按照扭轉速率依次包括起旋轉段、勻速旋轉段以及降速旋轉段；所述起旋轉段和降速旋轉段沿光纖整體方向為對稱結構(即兩者長度相等而且旋轉速率對稱相等)，其中，勻速旋轉段的長度佔總長度的60%至90% ;所述傳感光纖環採用兩根相同扭光纖以90°熔接在一起，兩根扭光纖未熔接的一端分別作為整個傳感光纖環的兩個外接端；兩根扭光纖以熔接處為起點雙線同向繞制在線圈骨架上，並保證每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。

上述兩根扭光纖在線圈骨架上最好平行貼靠在一起。上述的傳感光纖環的製作方法，包括以下步驟I)採用線保偏光纖扭轉製作如權利要求1中所述的兩根扭光纖，並分別在兩根扭光纖的起旋轉段和降速旋轉段的起點和終點做標記；2)將兩根扭光纖的其中一端以90°熔接；3)以兩根扭光纖的接頭處為起始端將傳感光纖雙線同向繞制在線圈骨架上，參考步驟I)做的起點標記和終點標記，(設第一扭光纖的降速旋轉段的終點與第二扭光纖的起旋轉段的起點熔接)使每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。採用傳感光纖環，本發明還設計了一種全光纖電流互感器，包括光源、光電探測器、光纖耦合器、具有起偏、分光以及相位調製功能的分光起偏調製裝置、線保偏延遲光纜和上述的傳感光纖環；所述光源和光電探測器通過光纖耦合器與分光起偏調製裝置相連；分光起偏調製裝置的兩個輸出埠通過對應的線保偏延遲光纜分別以0°和90°熔接至傳感光纖環的兩個外接端，分光起偏調製裝置分出兩束同偏振方向的線偏振光，分別經過對應的線保偏延遲光纜進入傳感光纖環的兩根旋向相反的扭光纖中。本發明的優點1.在全光纖電流互感器中，利用電流產生磁場對於繞制在其周圍的光纖中傳播的圓偏振光的傳播速度的改變而實現電流強度的探測，因此任何影響光波偏振態的因素均影響傳感器的精度和性能，其中λ /4波片的不完備性、溫度敏感性及其與光纖的對軸誤差是主要的影響因素。本發明利用特殊結構的扭光纖可實現λ/4波片、橢圓/圓保偏光纖以及半波片的功能，從而簡化了光路，提高系統的集成化程度；減少了因器件接入所增加的熔接點帶來的光路光信號損耗和光偏振質量的下降，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術難題。2.本發明的光纖電流互感器對振動或轉動不敏感。本發明兩根光纖中間的結構形成了半波片的功能，可以消除sagnac效應引起的全光纖電流互感器的相位誤差。解決了全光纖電流互感器的主要誤差的技術問題。當發生振動或轉動時，這樣以兩根扭光纖的熔接點為分界，光波在前一半傳感光纖中因Sagnac效應而光程變長，在後一半傳感光纖中則因Sagnac效應而光程變短，傳感光纖中點相當於半波片，Sagnac效應恰好完全抵消。因此，本發明的光纖電流互感器消除了 Sagnac效應，對振動或轉動不敏感。3.本發明採用了雙線同向繞制的方法，可以消除外界環境對於傳感器的影響。正向和反向傳輸的兩束光波通過傳感光纖時，兩根扭光纖是雙線同向繞制，因此外界溫度、振動等因素對於兩束光波的影響是相同的，全光纖電流互感器的測量精度得到提高。4.本發明中兩根扭光纖的起旋轉段和降速旋轉段位於線圈骨架的同一軸向線上，可以完全消除該傳感光纖各部分費爾德係數不同引起的電流導體位置的敏感問題。採用這種繞制方式在工藝上更加易於實 現。


圖1是本發明中構成傳感光纖的其中一根扭光纖的結構及光波經過其後的偏振狀態變化示意圖。圖2是本發明的由兩根扭光纖構成的傳感光纖結構及光波經過其後的偏振狀態變化示意圖。圖3是本發明傳感光纖在導體上繞制方式示意圖。圖4是用使用這種傳感光纖做成的全光纖電流互感器的最佳實施例及光波在傳感光纖中的偏振方向變化情況。其中，1-光源，2-光纖耦合器，3-Y波導多功能集成光學器件，4-延遲光纜，5-傳感光纖，51-起旋段，52-勻速旋轉段，53降速旋轉段，6-電流導線，7-90°熔接點，8-90°熔接點，9-光電探測器。
具體實施例方式全光纖電流互感器利用傳感光纖的法拉第效應實現測量的，即被測導線周圍的磁場引起傳感光纖中兩束不同旋向的圓偏振光以不同速度傳輸從而產生相位差，通過測量幹涉後的信號幅值可以間接測量導線中電流的大小。當兩束旋向相反的圓偏振光經過磁光光纖時，由於法拉第效應，兩束圓偏振光的傳播速度發生改變，引起兩束光之間相位差發生變化。通過測量相干的兩束光之間的幹涉光強的變化就可以間接地測量導線電流的大小。圖1是構成傳感光纖的其中一根扭光纖的結構及光波經過其後的偏振狀態變化示意圖。扭光纖結構包括以下幾個部分起旋段51、高速勻速旋轉段52和降速旋轉段53。其中起旋轉段為扭轉速率從零緩慢變化到高速旋轉速率，降速旋轉段為扭轉速率從高速旋轉速率緩慢變化到零。起旋轉段和降速旋轉段沿光纖方向為對稱結構，兩者長度相等而且旋轉速率對稱相同，高速勻速旋轉段的長度遠遠大於其他兩個部分總長度。當線偏振光入射這種結構的扭光纖時，經過起旋段51和勻速旋轉段52後光纖中光波變為圓偏振光；之後，光波經過降速旋轉段53後又變為線偏振光。由於高速勻速旋轉段52的長度較長,光波在傳感光纖中主要以橢圓/圓偏振光的形式傳輸。因此，扭光纖具有四分之一波片和橢圓保偏光纖的功能。圖2由兩根扭光纖構成的傳感光纖結構及光波經過其後的偏振狀態變化示意圖。線偏振光從起旋段入射第一扭光纖，在其高速勻速旋轉段得到橢圓/圓偏振光，在其降速旋轉段得到與入射光相同的線偏振光。經過兩個扭光纖的90°熔接點入射到第二扭光纖的起旋段，光波線偏振方向發生90°偏轉，即水平線偏振光變為豎直線偏振光，豎直線偏振光變為水平線偏振光。因此，在第二扭光纖的高速勻速旋轉段得到與第一扭光纖中旋向相反的橢圓/圓偏振光。由於兩根扭光纖的旋轉方向相反，因此同樣的線偏振光入射起旋段會在高速勻速旋轉段得到旋向相反的橢圓/圓偏振光，即分別得到左旋橢圓/圓偏振光和右旋橢圓/圓偏振光。因此，在第二扭光纖的高速勻速旋轉段得到與第一扭光纖中旋向相反的橢圓/圓偏振光。這樣的橢圓/圓偏振光經過第二扭光纖的降速旋轉段後得到與入射光偏振方向垂直的線偏振光。通過以上對於光波偏振狀態的分析可以看出，光波在第一扭光纖和第二扭光纖的高速勻速旋轉段是以旋向相反的橢圓/圓偏振光傳輸的。因此，兩根扭光纖直接熔接相連處在功能上類似於半波片。圖3是用圖2中的傳感光纖採用雙線同向繞制在導體上的示意圖。由兩根扭光纖構成的傳感光纖以兩根扭光纖的熔接處為起點雙線同向繞制在線圈骨架上。第一扭光纖和第二扭光纖緊貼在一起，以同時感應外界環境的變化，從而相互抵消，提高光纖電流互感器的靈敏度。兩根扭光纖的各個部分起旋段51、高速勻速旋轉段52和降速旋轉段53相互重疊。每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。採用這樣繞制方法製作的傳感環具有對導體位置不敏感的特性。扭光纖作為光纖電流互感器的傳感光纖帶來一個較為麻煩的問題是由於扭光纖各部分的扭轉速率不同導致各個部分的費爾德係數不同。這樣導體在不同位置總的費爾德係數不同，引起測量結果受到導體的位置的影響，而這樣的影響對於光纖電流互感器來說幾乎是致命的，因為費爾德係數能成倍影響測量結果。本發明的傳感光纖中，保證起旋轉段的起點和降速旋轉段起點位於線圈骨架的同一軸向線上，以確保重疊區域任意處總的費爾德係數為一個常數，且與高速勻速旋轉段光纖的費爾德係數一樣。這樣，在線圈骨架的同一軸向線上，傳感光纖環各處的費爾德係數相同。只有這樣，才能確保測量結果與導體的位置無關，實現被測電流的準確性和穩定性。扭光纖的費爾德係數與旋轉速率ξ成正比例關係。高速勻速旋轉段光纖的費爾德係數為Κξ_。第一扭光纖和第二扭光纖起旋轉段I處傳感光纖的費爾德係數相同，均為
權利要求
1.一種傳感光纖環,包括扭光纖和線圈骨架,所述扭光纖是由線保偏光纖扭轉而成，按照扭轉速率依次包括起旋轉段、勻速旋轉段以及降速旋轉段；所述起旋轉段和降速旋轉段沿光纖整體方向為對稱結構，其中，勻速旋轉段的長度佔總長度的60%至90% ;其特徵在於 所述傳感光纖環米用兩根相同扭光纖以90°熔接在一起,兩根扭光纖未熔接的一端分別作為整個傳感光纖環的兩個外接端； 兩根扭光纖以熔接處為起點雙線同向繞制在線圈骨架上，並保證每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。
2.根據權利要求1所述的傳感光纖環，其特徵在於兩根扭光纖在線圈骨架上平行貼罪在一起。
3.權利要求1所述的傳感光纖環的製作方法，其特徵在於該方法包括以下步驟 1)採用線保偏光纖扭轉製作如權利要求1中所述的兩根扭光纖，並分別在兩根扭光纖的起旋轉段和降速旋轉段的起點和終點做標記； 2)將兩根扭光纖的其中一端以90°熔接； 3)以兩根扭光纖的接頭處為起始端將傳感光纖雙線同向繞制在線圈骨架上，參考步驟I)做的起點標記和終點標記，使每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。
4.全光纖電流互感器，其特徵在於包括光源、光電探測器、光纖耦合器、具有起偏、分光以及相位調製功能的分光起偏調製裝置、線保偏延遲光纜和權利要求1中所述的傳感光纖環；所述光源和光電探測器通過光纖耦合器與分光起偏調製裝置相連；分光起偏調製裝置的兩個輸出埠通過對應的線保偏延遲光纜分別以0°和90°熔接至傳感光纖環的兩個外接端，分光起偏調製裝置分出兩束同偏振方向的線偏振光，分別經過對應的線保偏延遲光纜進入傳感光纖環的兩根旋向相反的扭光纖中。
全文摘要
本發明提供了一種傳感光纖環以及基於該傳感光纖環的全光纖電流互感器。該傳感光纖環採用兩根相同扭光纖以90°熔接在一起，兩根扭光纖未熔接的一端分別作為整個傳感光纖環的兩個外接端；兩根扭光纖以熔接處為起點雙線同向繞制在線圈骨架上，並保證每根扭光纖的起旋轉段的起點和降速旋轉段的起點位於線圈骨架的同一軸向線上，每根扭光纖的起旋轉段的終點和降速旋轉段的終點也位於線圈骨架的同一軸向線上。本發明避免了λ/4波片性能對全光纖電流互感器測量的影響；同時消除Sagnac效應引起全光纖電流互感器的測量誤差，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術難題。
文檔編號G01R15/24GK103063896SQ20121055871
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者徐金濤, 王英利, 康夢華, 劉尚波, 石念寶 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所