光纖電流傳感器的製作方法
2023-05-14 13:02:36 2
專利名稱：光纖電流傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及母線大電流的光電傳感器，特別是涉及用於測量發電廠，變電所等處的母線上高達103－106安培電流的光纖電流傳感器。
目前用來取代陳舊的電流互感器的大電流測量手段是光纖電流傳感器，這種傳感器應用了法拉第磁光效應，即將光纖繞在母線上，應用磁致旋光原理探測母線電流。然而，在使用這種光纖傳感器時會不可避免地由於光纖彎曲產生應力雙折射，至使偏振光經過光纖時產生的旋光現象，是法拉第旋光效應和雙折射效應的迭加，給傳感器造成誤差。為此有人採用了8字形交叉繞法來抵消雙折射效應。但實際上由彎曲應力造成的雙折射不可能被完全抵消，而且光的費爾德(Verdet)常數隨外界的溫度、應力等發生變化，影響測量精度。此外，這種傳感器的繞制工藝複雜，而且必須套在母線上，給安裝和拆卸帶來不便。另外，現有的光纖電流傳感器普遍使用雷射源，費用較高。
本實用新型的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，提供一種容易製造和使用的光纖電流傳感器。
本實用新型的另一個目的是提供一種採用廉價的LED光源替代雷射源的光纖電流傳感器。
本實用新型的其他目的還涉及到提高傳感器的靈敏度，以及排除外界環境溫度和應力對傳感器的幹擾。
本實用新型的光纖電流傳感器包括輸入光纖和輸出光纖，一塊傳感媒質，分別附著在傳感媒質的通光面兩端的起偏器和檢偏器，它們的偏振方向互成45°角，以及第一聚焦透鏡設在輸入光纖的端面與上述起偏器之間，其焦點處於輸入光纖的上述端面上，第二聚焦透鏡設在上述檢偏器與輸出光纖的端面之間，其焦點處於輸出光纖的上述端面上。
本實用新型的進一步特徵在於光纖電流傳感器的光源是一個發光二極體(LED)。
為了提高傳感器的靈敏度，本實用新型的一個實施例中採用了多次反射的光學結構。此外，傳感媒質的材料選用費爾德常數與溫度無關的一種玻璃材料，這種材料的國內產品標號為ZF－7，而國際上採用的產品標號為SF－6。傳感媒質為條塊狀，經過嚴格的退火，不存在餘應力。
以下將結合附圖詳細描述本實用新型的各種實施例，從中可以進一步理解本實用新型的實質性特點。各圖中相同的標號表示各實施例中相同或對應的部分。
圖1是本實用新型第一實施例的結構圖，為了表示出傳感器的內部結構，圖中的上半部採用剖面圖；圖2表示第二實施例中光學元件的布置圖；圖3表示第三實施例中的光學元件布置圖；圖4中示出了本實用新型的傳感器被用於測量離相封閉母線電流時的安裝示意圖，並同時表示出了與傳感器相配合的大電流測量儀表的原理方框圖；以及圖5表示本實用新型的傳感器被用於測量非封閉母線電流時的安裝示意圖。
現參見圖1描述本實用新型的一個實施例。輸入光纖1被套管固定在傳感器的軸心上，其端面2經過光學拋光處理，該端面二位於聚焦透鏡3的焦點上。一塊圓柱形的傳感媒質5設置在傳感器外殼內的中間位置，一個起偏器4設在上述透鏡3和傳感媒質之間，並且用光學樹脂膠粘在傳感媒質5的一個通光面上。一個檢偏器6用光學樹脂膠粘在傳感媒質5的另一個通光面上，並且該檢偏器6與起偏器4的偏振方向互成45°角。在圖1中檢偏器6的右側依次還設有另一個聚焦透鏡7以及輸出光纖9，輸出光纖9的端面8也經過光學拋光處理並且位於相應透鏡7的焦點上。
以下結合圖4描述上述實施例的光纖電流傳感器在測量大電流離相母線電流時的工作原理。
在圖4中，21表示一相的母線，22表示離相封閉母線21的接地外殼，20為本實用新型的光纖電流傳感器，它被裝在外殼22內靠近母線21的適當位置，處於由母線電流所產生的磁場中。輸入和輸出光纖經由外殼22上的孔直接連接到測量儀表，並且不必繞過母線。
測量儀表包括電源，發光二極體(LED)光源，為LED提供恆定電流的可調恆流源，恆流顯示裝置，以及檢測電路，後者將在下文中描述。
由LED光源產生的單色光經輸入光纖1的端面2入射到透鏡3上(見圖1)，並且由透鏡3變成平行光束，然後經起偏器4射入傳感媒質5。這一平行光束在通過傳感媒質5時被母線電流所產生的磁場調製，被調製的信息光通過檢偏器6後的光強為Po＝Picosψ (1)
其中Pi為輸入光強，ψ為起偏器與檢偏器之間的偏振方向的夾角。因此，當ψ＝45°時，光強變化最靈敏。
另一方面，通過檢偏器後的信息光的光強Po與磁旋角θ的關係為 Po＝ 1/2 (1＋sin2θ)Pi (2)其中 θ＝VHL或θ＝VI (3)式中的V為費爾德常數，L為傳感器媒質中光通路的長度，I和H分別是母線電流和該電流產生的磁場強度。
光強為Po的信息光通過另一個聚焦透鏡7聚焦到輸出光纖的端面上，然後傳送給檢測電路。
信息光在檢測電路中被光電轉換器(見圖4)變為電信號，經帶通、低通濾波器將直流和交流分量分開，用除法器得到信息電壓信號 U＝sin(2VI) (4)由於實際的磁旋角θ很小，式(4)可以近似地改寫成U＝2VI (5)例如在θ＝5°時，近似的誤差僅為8.8×10－4。
最後，信息電壓信號經放大器放大後由顯示器顯示出母線上的電流值。
以下參照圖2描述本實用新型的第二實施例。在某些應用場合，為了便於安裝並且避免不必要地彎曲光纖，希望輸入光纖和輸出光纖從傳感器的同一側面進出。本實施例可以滿足這些要求。
在圖2中，標號3至7依次代表與圖1中相同的透鏡，起偏器，傳感媒質，檢偏器以及另一個透鏡。此外，在透鏡3與起偏器4之間設有一個全反射三稜鏡11用於把來自透鏡3的平行光折射到起偏器4上；在檢偏器6與另一個透鏡7之間還設有另一個全反射三稜鏡12用於把通過傳感媒質5和檢偏器6後的信息光折射到透鏡7上。因此，可以通過稜鏡的折射改變光的方向，以便把輸入和輸出光纖安裝在傳感器的同一側。
圖3是本實用新型的第三實施例。由於磁旋角θ與光的傳播方向無關，只決定於磁場的方向，因此，為增大傳感作用提高靈敏度，本例中採取了多次反射的結構來增加傳感媒質中的光通路長度L。
在圖3中，輸入光纖1的端面2被直接用光學樹脂膠粘在自聚焦透鏡3上，從輸入光纖1射出的光經自聚焦透鏡3後成為平行光，然後通過附著在矩形的傳感媒質5上的起偏器4射入傳感媒質5。傳感媒質5上、下端面13和14嚴格平行，並經拋光處理後鍍有多層介質反射膜15和16。光在傳感媒質5中經過多次反射，如果反射次數為N，傳感媒質5中的光通路有效長度L則為L＝(N＋1)l，其中l為傳感媒質5的厚度。通過多次反射所獲得的信息光按照與其他實施例中類似的方式由檢偏器6和另一個自聚焦透鏡7耦合到輸出光纖9的端面8上，其中的檢偏器6與起偏器4的偏振方向仍是互成45°角。
藉助於上述第三實施例，可以明顯地增加傳感媒質中光通路的有效長度，從而達到提高傳感器靈敏度的目的。然而應當指出，只有在小角度入射的條件下，反射才不會影響偏振態，因此本實施例中採用的入射角α(見圖3)為5－12°，最好是限制在7－10°，由式(2)表示的輸出光強公式在這種條件下仍然適用。
圖5還表示出了用本實用新型的光纖電流傳感器測量非封閉母線上的電流時的安裝示意圖。此時一條母線附近的磁場與三相電流有關，並且還會受到雜散磁場的幹擾。為了測出每相母線的電流I，可以在被測母線周圍增加一個留有氣隙安放傳感器的鐵氧體環23，其形狀根據母線形狀可做成(或組成)圓形或矩形環。圖5中以圓形環23為例，21代表母線，而20仍表示本實用新型的傳感器，其中鐵氧體環23的環長為l，氣隙長度為lo。在圖示的情況下，前述的磁旋角與電流的關係式(3)仍成立，只是費爾德常數V需要適當的修正。
很明顯，按照上述各個實施例的構思還可以做出很多修改和變更，而不會脫離本實用新型的範圍，權利要求書對本實用新型的保護範圍做出了適當的限定。
權利要求1.一種用於測量大電流的光纖電流傳感器，其特徵是包括一塊傳感媒質；分別附著在傳感媒質的通光面兩端的起偏器和檢偏器，起偏器和檢偏器的偏振方向互成45°角；耦合到一個光源上的第一光纖；設在上述第一光纖的一個端面與上述起偏器之間的第一聚焦透鏡，其焦點處於第一光纖的上述端面上；耦合到一個測量電路上的第二光纖；以及設在上述檢偏器與上述第二光纖的一個端面之間的第二聚焦透鏡，其焦點處於第二光纖的上述端面上。
2.按照權利要求1的光纖電流傳感器，其特徵是上述光源是一個發光二極體。
3.按照權利要求1的光纖電流傳感器，其特徵是進一步包括設在上述第一聚焦透鏡與上述起偏器之間的第一全反射稜鏡，以及設在上述檢偏器與上述第二聚焦透鏡之間的第二全反射稜鏡。
4.按照權利要求1的光纖電流傳感器，其特徵是上述傳感媒質中的光通路的有效長度大於上述傳感媒質的長度。
5.按照權利要求4的光纖電流傳感器，其特徵是上述傳感媒質是矩形的，並且在上述矩形傳感媒質的兩個端面上具有介質反射膜。
6.按照權利要求5的光纖電流傳感器，其特徵是上述起偏器和上述檢偏器附著在上述傳感媒質的同一個端面上。
7.按照權利要求4或5或6的光纖電流傳感器，其特徵是通過上述第一聚焦透鏡入射到上述起偏器上的光的入射角為5至12°。
8.按照權利要求7的光纖電流傳感器，其特徵是上述入射角為7至10°。
9.按照權利要求1的光纖電流傳感器，其特徵是還包括一個留有氣隙的鐵氧體環，上述光纖電流傳感器可以裝在上述氣隙中。
10.如權利要求1或權利要求3至5所述的光纖電流傳感器，其特徵是上述傳感媒質由一種玻璃材料構成，這種玻璃材料的費爾德常數與溫度無關。
專利摘要一種用於測量大電流的光纖電流傳感器包括分別耦合到光源和測量電路上的輸入和輸出光纖，一塊傳感媒質，分別附著在傳感媒質通光面兩端的啟偏器和檢偏器，設在輸入光纖與啟偏器之間的第一透鏡以及設在檢偏器與輸出光纖之間的第二透鏡。結構簡單，便於安裝和使用，不受環境溫度和應力的幹擾，並且可採用廉價的LED光源。
文檔編號G01R33/032GK2181005SQ9324504
公開日1994年10月26日 申請日期1993年11月29日 優先權日1993年11月29日
發明者喬松, 何斌, 陳紀東, 羅方亮, 徐銘哲 申請人:中國礦業大學北京研究生部