一種自聚焦型光學電流互感器的製作方法
2023-10-04 17:30:34 1
專利名稱：一種自聚焦型光學電流互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自聚焦型光學電流互感器，涉及光學電流互感器技術領域。
背景技術：
高壓電流互感器是電力系統將電網中的高壓大電流信號轉變為低壓小電流信號， 從而為系統的計量、監控、繼電保護等提供統一、規範的電流信號的裝置。光學電流
互感器(Optical Current Transducer,簡稱OCT)是一種集光纖傳感技術、光電技術、 非線性光學及先進的信號處理技術等多個學科的理論和應用於一體的新型高壓電流互 感器。與傳統的高壓大電流互感器相比，光學電流互感器具有絕緣性能優良、無磁飽 和、動態測量範圍大、測量精度高、抗電磁幹擾能力強等優點。
光學玻璃型OCT採用具有較高費爾德(Verdet)常數的整塊光學玻璃製作傳感頭。 由於光束要在傳感頭內形成圍繞載流導體的閉合光路，因此在此過程中不可避免地要 採用全反射結構使光線發生偏折。由於入射線偏振光經過全反射，其電矢量的分量之 間產生了相位差，從而使入射的線偏振光變為橢圓偏振光，降低了測量靈敏度，並嚴 重影響測量精度。研究表明若將總反射相移控制在0.24rad (約為14°)以內，則傳 感頭的靈敏度將不低於理想模型的靈敏度理論預期值的90%。同時系統的抗幹擾能力 和穩定性的提高都要靠減小反射相移來實現。由此看出，減小反射相移對提高系統的 靈敏度、抗幹擾能力和穩定性具有重要意義。因此，如何減小由反射導致的相位差， 已成為此類OCT設計中亟待解決的關鍵問題。
Sato等人(Method and apparatus for optically measuring a current. European Patent Application, No: 831022.10.B, Publication No: 0088 419 Al, 1983)首先提出並設計了雙 正交反射式方形玻璃OCT傳感頭。它的原理是在光路中的每個全反射點處用兩次正交 全反射代替原來的一次全反射，這樣可使第二次反射光的分量分別與第一次反射光的 兩個正交分量互相正交，從而使兩次反射產生的相移互相抵消；但其存在的問題是光路在與載流導體平行面上的投影不閉合，致使系統抗幹擾能力受到影響。同時，由於 加工精度的限制和應用時光束的實際入射角有可能偏離原定入射角，使得兩次全反射 光束不能完全正交，因而反射相移不能完全被消除，並且會隨著實際應用中引入的各 方面的誤差的增大而增大。
李紅斌(《光學電流傳感器傳感頭的研究》，光學學報，1997， 26(7): 946 949) 將雙正交反射方案中光束在最後一個反射點向上的反射改為向下反射，使光路實現基 本閉合，可提高系統抗外電磁場幹擾的能力。但由於在實現光路折返時並沒有採取使 線偏振光兩個正交分量之間方向互換的措施，即便是嚴格按原光路返回，也不能抵消 或降低反射相移等互易性因素的影響。
發明內容
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種自聚焦型光學電流互感器，利用 梯度折射率型玻璃的自聚焦原理製作傳感頭，可以通過避免在光學玻璃型電流互感器 傳感頭中引入反射結構的方式來完全消除反射相移，從而提高系統的靈敏度、抗幹擾 能力和穩定性。
技術方案
一種自聚焦型光學電流互感器，包括光源l、準直器2、起偏器3、光纖耦合器4、 單模保偏光纖5、檢偏器10和信號探測與處理系統11，其特徵在於環形傳感頭9 為磁光玻璃或晶體的矩形的圓環狀，且有開口；所述環形傳感頭9的開口兩端面經研
磨拋光處理；環形傳感頭9開口中心角應滿足6>;-,。-arcsin(^&)，其中丄為 偏振光的入射點距環形傳感頭中心處的距離，7。為入射光線與入射點所在圓周切線的 夾角且tan;^^02—， "G為環形傳感頭9中間均勻層折射率，"2為環形傳感頭9內、 外表面處折射率，A為環形傳感頭9的外徑，且^小於40mm。所述的環形傳感頭9折射率沿環形結構的軸向呈均勻分布，沿環形結構的徑向滿 足當i 2^r^/ 3時，折射率均勻分布；當《^S^時和i 3 ^r^i 4折射率呈梯度分布； 為環形傳感頭內徑且大於被測電流母線的半徑，^ 、 &分別為中間折射率均勻層 與內、外折射率梯度分布層界面處半徑，A4-Wf/ 2-W產C， C是梯度折射率分布層的厚 度。所述的環形傳感頭9折射率沿環形結構的軸向呈均勻分布，沿環形結構的徑向滿 足當《^r《A時，折射率均勻分布；當A^r^A時，折射率呈梯度分布。所述的環形傳感頭9的前後兩端面被研磨拋光，光纖耦合器4連接在線偏振光出 射端面。所述的環形傳感頭9的線偏振光出射端面鍍一層保偏反射膜，光纖耦合器4連接在線偏振光入射端面。所述傳感頭根據光束自聚焦原理製作，傳感頭材料為磁光玻璃，所述磁光玻璃材 料被加工成橫斷面為矩形的圓環狀，採用離子交換法或溶膠凝膠法或化學氣相沉積法 等工藝將所述圓環狀磁光玻璃的折射率製備成梯度分布，從而使光線在傳感頭內部以 曲線軌跡向前傳播，並不與傳感頭和空氣界面接觸。方案一中的傳感頭為有一開口的 環形結構。被測電流母線從環形傳感頭的中心垂直穿過，磁場方向沿環形傳感頭的圓 周方向。所述環形傳感頭的內、外層折射率成梯度分布，中間層折射率呈均勻分布， 並且折射率沿軸向也呈均勻分布。該傳感頭的開口兩端面經研磨拋光處理，光線從其中一個端面進入傳感頭，並從另-端面出射。將第一種方案中的環形傳感頭的線偏振 光出射端面鍍一層保偏反射膜即為第二種設計方案。將第一種方案中的環形傳感頭的 外層折射率製成梯度分布，內層折射率呈均勻分布，則構成了第三種傳感頭設計方案。將第三種方案中的環形傳感頭的線偏振光出射端面鍍-I!保偏反射膜即為第四種設計 方案。考慮到光在梯度折射率介質中傳播時，光線不再與介質和空氣界面接觸，而是按曲線軌跡在介質中周期性向前傳播。在曲線軌跡的頂點位置，光線仍可以看作是發生了全反射，引入的相移被稱作彎曲相移，但這裡TE波和TM波的彎llll相移都是兀Z2， 所以該全反射不改變線偏振光的偏振態，因此對測量結果沒有影響。 有益效果本發明的有益效果是線偏振光在所述傳感頭中以曲線軌跡周期性向前傳播，不 發生反射，因此避免了因全反射引入的反射相移對線偏振光偏振態的影響，提高了傳 感系統的靈敏度；由於光線在傳感頭中傳播時不與界面接觸，偏振光的光強沒有損耗， 因此克服了現有光學玻璃型電流互感器中輸出光強信號弱，信噪比差的缺點；避免了 現有技術中採用雙光源的做法，降低了傳感系統的成本。
閣1是本發明自聚焦型光學電流互感器第一實施方式的結構示意圖圖2是本發明自聚焦型光學電流互感器圖1中傳感頭A-A'截面折射率分布圖圖3是本發明自聚焦型光學電流互感器第二實施方式的結構示意圖；圖4是本發明自聚焦型光學電流互感器圖3傳感頭A-A'截面折射率分布圖圖5是本發明自聚焦型光學電流互感器第三實施方式的結構示意圖；圖6是本發明自聚焦型光學電流互感器圖5傳感頭A-A'截面折射率分布圖；圖7是本發明自聚焦型光學電流互感器第四實施方式的結構示怠圖。圖8是本發明自聚焦型光學電流互感器圖7傳感頭A-A'截面折射率分布圖；l-光源；2-準直器；3-起偏器；4-光纖耦合器；5-單模保偏光纖；6-中間折射率均 勻層外沿；7-中間折射率均勻層；8-中間折射率均勻層內沿；9-環形傳感頭，10-檢偏 器；i2-被檢測母線；13-保偏反射膜。
具體實施方式
現結合附圖對本發明作進一步描述實施例l:參閱附圖l，包括光源l，準直器2，起偏器3，光纖耦合器4，單模保偏光纖5，環形傳感頭9，檢偏器IO，信號探測與處理系統ll。所述環形傳感頭9系用磁光材料加工成的有一開LJ的環形結構，其外徑為30nim，內徑為2mm，開口處的兩個端面經研磨拋光，分別作為線偏振光的入射面和出射面，光纖耦合器4連接在線偏振光出射端面。被測電流母線12從環形傳感頭9的中心穿過，磁場方向沿環形傳感頭的圓周方向。在環形結構的內外側同時進行離子交換。這樣，在離子交換層，磁光材料的折射率成梯度分布，以下均以折射率成平方律漸變分布為例。在沒有進行離子交換的中間層，其折射率仍是均勻分布的。折射率沿環形結構的軸向呈均勻分布，沿環形結構的徑向滿足"1 7 3 O S &時，"2 (r) = "J [1 - W 0 - & )2 ]其中"o為中間均勻層的折射率，, "2 ="(i ,c爿mm是折射率漸變層的厚度，因此，i 4-i fi 2-i 產C，如圖2所示。利用光線方程求解光線在折射率成平方律漸變分布介質中的傳播軌跡為G COS ^。式中A為入射光線與入射點所在圓周切線的夾角，計算得出入射角;1)應滿足/^~^ ^~ ^ w0 — 2ta"0 2-選擇材料的n(H.58， n2=1.5，r。應小於18度，取:1—5度；此時^應滿足6>三—n-arcsin(^^)，則大於2度，所以取^等於5度。 — 2 / 4卩7T由此可知，光線在介質中按正弦型路徑傳播，其傳播周期為r-;cos^，幅值formula see original document page 8
從所述光源1發出的光束經準直器2後變成平行光，經起偏器3後轉變成線偏振 光，並從環形傳感頭9開口處的一端面入射，在該傳感頭的外側漸變折射率分布層6 中以正弦型路徑向前傳播。當光束因折射進入均勻折射率分布層7後，沿直線傳播， 進而以相同的角度折射進入漸變折射率分布i！ 8。如此周期性向前傳播，直到在環形 開口的另-一端面處出射。出射光由光纖耦合器4耦合進單模保偏光纖5傳輸到檢偏器 10，最後輸出至信號探測與處理系統11進行光電轉換和信號解調。由於被測電流母線12產生的磁場方向沿環形傳感頭9的圓周方向，因此，所述互 感器的有效光程約為環形傳感頭均勻折射率層7分別與漸變折射率層6、8分界面周長的平均值。如圖1所示，可以看出，所述傳感頭中線偏振光的有效光程約為7X(/ 2+i 3)。本實施例1中線偏振光在所述環形傳感頭9內、外側的漸變折射率層6、 8沿iH弦刑 路徑傳播，不與內、外壁和空氣的界面接觸，不發生全反射—在環形傳感頭9的中間層 7以直線傳播。環形傳感頭的開口大小直接影響傳感頭中光路的閉合程度，開口越小光路的閉合 程度越高，傳感頭受外界環境的千擾越小。假設線偏振光的入射點距環形傳感頭中心 處的距離為.L，由於測量光路的需要，環形傳感頭開口中心角應滿足formula see original document page 8環形傳感頭9的外徑i 4還應小於40mm，因為電流母線所產生的環形磁場在距離母 線40mm處就十分微弱，且很不均勻了，因此如果環形傳感頭9的外徑超過這個範圍會 降低測量的靈敏度和穩定性。實施例2:參閱附圖3，包括光源l，準直器2，起偏器3，光纖耦合器4，單模 保偏光纖5，環形傳感頭9，檢偏器IO，信號探測與處理系統ll，保偏反射膜13。在實施例1中所述傳感頭9的線偏振光出射端面鍍- -層保偏反射膜13即為本實施 例中的傳感頭，光纖耦合器4連接在線偏振光入射端面。從所述光源l發出的光束經準直器2後變成平行光，經起偏器3後轉變成線偏振光，並從環形傳感頭9開口處的 一端面入射，在該傳感頭的外側漸變折射率分布層6中以正弦型路徑向前傳播。當光 來肉折射進入均勻折射率分布層7後，沿直線傳播，進而以相同的角度折射進入漸變 折射率分布層8。如此周期性向前傳播，直到入射到環形開U的增鍍保偏反射膜]3的 端面後，被反射迴環形傳感頭9內部繼續傳播，曲線軌跡仍滿足在漸變層沿正弦路徑， 在均勻層沿直線傳播。最終從原入射端面出射'，由光纖耦合器4耦合進，模保偏光纖 5傳輸到檢偏器10，最後輸出至信號探測與處理系統11進行光電轉換和信號解調。實施例2中環形傳感頭9中的有效光程是實施例1中環形傳感頭9中的有效光程的2 倍。這樣有效提高了系統的靈敏度。實施例3，參閱附圖5，包括光源l，準直器2，起偏器3，光纖耦合器4，單模保 偏光纖5，環形傳感頭9，檢偏器IO，信號探測與處理系統ll。所述環形傳感頭9系用磁光材料加工成的有 開口的環形結構，其外徑為30mm， 內徑為20mm ，幵L:處的兩個端面經研磨拋光，分別作為線偏振光的入射而和出射-ltn,, 所述環形傳感頭9的外側折射率成平方律漸變分布，而內層折射率呈均勻分布，同時 環形傳感頭9的折射率沿軸向均勻分布。即所述環形傳感頭9中的折射率在橫截面上 的分布滿足以下關係formula see original document page 9。式中^為中間均勻層的折射率，"V"。、2 ， &="0 4)， c^mm是折射率漸變層的厚度，因此R4-A二c，如圖6所示。利用光線力程求解光線在折射率成平方律漸變分布介質中的傳播軌跡為formula see original document page 9式中h為入射光線與入射點所在圓周切線的夾角，討'算得出入射角;i)應滿足formula see original document page 10由此可知，光線在介質中按正弦型路徑傳播，其傳播周期為7^^cos7。，幅值醜=tany0—d °從所述光源1發出的光束經準直器2後變成平行光，經起偏器3後轉變成線偏振 光，並從環形傳感頭9開口處的一端面入射，其在該傳感頭的漸變折射率分布層6中 以JH弦型路徑向前傳播，然後光束將因折射進入均勻折射率分布g 7，沿直線傳播， 進而將會以相同的角度再次折射進入漸變折射率分布層6。如此周期性傳播，直到在 環形開口的另一端面處出射。出射光由光纖耦合器4耦合進單模保偏光纖5傳輸到檢 偏器10，最後輸出至信號探測與處理系統11進行光電轉換和信號解調。由於被測電流母線12產牛的磁場方向沿環形傳感頭9的圓周方向，因此，所述丁r. 感器的有效光程為環形傳感頭漸變折射率層6和均勻折射率層7分界ldl的周長。如閣 3所示，可以看出，所述傳感頭中線偏振光的有效光程約為2兀/ 3。與實施例1、 2相比，實施例3中線偏振光在傳感頭9中的傳播軌跡更接近圓，閒此有利於更加精確的計算有效光程。實施例4，參閱附圖7，包括光源l，準直器2，起偏器3，光纖耦合器4，單模保 偏光纖5，環形傳感頭9，檢偏器IO，信號探測與處理系統ll。在實施例3中所述傳感頭9的線偏振光出射端面鍍一層保偏反射膜13即為本實施例 中的傳感頭。從所述光源1發出的光束經準直器2後變成平行光，經起偏器3後轉變成線 偏振光，並從環形傳感頭9開口處的一端面入射，其在該傳感頭的漸變折射率分布層6 中以正弦型路徑向前傳播，然後光束將因折射進入均麼J折射率分布層7，沿直線傳播， 進而將會以相同的角度再次折射進入漸變折射率分布層6，如此周期性傳播。當線偏振 光傳播到達被增鍍保偏反射膜B的端面後並不出射，而是被反射迴環形傳感頭9內部傳 播，曲線軌跡仍滿足在漸變層沿正弦路徑，在均勻層沿直線傳播。最終從原入射端面出射，由光纖耦合器4耦合進單模保偏光纖5傳輸到檢偏器10，最後輸出至信號探測與 處理系統1 ]進行光電轉換和信號解調。實施例4中環形傳感頭9中的有效光程是實施例3中環形傳感頭9中的有效光程的2 倍。這樣有效提高了系統的靈敏度。本發明自聚焦型光學電流互感器利用自聚焦原理髮明了四種光學電流互感器，所 述四種互感器均克服了現有光學玻璃型電流互感器中因傳感頭不可避免的反射相移向 降低了系統抗千擾能力和穩定性的缺點。線偏振光在傳感頭中沿曲線軌跡周期性向前 傳播，因而避免了線偏振光與空氣和傳感頭界面的接觸，消除了反射所產生的反射相 移對測量結果的影響。而且由於偏振光的光強沒有損耗，也避免了現存光學玻璃型電 流互感器中輸出光強信號弱，信噪比差的缺點。本發明所述光學電流互感器不但具有 較高的光路閉合程度，而且有較大的有效光程，因而具有較高的靈敏度、抗千擾能力 和穩定性。實施例2、 4中的環形傳感頭的有效光程分別是實施例1、 3中有效光程的 2倍，因此具有更高的靈敏度。
權利要求
1.一種自聚焦型光學電流互感器，包括光源(1)、準直器(2)、起偏器(3、光纖耦合器(4)、單模保偏光纖(5)、檢偏器(10)和信號探測與處理系統(11)，其特徵在於環形傳感頭(9)為磁光玻璃或晶體的矩形的圓環狀，且有開口；所述環形傳感頭(9)的開口兩端面經研磨拋光處理；環形傳感頭(9)開口中心角應滿足<![CDATA[ > 2- 0-arcsin ( Lcos 0 R 4 ), ]]>其中L為偏振光的入射點距環形傳感頭中心處的距離，γ0為入射光線與入射點所在圓周切線的夾角且<![CDATA[ tan 0 n0 2- n2 2 n0 , ]]>n0為環形傳感頭(9)中間均勻層折射率，n2為環形傳感頭(9)內、外表面處折射率，R4為環形傳感頭(9)的外徑，且R4小於40mm。
2. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的環形傳感 頭(9)折射率沿環形結構的軸向呈均勻分布，沿環形結構的徑向滿足當7 2 2r^A 時，折射率均勻分布；當i , 9^2時和/ "^7 4折射率呈梯度分布；/ ,為環形傳 感頭內徑且大於被測電流母線的半徑，W2 、 A分別為中間折射率均勻層與內、外 折射率梯度分布層界面處半徑，A-i ^A-i 產c， c是梯度折射率分布層的厚度。
3. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的環形傳感 頭(9)折射率沿環形結構的軸向呈均勻分布，沿環形結構的徑向滿足當《《r《/^ 時，折射率均勻分布；當A《r^^時，折射率呈梯度分布。
4. 根據權利要求2或3所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的環形 傳感頭(9)的前後兩端面被研磨拋光，光纖耦合器(4)連接在線偏振光出射端面。
5. 根據權利要求2或3所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的環形 傳感頭(9)的線偏振光出射端面鍍一層保偏反射膜，光纖耦合器(4)連接在線 偏振光入射端面。
全文摘要
本發明涉及一種自聚焦型光學電流互感器，包括光源1、準直器2、起偏器3、光纖耦合器4、單模保偏光纖5、檢偏器10和信號探測與處理系統11，其特徵在於環形傳感頭9為磁光玻璃或晶體的矩形的圓環狀，且有開口；所述環形傳感頭9的開口兩端面經研磨拋光處理；環形傳感頭9開口中心角應滿足θ＞π/2-γ0-arcsin(Lcosγ0/R4)。有益效果是由於光線在傳感頭中傳播時不與界面接觸，偏振光的光強沒有損耗，因此克服了現有光學玻璃型電流互感器中輸出光強信號弱，信噪比差的缺點；避免了現有技術中採用雙光源的做法，降低了傳感系統的成本。
文檔編號G01R15/14GK101285855SQ200810017458
公開日2008年10月15日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者洵 萬, 鵬 張, 王美蓉, 趙建林 申請人:西北工業大學