自聚焦型光學電流互感器的製作方法
2023-10-04 17:56:14
專利名稱：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。由於全反射時，反射光電矢量相對於入射光電矢量 的相應分量之間會產生附加的相位變化(簡稱反射相移，以下同)，使入射的線偏振 光變為橢圓偏振光，從而降低了測量靈敏度，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 敏度理論預期值的卯％。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。
Gongde Li等人(Sensitivity Improvement of an Optical Current Sensor with Enhanced
Faraday Rotation, Journal of Lightwave Technology, VolL. 15, No. 12， 1997)提出了—一禾中
光學玻璃型電流傳感器。該電流傳感器採用環形集磁器增大電流母線周圍磁場，並將 長方體光學玻璃放置在集磁器開口處，利用法拉第效應測量母線電流。但是，由於線偏振光在光學玻璃上下表面發生多次反射過程必然會引入反射相移，從而給測量結果 帶來了誤差。
Benshun Yi等人(New Design of Optical Electric-Current Sensor for Sensitivity Improvement, IEEE Translations on Instrumentation and Measurement, Vol. 49, No. 2， 2000)提出的一種光學玻璃型電流傳感器也採用了一個有開口的環形集磁器來增大電 流母線周圍的磁場。他們將長方體光學玻璃的前端面研磨拋光成傾角為臨界角的斜面， 後端面鍍金屬反射膜，並將其置於環形集磁器的開口處，線偏振光垂直於斜面入射， 並在光學玻璃的上下表面處發生多次臨界反射，到達玻璃後端面時，經後端面上的金 屬反射膜反射回玻璃內，再經過上下表面的多次臨界反射，最終從入射端面出射。進 而4也們(Magneto-optical electric-current sensor with enhanced sensitivity. Measurement Science and Technology, Vol. 13， 2002， N61-N63)又對上述傳感頭進行了改進。但無論 是改進前還是改進後的傳感頭，由於加工精度的限制和實際應用中光束不能嚴格垂直 於斜面入射，從而使得線偏振光在上下表面發生的反射不是嚴格的臨界反射，因此同 樣會引入反射相移並降低傳感器的靈敏度。
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 梯度折射率型磁光玻璃或晶體的自聚焦原理製作傳感頭，由於光線在到達玻璃的或晶 體上下表面之前就會發生彎曲，避免了在表面上的全反射，因而可以完全消除反射相 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、環形集磁器5、 光纖耦合器8、單模保偏光纖9、檢偏器10和信號探測與處理系統11，其特徵在於 在環形集磁器開口 7位置安放傳感頭4，所述的傳感頭採用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長方體，所述集磁器開口 7的寬度為5mm到10mm，必須大於傳感頭4的寬度。 所述的傳感頭4的寬度必須大於2c，其中c是梯度折射率層的厚度。
所述的傳感頭4的光線入射面與入射光的夾角y。應滿足tany"^-,其中
為傳感頭4中間層折射率，n2為傳感頭4上下表面處折射率。
所述的環形集磁器5的外徑小於40mm，寬度R大於等於傳感頭的長度L，其中 L小於環形集磁器5的外徑與被測電流母線半徑的差。
所述的傳感頭兩個通光面被研磨拋光成平行平面，光纖耦合器8連接在傳感頭4 位於環形集磁器5內徑的一側。
所述的傳感頭4位於環形集磁器5外徑的端面被磨平拋光，在與其平行的後端面 鍍保偏反射膜12，光纖耦合器8連接在傳感頭4位於環形集磁器5外徑的 -側。
傳感頭4根據光束自聚焦原理製作，傳感頭材料為磁光玻璃或晶體，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傳感頭材料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。
帶開口的環形集磁器5，自的是為了形成磁力線通路，使得傳感頭磁路儘量閉合 並增大磁路中的磁通量。環形集磁器的壁厚，開口大小取決於長方體型傳感頭的尺寸， 即環形集磁器開口處空間的大小要適合傳感頭放入其中。同時開口越大，開口處磁場 越小，均勻性越差。當集磁器開口寬度為5mm到10mm時，其開口處的磁場強度約 為不加集磁器母線中電流產生的磁場強度的2倍；而當集磁器開口寬度大於16mm時， 其開口處的磁場強度甚至小於不加集磁器時母線中電流產生的磁場強度。其次，集磁 器的直徑應小於80mm，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，因此如果集磁器的外徑超過這個範圍，就會導致磁場的失真， 從而降低了測量的靈敏度和穩定性。
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，但這裡對TE波和TM波的彎曲相移都是兀/2， 所以該全反射不改變線偏振光的偏振態，因此也就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，因此避免了由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， 因此也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。
圖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2是本發明自聚焦型光學電流互感器第一實施方式傳感頭折射率分布圖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4是本發明自聚焦型光學電流互感器第二實施方式傳感頭折射率分布l-光源；2-準直器；3-起偏器；4-長方體型傳感頭；5-環形集磁器；6被測電流母
線；7-環形集磁器開口； 8-光纖耦合器；9-單模保偏光纖；lO-檢偏器；11-信號探測與
處理系統；12-傳感頭；13-保偏反射膜。
具體實施例方式
現結合附圖對本發明作進一步描述
實施例l:參閱附圖K圖2，包括光源l，準直器2，起偏器3，長方體型傳感
頭4，環形集磁器5，被測電流母線6，光纖耦合器8，單模保偏光纖9，檢偏器IO，
信號探測與處理系統11。 所述光源l為氦氖雷射器。
所述準直器2用於將光源出射的光束轉變為平行光束。 所述起偏器3的作用是將準直器出射的光束轉變成線偏振光。所述環形集磁器5可以為具有很高磁導率和很小矯頑力的軟磁材料，其外徑為
30mm。它的作用是形成磁力線通路，並增大磁路中的磁通量。 所述光纖耦合器8作用是將光束耦合進入光纖。
所述單模保偏光纖9的作用是保持光纖中攜帶信息的線偏振光的偏振態不變，以供 檢偏器檢測。
所述檢偏器10用於檢測從傳感頭出射的線偏振光偏振面的變化。 所述信號探測與處理系統ll的作用是將探測到的光信號轉換成電信號並進行信號 解調。
所述長方體型傳感頭4置於所述環形集磁器5的開口7處，集磁器開口7的寬度為 7mm。
該長方體型傳感頭4採用塊狀磁光材料製成，該材料的梯度折射率層的厚度c為 lmm，則傳感頭4的寬度為5mm。該傳感頭的兩個通光面被分別磨平拋光成平行平面， 使得光束可以從這兩個通光面入射和出射，光纖耦合器8連接在傳感頭4位於環形集磁 器5內徑的一側。所述塊狀磁光材料採用離子交換等方式使得其折射率呈梯度分布。這 裡以折射率成平方率漸變分布為例加以說明。在塊狀磁光材料的上下表面同時進行離 子交換，在離子交換層，磁光材料的折射率成平方率漸變分布，在沒有進行離子交換 的中間層，其折射率仍是均勻分布的，最終折射率在;coz平面內的分布滿足
"2(x) = w02[l — d2(x±6)2] x《6或x2—6
W2 (X) = W0 -6《X s 6
式中"O為中間均勻層的折射率，"A2—"22 ，&為傳感頭上下表面處的折射率，C
n。c
為折射率漸變層的厚度，如圖1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
,、tan丌o w tfe 、 <icos ;k。
式中y。為光線與z軸的夾角。由此可知，光線在介質中按正弦型路徑傳播，其傳播周從所述光源1發出的光束傳輸至準直器2後變成平行光，經起偏器3後轉變成線 偏振光，再以一定角度經長方體型傳感頭4的一個端面入射。進入傳感頭4的入射光， 在傳感頭折射率漸變層中以正弦型路徑向前傳播，但在均勻層中仍以直線傳播，這樣 便可以以相同的角度再次折射進入漸變折射率層。如此周期性傳播，最終從傳感頭的 另一端面出射。經光纖耦合器8耦合至單模保偏光纖9，由檢偏器10檢測其偏振面的 變化，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。
由於所述傳感頭中磁場方向垂直於所述正弦型傳播路徑的軸線方向。因此，該光
學電流互感器的有效光程為周期性曲線軌跡幅值的4M倍，M是光線在該傳感頭中傳
播的周期數。通過計算可以求出周期r、r + 46^&。設該傳感頭在光線傳播方向上
的長度為丄，則光線在其中傳播的周期數
"Z Z * J * tan yn
M =~T = -^-
T2冗sin ;k0 + 4必cos /。
於是，平行於磁場方向的有效光程為
丄'=4M * (i + W = "^(Sin y。 +必COS & )
cos2 y0(2;rsin;k0十4^cos;k。)
由上式可以看出，增大入射角％可以增大有效光程。同時，入射角外受到傳感頭
尺寸和折射率不均勻程度等的限制。計算得出入射角％應滿足
tan y0《~^-
實施例2:參閱附圖2，包括光源l，準直器2，起偏器3，環形集磁器5，傳感頭4， 檢偏器10，光纖耦合器8，單模保偏光纖9，保偏反射膜13，信號探測與處理系統ll。 所述光源1為半導體雷射泵浦的固體雷射器。
本實施例所述的傳感頭4在上一個實施例的一種改進，即將方形傳感頭4的前端 面被磨平拋光，在與其平行的後端面鍍保偏反射膜12，光纖耦合器8連接在傳感頭4 位於環形集磁器5外徑的一側。從所述光源1發出的光束經過準直器2後變成平行光， 經起偏器3後轉變成線偏振光，再進入所述傳感頭4。入射光以一定角度入射到傳感頭4的前端面，入射光束在傳感頭4的折射率漸變層中以正弦型路徑向前傳播，在折
射率均勻層中仍沿直線傳播。如此周期性傳播，最終在鍍有保偏反射膜12的後端面發
生反射，反射線偏振光在傳感頭中以相同的方式傳播，最終從原入射端面出射。經光
纖耦合器8耦合至單模保偏光纖9，由檢偏器10檢測其偏振面的變化，最後輸出至信 號探測與處理系統H進行光電轉換和信號解調。
實施例2與實施例1的區別在於實施例2中傳感頭4的後端面鍍保偏反射膜12。 線偏振光在所述傳感頭4中來回兩次傳播，有效光程加倍。由於入射光和出射光在所 述傳感頭4的同一側，並且在空間上是相互分離的，因此可以減小傳感頭的總體尺寸。 但是該傳感頭中由於引入反射結構可能會對傳感器性能產生一定影響。
本發明自聚焦型光學電流互感器利用自聚焦原理提出了兩種光學電流互感器結 構，所述兩種結構均克服了現有光學玻璃型電流互感器因傳感頭不可避免的反射相移 而降低了系統抗幹擾能力和穩定性的缺點。由於線偏振光在傳感頭中沿曲線軌跡周期 性向前傳播，避免了與空氣和傳感頭界面的接觸，消除了全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。此外，所述實施例2中的長方體型傳感頭 較實施例1中的長方體型傳感頭而言，有效光程加倍，並且可以減小傳感頭的總體尺 寸。
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)、環形集磁器(5)、光纖耦合器(8)、單模保偏光纖(9)、檢偏器(10)和信號探測與處理系統(11)，其特徵在於在環形集磁器開口(7)位置安放傳感頭(4，所述的傳感頭(4)採用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長方體，所述集磁器開口(7)的寬度為5mm到10mm，必須大於傳感頭(4)的寬度。
2. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的傳感頭(4) 的寬度必須大於2c，其中c是梯度折射率層的厚度。
3. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的傳感頭(4)的光線入射面與入射光的夾角;V應滿足ta"o^"。2-,其中"。為傳感頭(4)中間層折射率，W為傳感頭(4)上下表面處折射率。
4. 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集磁器(5)的外徑小於40miii，寬度R大於等於傳感頭的長度L，其中L小於環形集 磁器(5)的外徑與被測電流母線半徑的差。
5. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的傳感頭(4) 兩個通光面被研磨拋光成平行平面，光纖耦合器(8)連接在傳感頭(4)位於環 形集磁器(5)內徑的一側。
6. 根據權利要求1所述的自聚焦型光學電流互感器，其特徵在於所述的傳感頭4 位於環形集磁器5外徑的端面被磨平拋光，在與其平行的後端面鍍保偏反射膜12， 光纖耦合器8連接在傳感頭4位於環形集磁器5外徑的一側。
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、環形集磁器5、光纖耦合器8、單模保偏光纖9、檢偏器10和信號探測與處理系統11，其特徵在於在環形集磁器開口7位置安放傳感頭4，所述的傳感頭採用磁光玻璃或晶體，加工型狀為長方體，所述集磁器開口7的寬度為5mm到10mm，必須大於傳感頭4的寬度。有益效果是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，因此也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G01R15/14GK101285854SQ20081001745
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