一種光纖電流互感器光學結構的製作方法
2023-10-30 00:31:03
本發明涉及光纖傳感技術領域，特別是一種光纖電流互感器光學結構。
背景技術：
基於法拉第效應的全光纖電流互感器因其原理優勢，被公認為是傳統電磁感應式電流互感器的替代品。與傳統的電磁式互感器相比，光纖電流互感器具有如下優勢：
安全優勢：絕緣結構簡單，綠色環保、無爆炸、無油氣、無SF6、無二次開路危險；
成本優勢：220kV以上時，採用光纖，大幅降低絕緣成本；
性能優勢：體積小，重量輕；動態範圍大，可測交流/直流，無磁飽和，頻帶響應寬，抗幹擾能力強，適合數位化輸出；
適應國家智能電網發展規劃要求。
目前常用的2種光纖電流互感器光路結構方案：
1.採用集成光學多功能調製器MIOC為核心的Sagnac幹涉型光學結構，其基於Sagnac幹涉儀的光纖陀螺工作原理，理論成熟，但是其光學結構插入損耗大，溫度、振動等環境因素會影響系統性能。
2.採用相位調製器作為偏振方向旋轉開關的光學結構，其光學結構插入損耗小，溫度、振動等環境因素基本不影響系統性能，但是其是基於相位調製器作為的偏振方向旋轉開關的工作原理為理論基礎的工作機理，尚不能被廣泛理解。因此，目前採用本方案光路結構的機構雖然很多，但是系統性能仍然不如採用MIOC調製器的系統性能。
對於基於採用MIOC調製器方案的電流互感器，由於同時採用傳統光纖耦合器的系統插入損耗仍然相對較大，可達>20dB以上，因此有採用光纖環形器替代與光源連接的傳統光纖耦合器，也有同時採用偏振分/合束器，代替與MIOC連接的傳統光纖耦合器的方案。參見如下電流互感器專利：
這些結構的優點：採用光纖環形器可以降低系統插入損耗5～6dB，採用偏振分/合束器也可以降低系統插入損耗5～6dB，此外，還可以優化MIOC的檢偏功能3dB，二者組合可以降低系統插入損耗13～15dB，從而提高輸出光功率20～30倍。理論上，根據最小測量電流與光功率的平方根成正比，這種方案可以提高最小測量電流精度～5倍。
然而，光纖電流互感器傳感系統必須符合以下要求：
1.光源必須是寬帶光源；2.系統需要保偏光纖儀保持光波的偏振特性；3.系統傳輸的光功率必須穩定；4.組裝工藝需要適應批量化的規模生產。
因此，採用上述2種方案的光纖電流互感器存在不可克服的弱點：
1.光纖環形器存在弱點：由於工作機理限制，存在較大的波長相關損耗(WDL)，偏振相關損耗(PDL)，溫度相關損耗(TDL)，以及各種損耗交叉影響，反而會大幅度降低系統的其他性能，如系統的線性以及系統的測量誤差，所以商業系統中寧願採用傳統的光纖耦合器，而不採用光纖環形器；
2.偏振分/合束器存在弱點：工作機理：基於光波在雙折射晶體中傳播，偏離光軸方向傳播，o光和e光走離，從而實現2偏振光束分開；或者採用格蘭稜鏡、沃拉斯頓稜鏡，偏振分束稜鏡等實現2偏振光束分開。由於體積限制，商業的偏振分束器大多採用雙折射晶體方案，由於光波傳播限制，2偏振態光束在空間分離部分仍然有部分重疊，從而大幅降低性能，特別是用於模擬的光纖傳感系統。此外，理論方面，光路不能滿足Sagnac效應在物理學觀念上的互易原則，從而會降低溫度、振動相關的性能；所以商業系統中寧願採用傳統的光纖耦合器，也不採用光纖偏振分/合束器；
與光纖環形器、偏振分/合束器相比，採用傳統的光纖耦合器，包括保偏光纖耦合器，能夠獲得相對較好的WDL，PDL，TDL，以及滿足Sagnac效應物理學客觀規律的互易性，所以是傳統方案的最佳選擇。
然而，傳統方案所製作的保偏光纖耦合器也具有各種不可克服的弱點。由於必須採用匹配型保偏光纖，與常規的保偏光纖應力區域不兼容，保偏光纖熔接機幾乎不能正確識別匹配型保偏光纖的應力軸，無論0度對準熔接，還是90度對準熔接，均會大幅度增加光路熔接的複雜程度，降低系統性能。除此之外，還具有普通單模耦合器具有的各種弱點，如與專利的保偏光纖分束器相比，具有較差的波長相關損耗WDL，溫度相關損耗TDL，很差的偏振相關損耗PDL，以及較差的長期可靠性等。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足,本發明提供了一種光纖電流互感器光學結構，解決了現有保偏光纖耦合器存在的必須採用匹配型保偏光纖，光路熔接複雜程度高及長期可靠性差等問題。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
本發明提供一種光纖電流互感器光學結構，包括光源和MIOC調製器，其特徵在於，還包括第一保偏光纖分束器和第二保偏光纖分束器，所述光源與第一保偏光纖分束器的下輸入尾纖相連，第一保偏光纖分束器的上輸出尾纖和下輸出尾纖分別與MIOC調製器和探測器相連，探測器連接信號處理單元；MIOC調製器的上分支輸出尾纖和下分支輸出尾纖分別與與第二保偏光纖分束器的下輸入尾纖和下輸出尾纖相連接，第二保偏光纖分束器的上輸出尾纖與保偏光纖相連，保偏光纖依次連接有λ/4波片、傳感光纖及反射鏡。
優選的，所述第一保偏光纖分束器及第二保偏光纖分束器的應力軸均為0度對準，MIOC調製器的上分支輸出尾纖與第二保偏光纖分束器的下輸入尾纖0度熔接，下分支輸出尾纖與第二保偏光纖分束器的下輸出尾纖90度熔接。
優選的，所述第一保偏光纖分束器的應力軸為0度對準，第二保偏光纖分束器的應力軸為90度對準，MIOC調製器的上分支輸出尾纖和下分支輸出尾纖分別與與第二保偏光纖分束器的下輸入尾纖和下輸出尾纖0度熔接。
本發明的積極效果：
1.克服了採用傳統保偏光纖耦合器存在的具有較大偏振相關損耗PDL的弱點，可以提高系統的最小測量電流精度(3～5倍)；
2.克服了採用傳統光纖耦合器存在的波長相關損耗WDL、溫度相關損耗TDL的弱點，由於該光學結構基於Sagnac效應的光纖陀螺機理，基於光纖陀螺理論，可以提高系統測量的線性到十萬分之一(100ppm；
3.此外，第2個保偏光纖分束器巧妙地解決了偏振合束問題，而採用傳統的保偏光纖耦合器，會引入較大的偏振相關損耗，劣化系統的性能。採用偏振分束器，不能滿足系統的互易原則。
4.光路組裝工藝簡單，保偏光纖熔接機幾乎不能識別用於保偏光纖耦合器的匹配型保偏光纖，使得光路熔接失敗，保偏光纖分束器的光纖類型與光源、調製器相同，不會存在這種問題；
5.大幅提高系統可靠性，包括器件可靠性，以及光路熔接的可靠性。
附圖說明
圖1是本發明實施例1的結構示意圖；
圖2是本發明實施例2的結構示意圖；
圖3是本發明所述保偏光纖分束器的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明。
實施例1
參照圖1和圖3，本發明優選實施例1提供一種光纖電流互感器光學結構，包括光源和MIOC調製器2，其特徵在於，還包括第一保偏光纖分束器1和第二保偏光纖分束器3，所述光源與第一保偏光纖分束器1的下輸入尾纖相連，第一保偏光纖分束器1的上輸出尾纖和下輸出尾纖分別與MIOC調製器2和探測器相連，探測器連接信號處理單元；MIOC調製器的上分支輸出尾纖和下分支輸出尾纖分別與與第二保偏光纖分束器3的下輸入尾纖和下輸出尾纖相連接，第二保偏光纖分束器3的上輸出尾纖與保偏光纖4相連，保偏光纖4依次連接有1/4λ波片、傳感光纖5及反射鏡6。
其中所述第一保偏光纖分束器1及第二保偏光纖分束器3的應力軸均為0度對準，MIOC調製器的上分支輸出尾纖與第二保偏光纖分束器3的下輸入尾纖0度熔接，下分支輸出尾纖與第二保偏光纖分束 器3的下輸出尾纖90度熔接。
優選的，所述保偏光纖分束器的結構如圖3所示，包括設置在中間位置的兩端開口的粗玻璃管9，粗玻璃管9內左右兩側分別設置有透鏡12，粗玻璃管9左右兩端通過膠分別固定連接有細玻璃管10，細玻璃管10內通過膠固定套接有玻璃毛細管11，所述玻璃毛細管11軸向中心處設有光纖固定孔；左右兩側的光纖固定孔內分別用膠固定有定好軸的雙光纖尾纖13，其中雙光纖尾纖13的應力軸對準角度可以根據實際情況選擇任意角度，左右兩端的雙光纖尾纖的定軸方式可以相同也可以不同。
本實施例的光學結構，光源發出的光經過第一保偏光纖分束器後，經Y分支波導調製器起偏、分束後變成平行的兩個線偏振光；上分支的線偏振光與保偏光纖分束器0°熔接，下分支的線偏振光與保偏光纖分束器90°熔接；兩偏振光波經過第二保偏光纖分束器後，變成一對正交模式合束；而後經過傳送光纖進入到λ/4波片之後，分別變成左旋和右旋圓偏振光；進入傳感光纖中，由於法拉第效應，通電導體產生的磁場引起光波偏振面的旋轉，經反射鏡反射之後，左旋變成右旋，右旋變成左旋，並再次返回傳感光纖，法拉第效應引起偏轉面旋轉同向翻倍；再次經過λ/4波片，圓偏振光轉換為線偏振光，同時將法拉第效應引起的偏振旋轉，轉變為兩正交線偏振光的固有相位差；而後經過第二保偏分束器的分束，下分支的線偏振光再次經過90°焊點導致偏振面的變換為相同方向偏振光；再次經過MIOC調製器的起偏作用，變成兩束帶有相移信息的線偏振光在Y分支波導合束處光產生幹涉，由探測器進行光電轉換，由信號處理後得到相移量的大小，最終解調出對應的待測電流值。
實施例2
參照圖2，本發明優選實施例2提供一種光纖電流互感器光學結構，與實施例不同的是，本實施例的第一保偏光纖分束器1的應力軸 為0度對準，第二保偏光纖分束器8的應力軸為90度對準，MIOC調製器的上分支輸出尾纖和下分支輸出尾纖分別與與第二保偏光纖分束器8的下輸入尾纖和下輸出尾纖0度熔接。
本實施例與實施例1的差異在於90度對準在保偏光纖分束器內部進行，光纖熔接僅採用0°對準方式，提高對準精度，從而提高系統性能，同時簡化了操作工藝。
以上所述的僅為本發明的優選實施例，所應理解的是，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的思想和原則之內所做的任何修改、等同替換等等，均應包含在本發明的保護範圍之內。