三相光纖電子互感器的製作方法
2023-04-30 20:44:36
專利名稱：三相光纖電子互感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傳感裝置，特別是一種三相光纖電子互感器。
背景技術：
光纖傳感器是一種新型傳感器，其具有良好的絕緣性能、動態測量範圍大、 易於與數字系統接口等優點，因而應用前景十分廣闊。光纖環形腔衰蕩光語技 術是一種新的用於光纖傳感器的技術原理，將光纖的法拉第效應轉變為光纖環 形腔中的脈沖衰蕩譜，工作原理是將脈衝光波入射到光纖環形腔中，入射的光 波可沿著環形腔繞行很多圈，每轉一圏都有極小部分光通過一光纖耦合器輸出 到光電探測器中，其餘的光仍繼續在光纖中傳輸，由於光纖的光纖自身和耦合 器的損耗，還有傳感頭附加的損耗，光的強度隨著時間不斷減小，形成衰蕩曲 線，通過計算衰蕩時間便可知道電流的大小。
光纖傳感器包括有第一光源、由第一耦合器、第二耦合器和電子傳感頭組 成的環形腔以及光電探測器。第一光源連接到第一耦合器的一輸入端，第二耦 合器的 一輸出端連接到光電檢測器的輸入端。電子傳感頭連接待測的設備或導 線。第一耦合器用於將光源引入環形腔，並依序沿著電子傳感頭及第二耦合器 進行傳播，最後返回第一耦合器，形成環形循環傳播。第二耦合器用於輸出環 形腔中經傳感頭影響後光波中的極小部分光，光電探測器則是將接收到的光信 號轉換為電信號，以便於後續的數據處理。然而現有的電力設備、電網等都三 相電，在進行測量時也需要對三相的電參數都進行測量，採用上述光纖傳感器 時，需要同時採用三套設備對三相的電參數進行測量，不但費時費力，同時由 於採用了不同的三套設備，必然產生儀器誤差，對測量的精確度產生較大影響。
發明內容本實用新型的目的在於根據現有技術的不足之處而提供一種可同時測量三 相電參數的三相光纖電子互感器。
本實用新型是通過以下途徑來實現的
三相光纖電子互感器，包括有第一光源和光電探測器，其結構要點在於， 還包括有三個依序由第一耦合器、第二耦合器和電子傳感頭組成的環形腔，一 種具有一個輸入端、三個輸出端的一分三耦合器， 一種具有三個輸入端、 一個 輸出端的三合一耦合器， 一種由設定長度光纖組成的光纖延時器，第一光源的 光波輸出端連接到一分三耦合器的輸入端，該一分三耦合器的三個輸出端分別 連接到三個環形腔的第一耦合器輸入端上，每個環形腔中的第二耦合器的一輸 出端連接到三合一耦合器的三個輸入端上，該三合一耦合器的輸出端連接光電 探測器；在三個環形腔的第 一耦合器輸入端前或者第二耦合器的輸出端後串接 有光纖延時器，每個環形腔所串接的光纖延時器的長度呈規律遞增或遞減。
上述的光纖延時器長度呈規律遞增或遞減是指，所連接的三個光纖延時器 長度是不相同的，例如A相、B相、C相所連接的光纖延時器依次遞增，從長 到短規律變化的，這樣可以方便光電探測器對信號的接收和轉換。由於光波的 傳播時間與速度和距離有關係，距離越長，則需要的傳播時間越多，因此越長 的光纖將會導致在其中的光波傳播時間加長，本發明就是依據這原理，將一定 長度的光纖進行製作，形成光纖延時器，不同長度的光纖延時器分別安裝在三 相測量光路中。這樣，在對三相電進行測量時，每相中進行檢測的光纖長度也 不一樣，光波到達光電探測器的時間也就不同，形成三個時間差，即同時輸入， 但會在三個不同的時間分別輸出三相的測量光波，光電探測器可以根據三相測 量光波到達的時間計算出每相所感應的電流大小。
一分三耦合器和三合一耦合器是一種現有技術，本領域技術人員也有試過 將該耦合器用於測量三相電的光纖傳感器中，但是無法解決的問題是三路的 光纖信號不分前後，基本是在同一時間到達光電探測器，光電探測器難以區分 三路信號，也無法給出具體的信號值，因此本領域的技術人員便捨棄了該技術， 也由此產生了技術偏見，認為該技術問題是無法解決的技術難題。本發明的技術人員克服該技術難題，採用了光纖延時器來對三路信號進行分時發送，在光 纖延時器的作用下，三路信號將會根據光纖延時器的長度大小形成的信號傳輸 時間差，依序將信號送達光電探測器，這樣，光電探測器就可以區分三路探測
信號，也就可以根據信號具體計算電流值，達到了很好的技術效果即只需要 一套光纖電子互感器便可實現對三相電的電參數測量，測量簡單、方便，由於 採用同一光源和同一技術分析器(即光電探測器)，也避免了測量的儀器誤差， 精確了測量值。
本實用新型可以進一步具體為
光纖延時器由設定長度的光纖構成，光纖圍繞成圈狀，構成光纖延時器。
由於光纖延時器主要是由具有一定長度的光纖構成，其可以釆用多種形式 進行擺;改，壓縮其安置的空間，除了上述所說的，還可以將光纖壓縮在某一具 有內腔的設備中，或者是採用附加裝置對該光纖進行安置。
光纖延時器的長度小於環形腔長度，大於單個光脈衝時間寬度內脈沖所走 的距離。具體可以做如下選擇可以三相中，每相都串接一個光纖，但第一相 是沒有時間差比較的，因此可以不用串接光纖延時器，這樣延時器三相中第一 相不串接光纖延時器，第二相和第三相分別串接一個
第二相中的光纖延遲器長度選擇是小於1/2的環形腔長度減去1/2的單個光
脈衝時間寬度，脈衝所走的距離。
第三相中的光纖延時器長度選擇是小於環形腔腔長減去1/2的單個光脈衝 時間寬度，脈衝所走的距離。
還包括有第二光源、波分復用器和第二波分解復用器，第一光源和第二光 源的光波輸出端通過波分復用器連接到一分三耦合器的輸入端，第一波分解復 用器的輸入端連接三合一耦合器的光波輸出端，第二波分解復用器的輸出端則 連接光電探測器。
第二光源用於提供環形腔中的參考光源，這樣可以在計算中抵消環境、特 別是溫度對環形腔中傳播的光波的影響，提高計算的精確度。波分復用器是一 種將兩種不同波長的光波進行整合，形成一種組合光波， 一分三耦合器則是將該組合光波分成三路傳播出去。第二波分解復用器是相對波分復用器而設置的， 用於分解即將要計算的組合光波，使之還原為兩束不同的波長的光波。
光電探測器包括有第一光電探測器和第二光電探測器，二者分別接收第二 波分解復用器的兩輸出光波。
考慮到雙光波在同一環形腔內同時進行循環傳播時，會發生光幹涉現象， 可能導致參考光輸出不穩定，從而影響測量結果不夠精確，本實用新型採用如
下途徑解決
環形腔還包括有第一波分解復用器，其具有一個輸入端和兩個輸出端，輸 入端連接第二耦合器的輸出端，兩個輸出端之一連接第一耦合器的一輸入端， 另一輸出端為光波引出端。
如上所述，第一波分解復用器接收來自第二耦合器的組合光波後，將其進 行分解，還原為兩束光波一測量光和參考光，其中測量光繼續傳輸到第一耦合 器，使其繼續沿著環形腔循環傳播，另外的參考光則沿著光波引出端引出環形 腔，不再進行循環傳播。這樣將保持只有測量光波在環形腔內循環，參考光波 在經過電子傳感頭和第二耦合器採集信號後即通過第一波分解復用器引出環形 腔，這樣既引用了參考光源，消除了溫度對傳播光波的影響，因此該電子互感 器測量精確，穩定。
本實用新型可以進一步具體為
第一光源輸出檢測光波，為一種脈衝光源，第二光源輸出參考光波，為一 種連續光波，兩光波為不同光波，波長相差為相對長的長波波長的1%~10%。
作為優選，該兩種光源所輸出的光波波長相近，兩光波的波長相差越小越 好。光波波長相近將有利於各個設備，如耦合器、波分解復用器和波分復用器 對光波的處理，如波分解復用器對光波的分解將更為徹底。
第 一耦合器和第二耦合器均為 一種光纖耦合器。
的一種節點設備，如同電路中的節點，作為光流的合併輸入節點或者分路傳輸 節點，與波分復用器或波分解復用器不同的是，光纖耦合器是用於合併和分解同一波長的光波，類似物理分解，而波分復用器和波分解復用器則是用於合併 和分解不同波長的光波，類似化學分解。
電子傳感頭由光纖和被測電氣設備的電導體組成，光纖以靠觸或纏繞在電 導體上實現二者的感應連接。
靠觸或纏繞在電導體上的光纖表面上鍍有一層超磁致伸縮材料。
具有超磁致伸縮材料層的光纖具有更好的技術效果超磁致伸縮材料在受 到磁場作用時，其形態參數發生相應作用，這樣將引起光纖環形腔的衰減係數 的變化，即引起了光脈衝衰蕩時間的變化，通過測量光脈衝的衰蕩時間即可測 量得到電流值，使測量更為精準、正確。採用超磁致伸縮材料也將使光纖電子 傳感頭的構造變得更簡單，由於磁致伸縮材料的效應，使得該傳感頭不需要採 用複雜的結構就可以準確獲得感應參數，大大減小了傳感頭的體積與重量。
綜上所述，本實用新型的優點在於，提供了一種三相光纖電子互感器，其 採用了光纖延時器，改變了三相測量光路中光的傳播時間，使其在不同時間到 達光電探測器，光電探測器根據不同相測量光路中光波到達時間的規律便可計 算出三相電參數值，這樣只需要一套三相光纖電子互感器便可實現對三相電的 電流、電壓等電參數測量，測量簡單、方便，由於採用同一光源和同一技術分 析器(即光電探測器)，也避免了測量的儀器誤差，可以得到同步的精確測量值。
圖1所示為本實用新型所述三相光纖電子互感器的電路構架原理示意圖; 圖中實線表示檢測光的流向圖，空心線表示參考光的流向圖，實心線和空心線 交疊表示經由波分復用器組合的光波。
下面結合實施例對本實用新型做進一步描述。
具體實施例
最佳實施例
參照附圖1,三相光纖電子互感器，包括如下部件(以下未標明數目的均為一個i殳備)
1、 第一光源和第二光源，均為1550nm附近半導體雷射器，也可以選擇 850nm附近半導體雷射器，選擇1550nm的半導體雷射器更好些，1550nm 是通信波長，技術成熟，器件比較多，性能也比較穩定，更重要的是可 以採用單模光纖作為傳輸線路，比較穩定，損耗比較小；第一光源輸出 的是脈衝光波，為檢測光波，第二光源輸出的是連續光波，為參考光波， 二者採用波長相近的光波，分別為1480nm波長與1550nm波長的近紅 外光，波長相差70，為相對長光波——波長為1550nm光波的4.5%;
2、 第一耦合器3個、第二耦合器3個， 一分三耦合器和三合一耦合器，均 為光纖傳感器，為1: 99的分光比，接口類型為FC/APC，第一耦合器 是一種二乘一光纖耦合器，具有兩個輸入端和一個輸出端，第二耦合器 是一種一乘二光纖耦合器，具有一個輸入端和兩個輸出端； 一分三耦合 器是一種一乘三耦合器，具有一個輸入端和三個輸出端，三合一耦合器 是一種三乘一耦合器，具有三個輸入端和一個輸出端；以上光纖耦合器 作為光路的一種節點，用於合併和分路光波傳輸；
3、 波分復用器、第一波分解復用器和第二波分解復用器3個，均為接口類 型為FC/APC ，1480nm與1550nm雙波長的波分復用器/波分解復用器，
, 上述設備是用於合併或者分解光波，波分復用器將二種光波合併成為組 合光波，波分解復用器將組合光波還原為兩種光波，分別輸出；
4、 電子傳感器3個，可以感應多種電參數，如電壓、電流等，由光纖和^皮 測電氣設備的電導體組成，光纖以靠觸或纏繞在電導體上實現二者的感 應連接，同時靠觸或纏繞在電導體上的光纖表面上鍍有一層超磁致伸縮 材料；
5、 第一光電探測器和第二光電探測器，採用APD類型的光電探測器，將檢 測到的光信號轉換為數字電信號；
.6、數據處理裝置，採用PC計算機或者單片機，用於計算檢測信號，並計 算出最終的電參數結果；7、 光纖，傳輸導體，單模光纖，相對多模光纖穩定，損耗小。
8、 光纖延時器2個，光纖圍繞成圏狀，構成光纖延時器；分別串接在第二 相和第三相。當三個光纖環形腔長度相同，環形腔長度應該選擇小於激 光器脈沖間隔脈沖光所走的距離，大於單個脈沖時間寬度內光脈衝所走 的距離。那麼兩個光纖延時器的長度分別是第二相中的光纖延遲器長 度選擇大於單個脈衝時間寬度內光脈衝所走的距離，小於環形腔長度減 去2倍單個脈衝時間寬度內光脈衝所走的距離；第三相中的光纖延時器 長度選擇大於2倍單個脈衝時間寬度內光脈沖所走的距離，小於環形腔 長度減去單個脈衝時間寬度內光脈沖所走的距離；第二相中的光纖延時 器比第三相中的光纖延時器要長單個脈衝時間寬度內光脈衝所走的距 離。
第一耦合器、電子傳感頭、第二耦合器和第一波分解復用器依序傳輸連接， 即前一個設備的輸出端連接後一設備的輸入端，最後以第一波分解復用器的一 輸出端連接到第 一耦合器的 一輸入端從而組成一 閉合光纖環形腔， 一共有三個 閉合光纖環形腔，第一波分解復用器的另一輸出端為光波引出端。第一光源和 第二光源的輸出端分別與波分復用器的兩輸入端連接，波分復用器的輸出端通 過一分三耦合器分別連接到每個閉合光纖環形腔的第一耦合器的另一輸入端； 每個光纖環形腔中的第二耦合器的另 一輸出端分別連接到三合一耦合器的三個 輸入端，三合一輛合器的輸出端與第二波分解復用器的輸入端連接，第二波分 解復用器的兩輸出端分別連接第 一光電探測器和第二光電探測器，該第 一光電 探測器和第二光電探測器的輸出端分別連接到數據處理裝置上。
在光纖延時器的作用下，三相輸出的信號將循環並依次進入第二波分解復用 器，第二相的輸出信號在第一相後，第三相在第二相後，隨後第一相的第二次 信號又在第三相的第一次信號之後，周而復始，依次循環，從而方便同時檢測 出三相線路上的電參數。
本實用新型未述部分與現有技術相同。
權利要求1、三相光纖電子互感器，包括有第一光源和光電探測器，其特徵在於，還包括有三個依序由第一耦合器、第二耦合器和電子傳感頭組成的環形腔，一種具有一個輸入端、三個輸出端的一分三耦合器，一種具有三個輸入端、一個輸出端的三合一耦合器，一種由設定長度光纖組成的光纖延時器，第一光源的光波輸出端連接到一分三耦合器的輸入端，該一分三耦合器的三個輸出端分別連接到三個環形腔的第一耦合器輸入端上，每個環形腔中的第二耦合器的一輸出端連接到三合一耦合器的三個輸入端上，該三合一耦合器的輸出端連接光電探測器；在三個環形腔的第一耦合器輸入端前或者第二耦合器的輸出端後串接有光纖延時器，每個環形腔所串接的光纖延時器的長度呈規律遞增或遞減。
2、 根據權利要求1所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，光纖延時器由 設定長度的光纖構成，光纖圍繞成圏狀，構成光纖延時器。
3、 根據權利要求1所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，光纖延時器的 長度小於環形腔長度，大於單個光脈衝時間寬度內脈衝所走的距離。
4、 根據權利要求1所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，還包括有第二 光源、波分復用器和第二波分解復用器，第一光源和第二光源的光波輸出 端通過 波分復用器連接到一分三耦合器的輸入端，第二波分解復用器的輸 入端連接三合一耦合器的光波輸出端，第二波分解復用器的輸出端則連接 光電探測器。
5、 根據權利要求4所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，光電探測器包 括有第一光電探測器和第二光電探測器，二者分別接收第二波分解復用器 的兩輸出光波。
6、 根據權利要求4所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，環形腔還包括 有第一波分解復用器，其具有一個輸入端和兩個輸出端，輸入端連接第二 耦合器的輸出端，兩個輸出端之一連接第一耦合器的一輸入端，另一輸出 端為光波引出端。
7、 根據權利要求4所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，第一光源輸出 檢測光波，為一種脈衝光源，第二光源輸出參考光波，為一種連續光波， 兩光波波長相差為相對長的長波波長的1% 10%。
8、 根據權利要求l所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，第一耦合器和 第二耦合器均為 一種光纖耦合器。
9、 根據權利要求1所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，電子傳感頭由 光纖和被測電氣設備的電導體組成，光纖以靠觸或纏繞在電導體上實現二 者的感應連接。
10、 根據權利要求9所述的三相光纖電子互感器，其特徵在於，靠觸或纏繞在 電導體上的光纖表面上鍍有一層超》茲致伸縮材料。
專利摘要本實用新型涉及一種傳感裝置，特別是一種三相光纖電子互感器。本實用新型的優點在於，提供了一種三相光纖電子互感器，其採用了光纖延時器，改變了三相測量光路中光的傳播時間，使其在不同時間到達光電探測器，光電探測器根據不同相測量光路中光波到達時間的規律便可計算出三相電參數值，這樣只需要一套三相光纖電子互感器便可實現對三相電的電流、電壓等電參數測量，測量簡單、方便，由於採用同一光源和同一技術分析器(即光電探測器)，也避免了測量的儀器誤差，可以得到同步的精確測量值。
文檔編號G01R19/00GK201229372SQ20082010275
公開日2009年4月29日 申請日期2008年6月23日 優先權日2008年6月23日
發明者張榕林, 李高明, 邱怡申, 強 陳, 陳曉如, 陳曦曜 申請人:福建省電力試驗研究院;福建師範大學;福建省電力試驗研究院勞動服務公司