CN103197119B - 基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器。它包括宽带光源、光纤起偏器、光纤耦合器、法拉第磁光调制器、“圆”保偏传输光缆、传感光纤环、光电探测器和信号处理单元。非互易的磁光调制避免了大量保偏延迟线的使用，同时可降低调制速度；“圆”保偏传输光纤的使用既能很好的控制光的偏振态，又不需要在焊接时进行偏振主轴的对准。本发明可大大降低干涉型光纤电流传感器有源调制方案的技术难度。

Description

基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器

技术领域

本发明涉及一种新型的光纤电流传感器，具体的说，是一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器。

背景技术

电流传感器是电力***中进行电能计量和继电保护的重要设备，随着电力工业的发展，电压运行等级越来越高，传统的电磁式电流互感器在绝缘上遇到了极大的困难。利用光纤制成的电流互感器在绝缘上具有天然的优势，还具有抗电磁干扰、测量频带宽、可实现数字化输出等优点，是未来电流传感器发展的趋势。

光纤电流传感的基本原理是法拉第磁光效应，即当施加外加磁场时，传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比，因此可通过测量偏振光在磁场中的角度变化来得到被测电流的大小，但是由于该角度很小，电流测量的灵敏度和精度都不高。1996年，J.N.Blake首先借鉴干涉式光纤陀螺的结构，提出了萨格奈克干涉型光纤电流传感器的方案（US5644397），将偏振角度变化的检测转变为两干涉光路相位差变化的检测，提高了光纤电流传感器测量的灵敏度和稳定性。

关于干涉型电流传感器的相位偏置，目前常用的做法有无源偏置和有源调制两种。无源偏置是利用无源光器件对两干涉光路施加一个固定的相位差（见专利CN101320055和WO2007033057等），无源偏置的电流传感器由于电流信号和光强信号无法分离，所以准确性和稳定性指标很难提高。有源调制是利用电光相位调制器，保偏光纤延迟线和调制信号发生器组成的相位调制***对两束干涉光在相同的时间施加不同的相位调制（见专利US6188811B1，US6636321等），其基本结构参见图1，其中（a）为环路式，（b）为反射式。由于光速极快，这种调制方式需要很长的保偏光纤延迟线和很高的调制频率，技术难度大，成本较高。另外保偏光纤延迟线在光纤陀螺中作为传感光纤的一部分，可提高陀螺的灵敏度，但在光纤电流传感器中，保偏延迟线并不具备传感的作用。

本发明针对已有技术存在的不足，提出一种新的光纤电流传感器调制方案，利用磁光调制器对电流传感器两相反方向的光施加有源调制。由于法拉第磁光调制是非互易的，因此不需要很长的保偏光纤延迟线，调制频率可大大降低。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的缺陷，提供一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，无需很长的保偏光纤延迟线，调制频率可大大降低。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明主要由宽带光源、光纤起偏器、光纤耦合器、光纤磁光调制器、“圆”保偏传输光缆、传感光纤环、光电探测器和信号处理单元等组成。宽带光源发出的光经过光纤起偏器后变成偏振光，经过一个光纤耦合器后将入射光分成传播方向相反的两束光。由于法拉第效应只对圆光产生相位调制，所以两路光必须为圆偏振光。圆偏振光可通过所述光纤“线”起偏器产生线偏振光，通过所述“线”保偏光纤耦合器后，通过所述的光纤四分之一波片转换为圆偏振光，也可通过所述光纤“圆”起偏器和“圆”保偏光纤耦合器直接产生两束圆偏振光。所述磁光调制器对两束传播方向相反的圆偏振光施加非互易的相位调制。两干涉光在磁光调制器和光纤电流传感头中经过各自的相位调制后，回到光纤起偏器上发生干涉，两干涉光总的相位差为，其中为磁光调制器引入的相位延迟量，为一次电流引入的法拉第旋转角。所述信号处理单元中的光电转换单元与光电探测器相连，将与一次电流相关的光强信号解调出来或者将其反馈到所述磁光调制器，实现闭环控制。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、光纤“圆”起偏器、“圆”保偏光纤耦合器、光纤磁光调制器、“圆”保偏传输光缆、传感光纤环、光电探测器和信号处理单元，其特征在于所述宽带光源通过光纤耦合器后，与光纤“圆”起偏器的输入端相连，“圆”起偏器的输出端与“圆”保偏光纤耦合器的一输入端相连；“圆”保偏光纤耦合器的一输出端与“圆”保偏传输光缆的一端连接，“圆”保偏传输光缆的另一端与传感光纤环连接；“圆”保偏光纤耦合器的另一输出端与磁光调制器的输入端相连；磁光调制器的输出端与传感光纤环相连；信号处理单元中的一个调制信号发生器与磁光调制器相连；探测器与信号处理单元中的一个光电转换单元相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。

所述磁光调制器的输入输出光纤均为“圆”保偏光纤，调制信号是利用磁光调制器的法拉第效应施加的非互易信号。所述信号处理单元中调制信号发生器产生的调制信号与光电探测器和光电转换单元输出的光强信号无关，形成开环调制；或者，所述调制信号和光电探测器与光电转换单元输出的光强信号相关，形成闭环调制。所有的“圆”保偏传输光缆之间的焊接均不需要进行偏振主轴对准。

一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、光纤“线”起偏器、“线”保偏光纤耦合器、光纤四分之一波片、光纤磁光调制器、“圆”保偏传输光缆、传感光纤环、光电探测器和信号处理单元，其特征在于所述宽带光源通过光纤耦合器后，与光纤“线”起偏器的输入端相连，光纤“线”起偏器的输出端与“线”保偏光纤耦合器的一输入端相连；“线”保偏光纤耦合器的一输出端通过一光纤四分之一波片与“圆”保偏传输光缆连接；“线”保偏光纤耦合器的另一输出端通过另一光纤四分之一波片与磁光调制器的输入端连接，磁光调制器的输出端则与“圆”保偏传输光缆连接；传感光纤环的两端分别与两“圆”保偏传输光缆连接；信号处理单元中的一个调制信号发生器与磁光调制器相连；探测器与信号处理单元中的一个光电转换单元相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。

本发明和现有技术相比，具有的显而易见的突出实质性特点和显著优点有：

1、本发明采用的是非互易的磁光相位调制器，不需要很长的保偏光纤延迟线和高速的调制电路，可大大降低光纤电流传感器有源调制方案的技术难度。

2、光路中全部或部分使用“圆”保偏光纤来控制光的偏振态，所有“圆”保偏光纤之间的焊接均无需进行偏振主轴对准。

附图说明

图1是已有技术的有源调制型反射式萨格奈克干涉型光纤电流传感器的结构框图，其中（a）为环路式，（b）为反射式。

图2是本发明一个实施例的结构框图。

图3是本发明一个实施例的结构框图

图4是本发明一个实施例的结构框图

图5是本发明一个实施例的结构框图

具体实施方式

本发明的实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图2。本基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，为完全“圆”保偏开环光纤电流传感器，包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤“圆”起偏器3、“圆”保偏光纤耦合器4、光纤磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6、传感光纤环7、光电探测器11和信号处理单元10。所述宽带光源1通过光纤耦合器2后，与光纤“圆”起偏器3的输入端相连，“圆”起偏器3的输出端与“圆”保偏光纤耦合器4的一输入端相连；“圆”保偏光纤耦合器4的一输出端与“圆”保偏传输光缆6的一端连接，“圆”保偏传输光缆6的另一端与传感光纤环7连接；“圆”保偏光纤耦合器4的另一输出端与磁光调制器5的输入端相连；磁光调制器5的输出端与传感光纤环7相连；信号处理单元10中的一个调制信号发生器9与磁光调制器5相连；探测器11与信号处理单元10中的一个光电转换单元8相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。工作原理是：光波从宽带光源1输出，通过光纤“圆”起偏器3后变成圆偏振光，光纤“圆”起偏器3的另一端与“圆”保偏光纤耦合器4的输入光纤焊接，将输入光分成两束分别沿顺时针和逆时针方向传播的圆偏振光。信号处理单元10中的调制信号发生器9将非互易的调制信号通过磁光调制器5施加在两束反向传播的光上。两束光分别经过磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6和传感光纤环7后，最后通过耦合器4在光纤“圆”起偏器3中发生偏振光干涉，干涉光强由光电探测器11变成电信号，由信号处理单元10中的光电转换单元8将处理结果输出。

实施例二：参见图3。本基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，为完全“圆”保偏闭环光纤电流传感器，包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤“圆”偏器3、“圆”保偏光纤耦合器4、光纤磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6、传感光纤环7、光电探测器11和信号处理单元10。本实施例是用闭环电路替代实施例一中的开环电路，即信号处理单元10中的光电转换单元将与检测到的一次电流相关的信号反馈到调制信号发生器9上，并将反馈信号输出。

实施例三：参见图4。本基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，为部分“圆”保偏开环光纤电流传感器，包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤“线”起偏器13、“线”保偏光纤耦合器14、光纤四分之一波片12、光纤磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6、传感光纤环7、光电探测器11和信号处理单元10。所述宽带光源1通过光纤耦合器2后，与光纤“线”起偏器13的输入端相连，光纤“线”起偏器13的输出端与“线”保偏光纤耦合器14的一输入端相连；“线”保偏光纤耦合器14的一输出端通过一光纤四分之一波片12与“圆”保偏传输光缆6连接；“线”保偏光纤耦合器14的另一输出端通过另一光纤四分之一波片12与磁光调制器5的输入端连接，磁光调制器的输出端则与“圆”保偏传输光缆6连接；传感光纤环7的两端分别与两“圆”保偏传输光缆6连接；信号处理单元10中的一个调制信号发生器9与磁光调制器5相连；探测器11与信号处理单元10中的一个光电转换单元8相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。工作原理是：光波从宽带光源1输出，通过光纤“线”起偏器13后变成线偏振光，光纤“线”起偏器13的另一端与“线”保偏光纤耦合器14的输入光纤对轴焊接，将输入光分成两束分别沿顺时针和逆时针方向传播的线偏振光。两束光经过光纤四分之一波片12后变为圆偏振光，信号处理单元10中的调制信号发生器9将非互易的调制信号通过磁光调制器5施加在两束反向传播的光上。两束圆偏振光分别经过磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6和传感光纤环7后，由光纤四分之一波片12转回线偏振光，在光纤“线”起偏器13中发生偏振光干涉，干涉光强由光电探测器11变成电信号，由信号处理单元10中的光电转换单元8输出。

实施例四：参见图5。本基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，为部分“圆”保偏闭环光纤电流传感器，包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤“线”起偏器13、“线”保偏光纤耦合器14、光纤四分之一波片12、光纤磁光调制器5、“圆”保偏传输光缆6、传感光纤环7、光电探测器11和信号处理单元10。本实施例是用闭环电路替代实施例三中的开环电路，即信号处理单元10中的光电转换单元8将与检测到的一次电流相关的信号反馈到调制信号发生器9上，并将反馈信号输出。

Claims (9)

1.一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源（1）、光纤耦合器（2）、光纤“圆”起偏器（3）、“圆”保偏光纤耦合器（4）、光纤磁光调制器（5）、“圆”保偏传输光缆（6）、传感光纤环（7）、光电探测器（11）和信号处理单元（10），其特征在于所述宽带光源（1）通过光纤耦合器（2）后，与光纤“圆”起偏器（3）的输入端相连，“圆”起偏器（3）的输出端与“圆”保偏光纤耦合器（4）的一输入端相连；“圆”保偏光纤耦合器（4）的一输出端与“圆”保偏传输光缆（6）的一端连接，“圆”保偏传输光缆（6）的另一端与传感光纤环（7）连接；“圆”保偏光纤耦合器（4）的另一输出端与磁光调制器（5）的输入端相连；磁光调制器（5）的输出端与传感光纤环（7）的另一端相连；信号处理单元（10）中的一个调制信号发生器（9）与磁光调制器（5）相连；探测器（11）与信号处理单元（10）中的一个光电转换单元（8）相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。

2.根据权利要求1所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于所述磁光调制器（5）的输入输出光纤均为“圆”保偏光纤，调制信号是利用磁光调制器（5）的法拉第效应施加的非互易信号。

3.根据权利要求1所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于所述信号处理单元（10）中调制信号发生器（9）产生的调制信号与光电探测器（11）和光电转换单元（8）输出的光强信号无关，形成开环调制；或者，所述调制信号和光电探测器（11）与光电转换单元（8）输出的光强信号相关，形成闭环调制。

4.根据权利要求1所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于：所有的“圆”保偏传输光缆之间的焊接均不需要进行偏振主轴对准。

5.一种基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，包括宽带光源（1）、光纤耦合器（2）、光纤“线”起偏器（13）、“线”保偏光纤耦合器（14）、光纤四分之一波片（12）、光纤磁光调制器（5）、“圆”保偏传输光缆（6）、传感光纤环（7）、光电探测器（11）和信号处理单元（10），其特征在于所述宽带光源（1）通过光纤耦合器（2）后，与光纤“线”起偏器（13）的输入端相连，光纤“线”起偏器（13）的输出端与“线”保偏光纤耦合器（14）的一输入端相连；“线”保偏光纤耦合器（14）的一输出端通过一光纤四分之一波片（12）与“圆”保偏传输光缆（6）连接；“线”保偏光纤耦合器（14）的另一输出端通过另一光纤四分之一波片（12）与磁光调制器（5）的输入端连接，磁光调制器（5）的输出端则与另一个“圆”保偏传输光缆（6）连接；传感光纤环（7）的两端分别与两“圆”保偏传输光缆（6）连接；信号处理单元（10）中的一个调制信号发生器（9）与磁光调制器（5）相连；探测器（11）与信号处理单元（10）中的一个光电转换单元（8）相连，将光信号变为电信号输出或进行进一步处理。

6.根据权利要求5所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，

其特征在于所述磁光调制器（5）的输入输出光纤均为“圆”保偏光纤，调制信号是利用磁光调制器（5）的法拉第效应施加的非互易信号。

7.根据权利要求5所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于所述信号处理单元（10）中调制信号发生器（9）产生的调制信号与光电探测器（11）和光电转换单元（8）输出的光强信号无关，形成开环调制；或者所述调制信号和光电探测器（11）与光电转换单元（8）输出的光强信号相关，形成闭环调制。

8.根据权利要求5所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于“线”保偏光路和“圆”保偏光路之间通过两个光纤四分之一波片（12）实现偏振转换。

9.根据权利要求5所述的基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器，其特征在于所有的“圆”保偏传输光缆之间的焊接均不需要进行偏振主轴对准。