CN106597061A - 萨格奈克式光纤电流传感器及其电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学电流传感技术领域，具体涉及一种萨格奈克式光纤电流传感器及其电流检测方法，萨格奈克式光纤电流传感器包括光源；光环形器，其与所述光源连接；探测器，其与所述光环形器连接；起偏分光调制装置，其与所述光环形器连接；传感光纤，其与所述起偏分光调制装置连接，所述传感光纤环围绕待测电流；四分之一波片，其设置在所述传感光纤的两端，用于连接所述传感光纤和所述起偏分光调制装置；波片，其耦合在所述传感光纤中，本发明的电流检测方法简单易操作；本发明避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗，光环形器高达60dB以上的隔离度对削弱偏振串音噪声起到明显的作用，提高了传感器的精度。

Description

萨格奈克式光纤电流传感器及其电流检测方法

技术领域

本发明属于光学电流传感技术领域，具体涉及一种萨格奈克式光纤电流传感器及其电流检测方法。

背景技术

近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力***的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高，传统的电磁式电流测量设备已经越来越不能满足要求。

光纤电流传感器具有无磁饱和、铁磁谐振问题、绝缘结构简单，绝缘性能好、体积小、重量轻等优点，克服了电磁式电流传感器的缺点，受到了各国的广泛关注。

光纤电流传感器的传感原理是法拉第磁光效应。法拉第磁光效应的一种表现形式是线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转。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首先提出了萨格奈克干涉型光纤电流传感器的方案，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。这是利用了法拉第磁光效应的另一种表现形式，沿磁场方向传播的圆/椭圆偏振光的光速发生变化，从原光速V0变成V1，(V1>V0)或V2(V2<V0),(有V1-V0＝V0–V2)，圆/椭圆偏振光光速变成V1还是V1与圆/椭圆偏振光的旋向(左右)以及光传播方向(与磁场方向相同与否)有关。但该萨格奈克干涉型光纤电流传感器敏感电流的同时敏感Sagnac效应，因而外界振动容易对传感器精度造成影响。而且光纤光路中采用的3dB光纤耦合器有一路光纤废弃，导致往返至少6dB的光功率损耗，同时光纤耦合器的偏振串音对传感器精度也造成了影响。

现有技术改进了萨格奈克干涉型光纤电流传感器，通过在传感光纤中引入半波片的方式削弱了对振动的敏感性，增加了传感器的***稳定性。但仍未解决光纤光路中采用的光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器及其电流检测方法，使用上述电流传感器检测电流时，对振动不敏感，光路功率损耗低且偏振串音小。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器，其对振动不敏感；

本发明的又一个目的在于，提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器，其光路功率损耗低，偏振串音小。

本发明的再一个目的在于，提供了一种萨格奈克光线电流传感器的电流电测方法，所述电流电测方法避免了光纤耦合器有一段光纤废弃带来的光功率损耗，同时提高了电流检测方法的精度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器，包括：

光源；

光环形器，其与所述光源连接；

探测器，其与所述光环形器连接；

起偏分光调制装置，其与所述光环形器连接；

传感光纤，其与所述起偏分光调制装置连接，所述传感光纤环围绕待测电流；

四分之一波片，其设置在所述传感光纤的两端，用于连接所述传感光纤和所述起偏分光调制装置；

波片，其耦合在所述传感光纤中。

优选的是，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光源的尾纤与所述第一端口连接，所述起偏分光调制装置与所述第二端口连接，所述探测器的尾纤与所述第三端口连接；

其中，所述光环形器中的光从所述第一端口进入，从所述第二端***出；所述光环形器的光从所述第二端口进入，从所述第三端***出。

优选的是，所述四分之一波片包括第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述起偏分光调制装置包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别设置在所述传感光纤的两端，所述第一输出端口与所述第一四分之一波片连接，所述第二输出端口与所述第二四分之一波片连接。

优选的是，还包括线保偏延迟光纤，其设置在所述起偏分光调制装置和所述传感光纤环之间；

其中，位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈22.5～67.5°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈112.5～157.5°，或者位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈112.5～157.5°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈22.5～67.5°。

优选的是，位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈45°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈135°，或者位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈135°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈45°。

优选的是，所述起偏分光调制装置为同时具有起偏、分光及相位调制功能的器件，或者为分别具有起偏、分光及相位调制功能的多个器件组合而成，其中，起偏、分光及相位调制功能的顺序可以变换。

优选的是，所述传感光纤为退火光纤、扭光纤及旋转光纤中的一种。

优选的是，所述四分之一波片为光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片，所述波片为光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片。

优选的是，所述波片耦合在所述传感光纤的中部，所述传感光纤的双线同向围绕待测电流。

一种萨格奈克式光纤电流传感器的电流检测方法，包括以下步骤：

步骤一，开启光源，光源发出的光由光环形器的第一端口进入光环形器，通过光环形器的第二端***出；

步骤二，由第二端***出的光进入起偏分光调制装置，起偏为线偏振光，所述线偏振光包括第一束线偏振光和第二束线偏振光；

步骤三，第一束线偏振光从起偏分光调制装置的第一输出端***出，经过第一四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第二四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第二输出端口返回起偏分光调制装置；

第二束线偏振光从起偏分光调制装置的第二输出端***出，经过第二四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第一四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第一输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤四，返回起偏分光调制装置的两束光，在起偏分光调制装置处发生干涉，并由光环形器的第二端口进入光环形器，由光环形器的第三端***出进入探测器；

步骤五：由探测器检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器，其无磁饱和、铁磁谐振等问题。

2、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器，其绝缘结构简单，绝缘性能好，体积小且重量轻的优点。

3、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器，其对振动和转动不敏感，实用性强。

4、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器，其采用光环形器，避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗的问题。

5、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器，其采用光环形器的高达60dB以上的隔离度，削弱了偏振串音噪声，明显提高了光纤电流传感器的检测精度。

6、本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器的电流检测方法，其操作简单快捷，解决了光纤光路中采用光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题。

附图说明

图1是本发明所述的萨格奈克式光纤电流传感器的结构示意图；

图1中，1光源；2探测器；3光环形器；31第一端口；32第二端口；33、第三端口；4起偏分光调制装置；41第一输出端口；42第二输出端口；51第一四分之一波片；52第二四分之一波片；6办波片；7传感光纤；8待测电流；9线保偏延迟光纤。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它组合的存在或添加。

参加图1，本发明提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器，所述光源1的尾纤与所述光环形器3的第一端口31相连，所述探测器2的尾纤与所述光环形器3的第三端口33相连，所述光环形器3的第二端口32和所述起偏分光调制装置4相连；光在该光环形器3中的传播方向为：从该光环形器3的第一端口31进入光环形器3的光从光环形器3的第二端口32射出，从光环形器3的第二端口32进入光环形器3的光从光环形器3的第三端口33射出，避免了现有技术中所采用的光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损失，同时光环形器高达60dB以上的隔离度对消弱偏振串音噪声对传感器精度的影响起到明显作用。

所述起偏分光调制装置4可以是是一个同时具有起偏、分光以及相位调制功能的器件，如Y分支多功能集成光学器件；也可以是分别具有起偏、分光、相位调制功能的多个器件组合起来实现起偏、分光以及相位调制功能，其中起偏、分光以及相位调制功能的顺序可以变换。在起偏分光调制装置4和传感光纤7之间可以设置有线保偏延迟光纤9；

所述第一四分之一波片51和所述第二四分之一波片52分别设置在所述传感光纤7的两端，所述半波片6耦合在传感光纤7中，优选的该半波片6耦合在传感光纤7的中部；所述传感光纤7双线同向围绕待测电流；所述起偏分光调制装置4的所述第一输出端口41与所述第一四分之一波片51相连，使得所述起偏分光调制装置4与所述传感光纤连接；所述起偏分光调制装置4的所述第二输出端口42与所述第二四分之一波片52相连；具体的，所述起偏分光调制装置4的所述第一输出端口41的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第一四分之一波片51的快轴成22.5～67.5度角，所述起偏分光调制装置4的第二输出端口42的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第二四分之一波片52的快轴成112.5～157.5度角；或者所述起偏分光调制装置4的第一输出端口41的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第一四分之一波片51的快轴成112.5～157.5度角，所述起偏分光调制装置4的第二输出端口42的保保偏延迟光纤9的尾纤与所述第二四分之一波片52的快轴成22.5～67.5度角，当所述起偏分光调制装置4的第一输出端口41的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第一四分之一波片51的快轴成45度角，起偏分光调制装置4的第二输出端口42的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第二四分之一波片52的快轴成135度角；或者所述起偏分光调制装置4的第一输出端口41的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第一四分之一波片51的快轴成135度角，所述起偏分光调制装置4的第二输42出端口的保偏延迟光纤9的尾纤与所述第二四分之一波片52的快轴成45度角时，本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器的工作性能和检测的电流更为精确。

所述第一四分之一波片51、所述第二四分之一波片52及所述半波片6可以是光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片。

所述传感光纤7可以是退火光纤，进行过退火以降低绕制环路时不可避免的弯曲产生的应力；也可以是扭光纤，在光纤制成后进行扭转以产生椭圆双折射或圆双折射来抑制线性双折射；也可以是旋转光纤，在拉制光纤时即进行旋转以产生椭圆双折射或圆双折射来抑制线性双折射。

该萨格奈克式光纤电流传感器工作时，从所述光源1发出的光通过光环形器第一端口31进入光环形器3，由光环形器3的第二端口32射出后进入所述起偏分光调制装置4，起偏为线偏振光并分为两束线偏振光；其中第一束线偏振光从所述起偏分光调制装置4的所述第一输出端口41射出，经过所述第一四分之一波片51转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，由于，所述波片耦合在所述传感光纤的中部，所以再经过一半的所述传感光纤7，在所述半波片6处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的所述传感光纤7，经过所述第二四分之一波片52转换为线偏振光，从所述起偏分光调制装置4的第二输出端口42返回所述起偏分光调制装置4；第二束线偏振光从所述起偏分光调制装置4的所述第二输出端口42射出，经过所述第二四分之一波片52转换为圆偏振光或椭圆偏振光后再经过一半的所述传感光纤7，在所述半波片6处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的所述传感光纤7，经过所述第一四分之一波片51转换为线偏振光，从所述起偏分光调制装置4的所述第一输出端口41返回所述起偏分光调制装置4并在该起偏分光调制装置4处发生干涉后，经过所述光环形器的第二端口32进入所述光环形器3，由所述光环形器3的第三端口33射出进入所述探测器2；由探测器2检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

本发明的目的是提供一种萨格奈克式全光纤电流传感器，解决了现有技术中因光纤电流传感器的光纤光路中采用光纤耦合器而造成的信噪比较低的问题，该传感器对振动不敏感，光路功率损耗低，偏振串音小。

本发明因采用光环形器代替现有技术中的光纤耦合器，从光源出射的光经过光环形器全部进入起偏分光调制装置，从起偏分光调制装置出射的光经过光环形器全部进入探测器，从而避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗，同时光环形器高达60dB以上的隔离度对削弱偏振串音噪声起到明显的作用，提高了传感器的精度；同时具有光纤电流传感器的无磁饱和、铁磁谐振问题、绝缘结构简单，绝缘性能好、体积小、重量轻等优点，振动和转动不敏感，实用性强。

本发明还提供了一种萨格奈克式光纤电流传感器的电流检测方法，包括以下步骤：

步骤一，开启光源，光源发出的光由光环形器的第一端口进入光环形器，通过光环形器的第二端***出；

步骤二，由第二端***出的光进入起偏分光调制装置，起偏为线偏振光，所述线偏振光包括第一束线偏振光和第二束线偏振光；

步骤三，第一束线偏振光从起偏分光调制装置的第一输出端***出，经过第一四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第二四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第二输出端口返回起偏分光调制装置；

第二束线偏振光从起偏分光调制装置的第二输出端***出，经过第二四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第一四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第一输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤四，返回起偏分光调制装置的两束光，在起偏分光调制装置处发生干涉，并由光环形器的第二端口进入光环形器，由光环形器的第三端***出进入探测器；

步骤五：由探测器检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

其中，光环形器具有光环形器的第一端口、光环形器的第二端口和光环形器的第三端口；从光环形器的第一端口进入光环形器的光从光环形器的第二端***出，从光环形器的第二端口进入光环形器的光从光环形器的第三端***出；所述光环形器的第一端口和光源相连；所述光环形器的第二端口和起偏分光调制装置相连；所述光环形器的第三端口和探测器相连，所述光环形器中的光从所述第一端口进入，从所述第二端***出；所述光环形器的光从所述第二端口进入，从所述第三端***出。

所述传感光纤双线同向围绕待测电流，所述起偏分光调制装置包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片分别设置在传感光纤的两端，所述半波片耦合在传感光纤中部，起偏分光调制装置的第一输出端口与第一四分之一波片相连，起偏分光调制装置的第二输出端口与第二四分之一波片相连，所述起偏分光调制装置的第一输出端口的保偏光纤尾纤与第一四分之一波片的快轴成22.5～67.5度角，起偏分光调制装置第二输出端口的保偏光纤尾纤与第二四分之一波片的快轴成112.5～157.5度角；或者起偏分光调制装置的第一输出端口的保偏光纤尾纤与第一四分之一波片的快轴成112.5～157.5度角，起偏分光调制装置第二输出端口的保偏光纤尾纤与第二四分之一波片的快轴成22.5～67.5度角，当所述起偏分光调制装置第一输出端口的保偏光纤尾纤与第一四分之一波片的快轴成45度角，起偏分光调制装置第二输出端口的保偏光纤尾纤与第二四分之一波片的快轴成135度角；或者起偏分光调制装置第一输出端口的保偏光纤尾纤与第一四分之一波片的快轴成135度角，起偏分光调制装置第二输出端口的保偏光纤尾纤与第二四分之一波片的快轴成45度角时，本发明提供的电流检测方法的精确度更高。

其中，所述起偏分光调制装置为同时具有起偏、分光以及相位调制功能的器件(例如所述起偏分光调制装置是一个Y分支多功能集成光学器件)，或为分别具有起偏、分光、相位调制功能的多个器件的组合，所述传感光纤为退火光纤、扭光纤或旋转光纤，所述第一四分之一波片、第二四分之一波片和半波片为光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片。

本发明提供的萨格奈克式光纤电流传感器的电流检测方法，其操作简单快捷，解决了光纤光路中采用光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题，其用来检测电流的萨格奈克光纤电流传感器具有对振动不敏感，光路功率损耗低，偏振串音小，实用可靠、设计巧妙，由于，本发明从光源出射的光经过光环形器全部进入起偏分光调制装置，从起偏分光调制装置出射的光经过光环形器全部进入探测器，避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗，光环形器高达60dB以上的隔离度对削弱偏振串音噪声起到明显的作用，提高了传感器的精度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，包括：

光源；

光环形器，其与所述光源连接；

探测器，其与所述光环形器连接；

起偏分光调制装置，其与所述光环形器连接；

传感光纤，其与所述起偏分光调制装置连接，所述传感光纤环围绕待测电流；

四分之一波片，其设置在所述传感光纤的两端，用于连接所述传感光纤和所述起偏分光调制装置；

波片，其耦合在所述传感光纤中。

2.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光源的尾纤与所述第一端口连接，所述起偏分光调制装置与所述第二端口连接，所述探测器的尾纤与所述第三端口连接；

其中，所述光环形器中的光从所述第一端口进入，从所述第二端***出；所述光环形器的光从所述第二端口进入，从所述第三端***出。

3.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述四分之一波片包括第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述起偏分光调制装置包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别设置在所述传感光纤的两端，所述第一输出端口与所述第一四分之一波片连接，所述第二输出端口与所述第二四分之一波片连接。

4.如权利要求3所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，还包括线保偏延迟光纤，其设置在所述起偏分光调制装置和所述传感光纤环之间；

其中，位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈22.5～67.5°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈112.5～157.5°，或者位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈112.5～157.5°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈22.5～67.5°。

5.如权利要求4所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈45°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈135°，或者位于所述第一输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第一四分之一波片的快轴呈135°，位于所述第二输出端口处的保偏延迟光纤的尾纤与所述第二四分之一波片的快轴呈45°。

6.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述起偏分光调制装置为同时具有起偏、分光及相位调制功能的器件，或者为分别具有起偏、分光及相位调制功能的多个器件组合而成，其中，起偏、分光及相位调制功能的顺序可以变换。

7.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述传感光纤为退火光纤、扭光纤及旋转光纤中的一种。

8.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述四分之一波片为光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片，所述波片为光纤式波片、玻璃式波片或者晶体式波片。

9.如权利要求1所述的萨格奈克式光纤电流传感器，其特征在于，所述波片耦合在所述传感光纤的中部，所述传感光纤的双线同向围绕待测电流。

10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的萨格奈克式光纤电流传感器的电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，开启光源，光源发出的光由光环形器的第一端口进入光环形器，通过光环形器的第二端***出；

步骤二，由第二端***出的光进入起偏分光调制装置，起偏为线偏振光，所述线偏振光包括第一束线偏振光和第二束线偏振光；

步骤三，第一束线偏振光从起偏分光调制装置的第一输出端***出，经过第一四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第二四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第二输出端口返回起偏分光调制装置；

第二束线偏振光从起偏分光调制装置的第二输出端***出，经过第二四分之一波片转换为圆偏振光或椭圆偏振光后，再经过一半的传感光纤，在半波片处该圆偏振光或椭圆偏振光的旋向转换，再经过另一半的传感光纤，经过第一四分之一波片转换为线偏振光，从起偏分光调制装置的第一输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤四，返回起偏分光调制装置的两束光，在起偏分光调制装置处发生干涉，并由光环形器的第二端口进入光环形器，由光环形器的第三端***出进入探测器；

步骤五：由探测器检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。