[发明专利]一种全光纤外差电流传感器

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及光学量的测量方法和金属线栅的偏振选择特性，及基于此的一种在全光纤条件下实现外差电流测量的光纤电流传感器的制作方法和应用。

背景技术

现有工业化应用的电流传感采用的以电磁感应原理为基础的常规电流互感技术，暴露出一系列问题：充油互感器在超高压环境有被击穿发生爆炸的危险、存在磁饱和与磁滞效应的不利效应、体积重量大、价格昂贵、易受电磁干扰影响等，难以满足新一代智能电网电力系统发展的需要。而相比较而言，光纤传感技术具有以下显著优势：绝缘介质材料抗干扰能力强、可以在极端恶劣环境下工作、体积小重量轻且可以自由布局、测量范围大线性度好、容易与光纤通信系统衔接组合。所以，将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为应用于的新一代智能电网电力系统的很好方法。

光纤式电流互感器是一种新型光机电一体化设备，可广泛应用于智能电网多个领域。但由于温度、应力等对测量性能影响难以计算，产品制造工艺难度大，部件一致性差，制造成本居高不下，至今光纤式电流互感器仍难以大规模应用。我们研制的基于金属纳米线栅的全光纤电流传感器采用全光纤传感光路，旨在提高光纤传感的稳定性和精度，并且大幅降低产品成本。

随着日本这次核电站泄露事件的影响，中国暂停了部分新核电项目的审批。再加上国家于“十二五”期间对特高压电网建设的投资将达5000亿元，智能电网的发展势必将迎来春天。基于智能电网技术的特高压电网将是数字化电站技术、基于光纤通讯的控制系统、智能传感等新技术应用的大舞台。而传统的电流互感已难以满足新一代智能电网电力系统在线检测、高精度故障诊断、高干扰下作业、大电流测量、电力数字网等发展的需要。将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为解决上述难题的最好方法。

预计用于下一代特高压智能电网系统中的光电互感器价值将超过百亿元，其中引领技术发展趋势的光纤电流传感器势必将占据很大的份额。所以，面向智能电网的光纤电流传感器市场前景极其乐观。

综合国内外所有研究来看，光纤技术电流传感器主要分为以下两大类：

第一大类是基于电流发热效应的温度等效传感，如基于光纤布拉格光栅的分布式电流传感器，这类技术的优点在于其基础温度传感技术众多，而与此相对的很大缺点在于温度传感反应时间缓慢、易受环境条件影响等，这很大程度限制了其工业应用。

第二大类是基于光纤介质法拉第磁光效应的电流传感，优点在于传感精确、反应时间快，缺点在于光纤环中存在不利的线性双折射，且光纤介质的范德尔系数(磁光系数)小，以至传感灵敏度偏低。

本作品所阐述的光纤电流传感器正是基于反射式光纤光路的磁光效应电流传感。国际上基于这种技术的光纤电流传感研究也有不少，但是所有的研究几乎都是在传感头(如引入微光纤环、谐振腔技术)、或者传感光路(如利用Sagnac干涉光路)做改进，还没有研究做到在偏振检测端引入全光纤外差技术。外差技术在传感中为提高测量精度起到关键作用，现有的做法是在光检测端使用独立的晶体状分光棱镜，而分立元件的引入造成与上述使用磁光晶体同样的缺点，即对于器件的小型化、性能可靠性造成了很大的影响。而本作品除了具有光纤电流传感的一般优点外，其独特优势还在于引用了光纤金属纳米线栅的检偏技术，得以第一次实现无任何分立元件的全光纤外差电流传感系统，有利于器件的小型化、低成本化，而外差法的引入还可以很大程度上提高器件稳定性，在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下也可正常工作。

发明内容

本发明目的是：利用光纤端面的金属线栅的光信号检偏技术，制备出一种新型的全光纤外差电流传感器及全光纤外差电流传感方法。

本发明的技术方案是：一种全光纤外差电流传感器，包括一个半导体激光器光源输入端，一个光纤偏振控制器，一个光纤电流感应单元，一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计，第一第二两个光纤环路器，其中半导体激光器光源输入端通过光纤偏振控制器接第一光纤环路器后再连接光纤电流感应单元；第一光纤环路器第三端并联第二光纤环路器的第一端口，第二光纤环路器的第二端设有端面金属光栅和第一光功率计、第二光纤环路器的第二端接第二光功率计。

所述光纤电流感应单元采用光纤环与电流环互绕的结构，光纤环的一端接法拉第旋转镜面，光纤环的另一端接第一光纤环路器输出端交互光信号的输入与输出，电流环接入待测电流感应单元的电流电路；从电流感应单元反射回来的信号光通过第一环路器入射到第二环路器的第一端口。