[发明专利]基于磁光调制的干涉型光纤电流传感器

说明书

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

电流传感器是电力系统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（US 5644397），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CN 101320055和WO 2007033057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系统对两束干涉光在相同的时间施加不同的相位调制（见专利US 6188811B1，US 6636321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。