[发明专利]一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法

说明书

本发明提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，用于光纤电流传感器的非线性自补偿，所述光纤电流传感器包括光电模块，所述光电模块包括相互连接的传感光路和闭环信号检测单元，所述光纤电流传感器还包括自补偿装置，自补偿装置包括保偏尾纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤及反射镜，保偏尾纤与相位延迟器以θ角对轴熔接或耦合，相位延迟器与椭圆双折射光纤以角对轴熔接或耦合，反射膜镀于椭圆双折射光纤末端，椭圆双折射光纤首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于该光纤敏感环中；保偏尾纤还与传感光路的尾纤对轴熔接。本发明还提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，提升了光纤电流传感器大动态范围的线性度。

技术领域

本发明涉及光纤电流传感技术，尤其涉及一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法。

背景技术

大电流技术在冶金、电力、国防军工、可控核聚变研究等领域应用广泛，准确的电流计量与安全生产、节能减排、产品质控及重大科学研究密切相关。基于Faraday(法拉第)磁光效应的干涉型光纤电流传感器具有测量精度高、动态范围大、频响范围宽(可同时测量交流和直流电流)、抗外磁场干扰能力强、便携性好等特点，在大电流测量领域具有广阔的应用前景。

光纤电流传感器采用反射式Sagnac干涉仪作为传感光路，利用1/4波片将两束正交的线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，两束正交的圆偏振光在首尾闭合的光纤敏感环中往返传输，产生与被测电流成正比的相位差。由于光路结构的互易性，两束信号光的干涉光强仅携带被测电流产生的Faraday相移。干涉光强由光电探测器转化为电信号。

在信号处理方面，干涉型光纤电流传感器采用闭环信号检测技术，系统实时检测被测电流产生的Faraday相移，并产生一个与之大小相等、符号相反的反馈相移，将系统锁定在灵敏度最高的正交工作点上。闭环信号检测技术将非线性的余弦响应变成了线性响应，理论上，光纤电流传感器可以在极大的动态范围内保证高线性度。

椭圆双折射光纤是一种实用化的电流传感光纤，由保偏光纤预制棒拉丝的同时旋转形成，其双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋分布，螺距的大小由旋转周期和拉丝速度决定。描述这种光纤特性的两个重要参数是螺距L_t和线拍长L_b(未旋转状态下保偏光纤的拍长)，定义η＝2L_b/L_t。双折射主轴特殊的螺旋结构可以有效抑制线性双折射对电流传感的不利影响。与普通保偏光纤类似，常用的椭圆双折射光纤可以分为：熊猫型、领结型、椭圆芯型和光子晶体型。

椭圆双折射光纤的偏振本征模式是两束正交的椭圆偏振光，其椭圆度与η有关，η越大，偏振本征模越趋近于圆偏振光。实际中，η并不容易做到很大，通常在1～5之间。在这种情况下，进入椭圆双折射光纤敏感环的圆偏振光将无法保持偏振态，传感器闭环系统检测到的相位差除与被测电流产生的Faraday相移有关外，还与由线拍长和螺距决定的线性双折射和圆双折射有关。传感器的输出与被测电流成非线性关系，且被测电流越大，非线性越明显，这将严重制约光纤电流传感器大电流在大动态范围内的测量准确度。

目前，实用化的光纤电流传感器普遍采用椭圆双折射光纤作为传感光纤，采用1/4波片实现线偏振光到圆偏振光的转换。这样的传感器普遍存在非线性问题，由于非线性的影响，无法实现光纤大电流传感器测量精度的线性递推，在大电流下需要依赖校准装置对传感器进行校准，来保证大电流的测量精度。但是，对于数百kA甚至更大的超大电流，受限于大功率电源和标准电流传感器，很难建立校准装置，基于非线性误差模型的软件补偿方法难以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，本发明从椭圆双折射光纤敏感环的光学特性出发，采用相位延迟器代替传统的1/4波片，调整进入光纤敏感环的光波的偏振态，抑制了光纤电流传感器的非线性，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿。

本发明的问题之一，是这样实现的：