一种自聚焦型光学电流互感器的制作方法

专利名称：一种自聚焦型光学电流互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自聚焦型光学电流互感器，涉及光学电流互感器技术领域。
背景技术：
高压电流互感器是电力系统将电网中的高压大电流信号转变为低压小电流信号， 从而为系统的计量、监控、继电保护等提供统一、规范的电流信号的装置。光学电流
互感器(Optical Current Transducer,简称OCT)是一种集光纤传感技术、光电技术、 非线性光学及先进的信号处理技术等多个学科的理论和应用于一体的新型高压电流互 感器。与传统的高压大电流互感器相比，光学电流互感器具有绝缘性能优良、无磁饱 和、动态测量范围大、测量精度高、抗电磁干扰能力强等优点。
光学玻璃型OCT采用具有较高费尔德(Verdet)常数的整块光学玻璃制作传感头。 由于光束要在传感头内形成围绕载流导体的闭合光路，因此在此过程中不可避免地要 采用全反射结构使光线发生偏折。由于入射线偏振光经过全反射，其电矢量的分量之 间产生了相位差，从而使入射的线偏振光变为椭圆偏振光，降低了测量灵敏度，并严 重影响测量精度。研究表明若将总反射相移控制在0.24rad (约为14°)以内，则传 感头的灵敏度将不低于理想模型的灵敏度理论预期值的90%。同时系统的抗干扰能力 和稳定性的提高都要靠减小反射相移来实现。由此看出，减小反射相移对提高系统的 灵敏度、抗干扰能力和稳定性具有重要意义。因此，如何减小由反射导致的相位差， 已成为此类OCT设计中亟待解决的关键问题。
Sato等人(Method and apparatus for optically measuring a current. European Patent Application, No: 831022.10.B, Publication No: 0088 419 Al, 1983)首先提出并设计了双 正交反射式方形玻璃OCT传感头。它的原理是在光路中的每个全反射点处用两次正交 全反射代替原来的一次全反射，这样可使第二次反射光的分量分别与第一次反射光的 两个正交分量互相正交，从而使两次反射产生的相移互相抵消；但其存在的问题是光路在与载流导体平行面上的投影不闭合，致使系统抗干扰能力受到影响。同时，由于 加工精度的限制和应用时光束的实际入射角有可能偏离原定入射角，使得两次全反射 光束不能完全正交，因而反射相移不能完全被消除，并且会随着实际应用中引入的各 方面的误差的增大而增大。
李红斌(《光学电流传感器传感头的研究》，光学学报，1997， 26(7): 946 949) 将双正交反射方案中光束在最后一个反射点向上的反射改为向下反射，使光路实现基 本闭合，可提高系统抗外电磁场干扰的能力。但由于在实现光路折返时并没有采取使 线偏振光两个正交分量之间方向互换的措施，即便是严格按原光路返回，也不能抵消 或降低反射相移等互易性因素的影响。

发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自聚焦型光学电流互感器，利用 梯度折射率型玻璃的自聚焦原理制作传感头，可以通过避免在光学玻璃型电流互感器 传感头中引入反射结构的方式来完全消除反射相移，从而提高系统的灵敏度、抗干扰 能力和稳定性。
技术方案
一种自聚焦型光学电流互感器，包括光源l、准直器2、起偏器3、光纤耦合器4、 单模保偏光纤5、检偏器10和信号探测与处理系统11，其特征在于环形传感头9 为磁光玻璃或晶体的矩形的圆环状，且有开口；所述环形传感头9的开口两端面经研
磨抛光处理；环形传感头9开口中心角应满足6>;-,。-arcsin(^&)，其中丄为 偏振光的入射点距环形传感头中心处的距离，7。为入射光线与入射点所在圆周切线的 夹角且tan;^^02—， "G为环形传感头9中间均匀层折射率，"2为环形传感头9内、 外表面处折射率，A为环形传感头9的外径，且^小于40mm。所述的环形传感头9折射率沿环形结构的轴向呈均匀分布，沿环形结构的径向满 足当i 2^r^/ 3时，折射率均匀分布；当《^S^时和i 3 ^r^i 4折射率呈梯度分布； 为环形传感头内径且大于被测电流母线的半径，^ 、 &分别为中间折射率均匀层 与内、外折射率梯度分布层界面处半径，A4-Wf/ 2-W产C， C是梯度折射率分布层的厚 度。所述的环形传感头9折射率沿环形结构的轴向呈均匀分布，沿环形结构的径向满 足当《^r《A时，折射率均匀分布；当A^r^A时，折射率呈梯度分布。所述的环形传感头9的前后两端面被研磨抛光，光纤耦合器4连接在线偏振光出 射端面。所述的环形传感头9的线偏振光出射端面镀一层保偏反射膜，光纤耦合器4连接在线偏振光入射端面。所述传感头根据光束自聚焦原理制作，传感头材料为磁光玻璃，所述磁光玻璃材 料被加工成横断面为矩形的圆环状，采用离子交换法或溶胶凝胶法或化学气相沉积法 等工艺将所述圆环状磁光玻璃的折射率制备成梯度分布，从而使光线在传感头内部以 曲线轨迹向前传播，并不与传感头和空气界面接触。方案一中的传感头为有一开口的 环形结构。被测电流母线从环形传感头的中心垂直穿过，磁场方向沿环形传感头的圆 周方向。所述环形传感头的内、外层折射率成梯度分布，中间层折射率呈均匀分布， 并且折射率沿轴向也呈均匀分布。该传感头的开口两端面经研磨抛光处理，光线从其中一个端面进入传感头，并从另-端面出射。将第一种方案中的环形传感头的线偏振 光出射端面镀一层保偏反射膜即为第二种设计方案。将第一种方案中的环形传感头的 外层折射率制成梯度分布，内层折射率呈均匀分布，则构成了第三种传感头设计方案。将第三种方案中的环形传感头的线偏振光出射端面镀-I!保偏反射膜即为第四种设计 方案。考虑到光在梯度折射率介质中传播时，光线不再与介质和空气界面接触，而是按曲线轨迹在介质中周期性向前传播。在曲线轨迹的顶点位置，光线仍可以看作是发生了全反射，引入的相移被称作弯曲相移，但这里TE波和TM波的弯llll相移都是兀Z2， 所以该全反射不改变线偏振光的偏振态，因此对测量结果没有影响。 有益效果本发明的有益效果是线偏振光在所述传感头中以曲线轨迹周期性向前传播，不 发生反射，因此避免了因全反射引入的反射相移对线偏振光偏振态的影响，提高了传 感系统的灵敏度；由于光线在传感头中传播时不与界面接触，偏振光的光强没有损耗， 因此克服了现有光学玻璃型电流互感器中输出光强信号弱，信噪比差的缺点；避免了 现有技术中采用双光源的做法，降低了传感系统的成本。


阁1是本发明自聚焦型光学电流互感器第一实施方式的结构示意图图2是本发明自聚焦型光学电流互感器图1中传感头A-A'截面折射率分布图图3是本发明自聚焦型光学电流互感器第二实施方式的结构示意图；图4是本发明自聚焦型光学电流互感器图3传感头A-A'截面折射率分布图图5是本发明自聚焦型光学电流互感器第三实施方式的结构示意图；图6是本发明自聚焦型光学电流互感器图5传感头A-A'截面折射率分布图；图7是本发明自聚焦型光学电流互感器第四实施方式的结构示怠图。图8是本发明自聚焦型光学电流互感器图7传感头A-A'截面折射率分布图；l-光源；2-准直器；3-起偏器；4-光纤耦合器；5-单模保偏光纤；6-中间折射率均 匀层外沿；7-中间折射率均匀层；8-中间折射率均匀层内沿；9-环形传感头，10-检偏 器；i2-被检测母线；13-保偏反射膜。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述实施例l:参阅附图l，包括光源l，准直器2，起偏器3，光纤耦合器4，单模保偏光纤5，环形传感头9，检偏器IO，信号探测与处理系统ll。所述环形传感头9系用磁光材料加工成的有一开LJ的环形结构，其外径为30nim，内径为2()mm，开口处的两个端面经研磨抛光，分别作为线偏振光的入射面和出射面，光纤耦合器4连接在线偏振光出射端面。被测电流母线12从环形传感头9的中心穿过，磁场方向沿环形传感头的圆周方向。在环形结构的内外侧同时进行离子交换。这样，在离子交换层，磁光材料的折射率成梯度分布，以下均以折射率成平方律渐变分布为例。在没有进行离子交换的中间层，其折射率仍是均匀分布的。折射率沿环形结构的轴向呈均匀分布，沿环形结构的径向满足"1 7 3 O S &时，"2 (r) = "J [1 - W 0 - & )2 ]其中"o为中间均匀层的折射率，, "2 ="(i ,c爿mm是折射率渐变层的厚度，因此，i 4-i fi 2-i 产C，如图2所示。利用光线方程求解光线在折射率成平方律渐变分布介质中的传播轨迹为G COS ^。式中A为入射光线与入射点所在圆周切线的夹角，计算得出入射角;1)应满足/^~^ ^~ ^ w0 — 2ta"0 2-选择材料的n(H.58， n2=1.5，r。应小于18度，取:1—5度；此时^应满足6>三—n-arcsin(^^)，则大于2度，所以取^等于5度。 — 2 / 4卩7T由此可知，光线在介质中按正弦型路径传播，其传播周期为r-;cos^，幅值<formula>formula see original document page 8</formula>
从所述光源1发出的光束经准直器2后变成平行光，经起偏器3后转变成线偏振 光，并从环形传感头9开口处的一端面入射，在该传感头的外侧渐变折射率分布层6 中以正弦型路径向前传播。当光束因折射进入均匀折射率分布层7后，沿直线传播， 进而以相同的角度折射进入渐变折射率分布i！ 8。如此周期性向前传播，直到在环形 开口的另-一端面处出射。出射光由光纤耦合器4耦合进单模保偏光纤5传输到检偏器 10，最后输出至信号探测与处理系统11进行光电转换和信号解调。由于被测电流母线12产生的磁场方向沿环形传感头9的圆周方向，因此，所述互 感器的有效光程约为环形传感头均匀折射率层7分别与渐变折射率层6、8分界面周长的平均值。如图1所示，可以看出，所述传感头中线偏振光的有效光程约为7X(/ 2+i 3)。本实施例1中线偏振光在所述环形传感头9内、外侧的渐变折射率层6、 8沿iH弦刑 路径传播，不与内、外壁和空气的界面接触，不发生全反射—在环形传感头9的中间层 7以直线传播。环形传感头的开口大小直接影响传感头中光路的闭合程度，开口越小光路的闭合 程度越高，传感头受外界环境的千扰越小。假设线偏振光的入射点距环形传感头中心 处的距离为.L，由于测量光路的需要，环形传感头开口中心角应满足<formula>formula see original document page 8</formula>环形传感头9的外径i 4还应小于40mm，因为电流母线所产生的环形磁场在距离母 线40mm处就十分微弱，且很不均匀了，因此如果环形传感头9的外径超过这个范围会 降低测量的灵敏度和稳定性。实施例2:参阅附图3，包括光源l，准直器2，起偏器3，光纤耦合器4，单模 保偏光纤5，环形传感头9，检偏器IO，信号探测与处理系统ll，保偏反射膜13。在实施例1中所述传感头9的线偏振光出射端面镀- -层保偏反射膜13即为本实施 例中的传感头，光纤耦合器4连接在线偏振光入射端面。从所述光源l发出的光束经准直器2后变成平行光，经起偏器3后转变成线偏振光，并从环形传感头9开口处的 一端面入射，在该传感头的外侧渐变折射率分布层6中以正弦型路径向前传播。当光 来肉折射进入均匀折射率分布层7后，沿直线传播，进而以相同的角度折射进入渐变 折射率分布层8。如此周期性向前传播，直到入射到环形开U的增镀保偏反射膜]3的 端面后，被反射回环形传感头9内部继续传播，曲线轨迹仍满足在渐变层沿正弦路径， 在均匀层沿直线传播。最终从原入射端面出射'，由光纤耦合器4耦合进，模保偏光纤 5传输到检偏器10，最后输出至信号探测与处理系统11进行光电转换和信号解调。实施例2中环形传感头9中的有效光程是实施例1中环形传感头9中的有效光程的2 倍。这样有效提高了系统的灵敏度。实施例3，参阅附图5，包括光源l，准直器2，起偏器3，光纤耦合器4，单模保 偏光纤5，环形传感头9，检偏器IO，信号探测与处理系统ll。所述环形传感头9系用磁光材料加工成的有 开口的环形结构，其外径为30mm， 内径为20mm ，幵L:处的两个端面经研磨抛光，分别作为线偏振光的入射而和出射-ltn,, 所述环形传感头9的外侧折射率成平方律渐变分布，而内层折射率呈均匀分布，同时 环形传感头9的折射率沿轴向均匀分布。即所述环形传感头9中的折射率在横截面上 的分布满足以下关系<formula>formula see original document page 9</formula>。式中^为中间均匀层的折射率，"V"。、2 ， &="0 4)， c^mm是折射率渐变层的厚度，因此R4-A二c，如图6所示。利用光线力程求解光线在折射率成平方律渐变分布介质中的传播轨迹为<formula>formula see original document page 9</formula>式中h为入射光线与入射点所在圆周切线的夹角，讨'算得出入射角;i)应满足<formula>formula see original document page 10</formula>由此可知，光线在介质中按正弦型路径传播，其传播周期为7^^cos7。，幅值丑=tany0—d °从所述光源1发出的光束经准直器2后变成平行光，经起偏器3后转变成线偏振 光，并从环形传感头9开口处的一端面入射，其在该传感头的渐变折射率分布层6中 以JH弦型路径向前传播，然后光束将因折射进入均匀折射率分布g 7，沿直线传播， 进而将会以相同的角度再次折射进入渐变折射率分布层6。如此周期性传播，直到在 环形开口的另一端面处出射。出射光由光纤耦合器4耦合进单模保偏光纤5传输到检 偏器10，最后输出至信号探测与处理系统11进行光电转换和信号解调。由于被测电流母线12产牛的磁场方向沿环形传感头9的圆周方向，因此，所述丁r. 感器的有效光程为环形传感头渐变折射率层6和均匀折射率层7分界ldl的周长。如阁 3所示，可以看出，所述传感头中线偏振光的有效光程约为2兀/ 3。与实施例1、 2相比，实施例3中线偏振光在传感头9中的传播轨迹更接近圆，闲此有利于更加精确的计算有效光程。实施例4，参阅附图7，包括光源l，准直器2，起偏器3，光纤耦合器4，单模保 偏光纤5，环形传感头9，检偏器IO，信号探测与处理系统ll。在实施例3中所述传感头9的线偏振光出射端面镀一层保偏反射膜13即为本实施例 中的传感头。从所述光源1发出的光束经准直器2后变成平行光，经起偏器3后转变成线 偏振光，并从环形传感头9开口处的一端面入射，其在该传感头的渐变折射率分布层6 中以正弦型路径向前传播，然后光束将因折射进入均么J折射率分布层7，沿直线传播， 进而将会以相同的角度再次折射进入渐变折射率分布层6，如此周期性传播。当线偏振 光传播到达被增镀保偏反射膜B的端面后并不出射，而是被反射回环形传感头9内部传 播，曲线轨迹仍满足在渐变层沿正弦路径，在均匀层沿直线传播。最终从原入射端面出射，由光纤耦合器4耦合进单模保偏光纤5传输到检偏器10，最后输出至信号探测与 处理系统1 ]进行光电转换和信号解调。实施例4中环形传感头9中的有效光程是实施例3中环形传感头9中的有效光程的2 倍。这样有效提高了系统的灵敏度。本发明自聚焦型光学电流互感器利用自聚焦原理发明了四种光学电流互感器，所 述四种互感器均克服了现有光学玻璃型电流互感器中因传感头不可避免的反射相移向 降低了系统抗千扰能力和稳定性的缺点。线偏振光在传感头中沿曲线轨迹周期性向前 传播，因而避免了线偏振光与空气和传感头界面的接触，消除了反射所产生的反射相 移对测量结果的影响。而且由于偏振光的光强没有损耗，也避免了现存光学玻璃型电 流互感器中输出光强信号弱，信噪比差的缺点。本发明所述光学电流互感器不但具有 较高的光路闭合程度，而且有较大的有效光程，因而具有较高的灵敏度、抗千扰能力 和稳定性。实施例2、 4中的环形传感头的有效光程分别是实施例1、 3中有效光程的 2倍，因此具有更高的灵敏度。
权利要求
1.一种自聚焦型光学电流互感器，包括光源(1)、准直器(2)、起偏器(3、光纤耦合器(4)、单模保偏光纤(5)、检偏器(10)和信号探测与处理系统(11)，其特征在于环形传感头(9)为磁光玻璃或晶体的矩形的圆环状，且有开口；所述环形传感头(9)的开口两端面经研磨抛光处理；环形传感头(9)开口中心角应满足<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>&theta;</mi><mo>></mo><mfrac> <mi>&pi;</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>&gamma;</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mi>arcsin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msub> <mrow><mi>L</mi><mi>cos</mi><mi>&gamma;</mi> </mrow> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100174582C00011.gif" wi="213" he="41" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中L为偏振光的入射点距环形传感头中心处的距离，γ0为入射光线与入射点所在圆周切线的夹角且<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>tan</mi><msub> <mi>&gamma;</mi> <mn>0</mn></msub><mo>&le;</mo><mfrac> <msqrt><msup> <msub><mi>n</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn></msup> </msqrt> <msub><mi>n</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100174582C00012.gif" wi="138" he="48" img-content="drawing" img-format="tif"/-->n0为环形传感头(9)中间均匀层折射率，n2为环形传感头(9)内、外表面处折射率，R4为环形传感头(9)的外径，且R4小于40mm。
2. 根据权利要求1所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的环形传感 头(9)折射率沿环形结构的轴向呈均匀分布，沿环形结构的径向满足当7 2 2r^A 时，折射率均匀分布；当i , 9^2时和/ "^7 4折射率呈梯度分布；/ ,为环形传 感头内径且大于被测电流母线的半径，W2 、 A分别为中间折射率均匀层与内、外 折射率梯度分布层界面处半径，A-i ^A-i 产c， c是梯度折射率分布层的厚度。
3. 根据权利要求1所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的环形传感 头(9)折射率沿环形结构的轴向呈均匀分布，沿环形结构的径向满足当《《r《/^ 时，折射率均匀分布；当A《r^^时，折射率呈梯度分布。
4. 根据权利要求2或3所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的环形 传感头(9)的前后两端面被研磨抛光，光纤耦合器(4)连接在线偏振光出射端面。
5. 根据权利要求2或3所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的环形 传感头(9)的线偏振光出射端面镀一层保偏反射膜，光纤耦合器(4)连接在线 偏振光入射端面。
全文摘要
本发明涉及一种自聚焦型光学电流互感器，包括光源1、准直器2、起偏器3、光纤耦合器4、单模保偏光纤5、检偏器10和信号探测与处理系统11，其特征在于环形传感头9为磁光玻璃或晶体的矩形的圆环状，且有开口；所述环形传感头9的开口两端面经研磨抛光处理；环形传感头9开口中心角应满足θ＞π/2-γ₀-arcsin(Lcosγ₀/R₄)。有益效果是由于光线在传感头中传播时不与界面接触，偏振光的光强没有损耗，因此克服了现有光学玻璃型电流互感器中输出光强信号弱，信噪比差的缺点；避免了现有技术中采用双光源的做法，降低了传感系统的成本。
文档编号G01R15/14GK101285855SQ200810017458
公开日2008年10月15日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者洵 万, 鹏 张, 王美蓉, 赵建林 申请人:西北工业大学