专利名称：自聚焦型光学电流互感器的制作方法
技术领域：
本实用新型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。由于全反射时，反射光电矢量相对于入射光电矢量 的相应分量之间会产生附加的相位变化(简称反射相移，以下同)，使入射的线偏振 光变为椭圆偏振光，从而降低了测量灵敏度，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，己成为此类OCT设计中亟待解决的关 键问题。
Gongde Li等人(Sensitivity Improvement of an Optical Current Sensor with Enhanced Faraday Rotation, Journal of Lightwave Technology, VolL. 15， No. 12, 1997)提出了一禾中 光学玻璃型电流传感器。该电流传感器采用环形集磁器增大电流母线周围磁场，并将 长方体光学玻璃放置在集磁器开口处，利用法拉第效应测量母线电流。但是，由于线偏振光在光学玻璃上下表面发生多次反射过程必然会引入反射相移，从而给测量结果 带来了误差。
Benshun Yi等人(New Design of Optical Electric-Current Sensor for Sensitivity Improvement, IEEE Translations on Instrumentation and Measurement, Vol. 49, No. 2, 2000)提出的一种光学玻璃型电流传感器也采用了一个有开口的环形集磁器来增大电 流母线周围的磁场。他们将长方体光学玻璃的前端面研磨抛光成倾角为临界角的斜面， 后端面镀金属反射膜，并将其置于环形集磁器的开口处，线偏振光垂直于斜面入射， 并在光学玻璃的上下表面处发生多次临界反射，到达玻璃后端面时，经后端面上的金 属反射膜反射回玻璃内，再经过上下表面的多次临界反射，最终从入射端面出射。进 而ftk力、〗(Magneto-optical electric-current sensor with enhanced sensitivity, Measurement Science and Technology, Vol. 13, 2002, N61-N63)又对上述传感头进行了改进。但无论 是改进前还是改进后的传感头，由于加工精度的限制和实际应用中光束不能严格垂直 于斜面入射，从而使得线偏振光在上下表面发生的反射不是严格的临界反射，因此同 样会引入反射相移并降低传感器的灵敏度。
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，本实用新型提出一种自聚焦型光学电流互感器。 利用梯度折射率型磁光玻璃或晶体的自聚焦原理制作传感头，由于光线在到达玻璃的 或晶体上下表面之前就会发生弯曲，避免了在表面上的全反射，因而可以完全消除反 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、环形集磁器5、 光纤耦合器8、单模保偏光纤9、检偏器10和信号探测与处理系统11，其特征在于 在环形集磁器开口 7位置安放传感头4，所述的传感头采用磁光玻璃或晶体，加工型状为长方体，所述集磁器开口7的宽度为5mm到10mm，必须大于传感头4的宽度。 所述的传感头4的宽度必须大于2c，其中c是梯度折射率层的厚度。
所述的传感头4的光线入射面与入射光的夹角^。应满足—"A2-"22 ，其中
^为传感头4中间层折射率，n2为传感头4上下表面处折射率。
所述的环形集磁器5的外径小于40mm，宽度R大于等于传感头的长度L，其中 L小于环形集磁器5的外径与被测电流母线半径的差。
所述的传感头两个通光面被研磨抛光成平行平面，光纤耦合器8连接在传感头4 位于环形集磁器5内径的一侧。
所述的传感头4位于环形集磁器5外径的端面被磨平抛光，在与其平行的后端面 镀保偏反射膜12，光纤耦合器8连接在传感头4位于环形集磁器5外径的一侧。
传感头4根据光束自聚焦原理制作，传感头材料为磁光玻璃或晶体，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传感头材料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。
带开口的环形集磁器5，目的是为了形成磁力线通路，使得传感头磁路尽量闭合 并增大磁路中的磁通量。环形集磁器的壁厚，开口大小取决于长方体型传感头的尺寸， 即环形集磁器开口处空间的大小要适合传感头放入其中。同时开口越大，开口处磁场
越小，均匀性越差。当集磁器开口宽度为5mm到10mm时，其开口处的磁场强度约 为不加集磁器母线中电流产生的磁场强度的2倍；而当集磁器开口宽度大于16mm时， 其开口处的磁场强度甚至小于不加集磁器时母线中电流产生的磁场强度。其次，集磁 器的直径应小于80mm，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，因此如果集磁器的外径超过这个范围，就会导致磁场的失真， 从而降低了测量的灵敏度和稳定性。
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，但这里对TE波和TM波的弯曲相移都是兀/2， 所以该全反射不改变线偏振光的偏振态，因此也就对测量结果没有影响。 有益效果
本实用新型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，因此避免了由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，因此也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。
图1是本实用新型自聚焦型光学电流互感器第一实施方式的结构示意图2是本实用新型自聚焦型光学电流互感器第一实施方式传感头折射率分布图3是本实用新型自聚焦型光学电流互感器第二实施方式的结构示意图4是本实用新型自聚焦型光学电流互感器第二实施方式传感头折射率分布l-光源；2-准直器；3-起偏器；4-长方体型传感头；5-环形集磁器；6被测电流母
线；7-环形集磁器开口； 8-光纤耦合器；9-单模保偏光纤；lO-检偏器；11-信号探测与
处理系统；12-传感头；13-保偏反射膜。
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步描述
实施例l:参阅附图l、图2，包括光源l，准直器2，起偏器3，长方体型传感
头4，环形集磁器5，被测电流母线6，光纤耦合器8，单模保偏光纤9，检偏器IO, 信号探测与处理系统11。
所述光源l为氦氖激光器。
所述准直器2用于将光源出射的光束转变为平行光束。 所述起偏器3的作用是将准直器出射的光束转变成线偏振光。所述环形集磁器5可以为具有很高磁导率和很小矫顽力的软磁材料，其外径为
30mm。它的作用是形成磁力线通路，并增大磁路中的磁通量。 所述光纤耦合器8作用是将光束耦合进入光纤。
所述单模保偏光纤9的作用是保持光纤中携带信息的线偏振光的偏振态不变，以供 检偏器检测。
所述检偏器10用于检测从传感头出射的线偏振光偏振面的变化。 所述信号探测与处理系统ll的作用是将探测到的光信号转换成电信号并进行信号 解调。
所述长方体型传感头4置于所述环形集磁器5的开口7处，集磁器开口7的宽度为 7mm。
该长方体型传感头4采用块状磁光材料制成，该材料的梯度折射率层的厚度c为 lmm，则传感头4的宽度为5mm。该传感头的两个通光面被分别磨平抛光成平行平面， 使得光束可以从这两个通光面入射和出射，光纤耦合器8连接在传感头4位于环形集磁 器5内径的一侧。所述块状磁光材料采用离子交换等方式使得其折射率呈梯度分布。这 里以折射率成平方率渐变分布为例加以说明。在块状磁光材料的上下表面同时进行离 子交换，在离子交换层，磁光材料的折射率成平方率渐变分布，在没有进行离子交换 的中间层，其折射率仍是均匀分布的，最终折射率在xoz平面内的分布满足
M2(x) = "02[l-<i2(x±6)2] "6或x2-6 w2(;c) = w0- -6《xS6
式中 为中间均匀层的折射率，^^^"2 ， "2为传感头上下表面处的折射率，C 为折射率渐变层的厚度，如图1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
x(z)=——^sin(-)
dcos ;k
式中y。为光线与z轴的夹角。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^与cos^，幅值￡ =,。
从所述光源1发出的光束传输至准直器2后变成平行光，经起偏器3后转变成线 偏振光，再以一定角度经长方体型传感头4的一个端面入射。进入传感头4的入射光， 在传感头折射率渐变层中以正弦型路径向前传播，但在均匀层中仍以直线传播，这样 便可以以相同的角度再次折射进入渐变折射率层。如此周期性传播，最终从传感头的 另一端面出射。经光纤耦合器8耦合至单模保偏光纤9，由检偏器10检测其偏振面的 变化，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。
由于所述传感头中磁场方向垂直于所述正弦型传播路径的轴线方向。因此，该光 学电流互感器的有效光程为周期性曲线轨迹幅值的4M倍，M是光线在该传感头中传 播的周期数。通过计算可以求出周期r'-r +站^^。设该传感头在光线传播方向上
tany0
的长度为Z，则光线在其中传播的周期数
i,Z Z * d * tan yn
r2;r sin yn + 4必cos h
于是，平行于磁场方向的有效光程为
Z = 4M*("6) = - "Sinr"(Sm^ +必cos^) _ cos2 ;k0 (2;r sin ;j/0 + 4必cos "0)
由上式可以看出，增大入射角外可以增大有效光程。同时，入射角拘受到传感头
尺寸和折射率不均匀程度等的限制。计算得出入射角外应满足
实施例2:参阅附图2，包括光源l，准直器2，起偏器3，环形集磁器5，传感头4， 检偏器10，光纤耦合器8，单模保偏光纤9，保偏反射膜13，信号探测与处理系统ll。 所述光源1为半导体激光泵浦的固体激光器。
本实施例所述的传感头4在上一个实施例的一种改进，即将方形传感头4的前端 面被磨平抛光，在与其平行的后端面镀保偏反射膜12，光纤耦合器8连接在传感头4 位于环形集磁器5外径的一侧。从所述光源1发出的光束经过准直器2后变成平行光， 经起偏器3后转变成线偏振光，再进入所述传感头4。入射光以一定角度入射到传感头4的前端面，入射光束在传感头4的折射率渐变层中以正弦型路径向前传播，在折 射率均匀层中仍沿直线传播。如此周期性传播，最终在镀有保偏反射膜12的后端面发 生反射，反射线偏振光在传感头中以相同的方式传播，最终从原入射端面出射。经光
纤耦合器8耦合至单模保偏光纤9，由检偏器IO检测其偏振面的变化，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与实施例1的区别在于实施例2中传感头4的后端面镀保偏反射膜12。 线偏振光在所述传感头4中来回两次传播，有效光程加倍。由于入射光和出射光在所 述传感头4的同一侧，并且在空间上是相互分离的，因此可以减小传感头的总体尺寸。 但是该传感头中由于引入反射结构可能会对传感器性能产生一定影响。
本实用新型自聚焦型光学电流互感器利用自聚焦原理提出了两种光学电流互感器 结构，所述两种结构均克服了现有光学玻璃型电流互感器因传感头不可避免的反射相 移而降低了系统抗干扰能力和稳定性的缺点。由于线偏振光在传感头中沿曲线轨迹周 期性向前传播，避免了与空气和传感头界面的接触，消除了全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。此外，所述实施例2中的长方体型传感 头较实施例1中的长方体型传感头而言，有效光程加倍，并且可以减小传感头的总体 尺寸。
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)、环形集磁器(5)、光纤耦合器(8)、单模保偏光纤(9)、检偏器(10)和信号探测与处理系统(11)，其特征在于在环形集磁器开口(7)位置安放传感头(4)，所述的传感头(4)采用磁光玻璃或晶体，加工型状为长方体，所述集磁器开口(7)的宽度为5mm到10mm，必须大于传感头(4)的宽度。
2. 根据权利要求1所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的传感头(4) 的宽度必须大于2c，其中c是梯度折射率层的厚度。
3. 根据权利要求1所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的传感头(4)的光线入射面与入射光的夹角7。应满足ta盯"A2-，其中"o为传感头(4)<formula>formula see original document page 2</formula>中间层折射率，112为传感头(4)上下表面处折射率。
4. 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集磁器(5)的外径小于40mm，宽度R大于等于传感头的长度L，其中L小于环形集 磁器(5)的外径与被测电流母线半径的差。
5. 根据权利要求1所述的自聚焦型光学电流互感器，其特征在于所述的传感头(4) 两个通光面被研磨抛光成平行平面，光纤耦合器(8)连接在传感头(4)位于环 形集磁器(5)内径的一侧。
6. 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:所述的传感头4 位于环形集磁器5外径的端面被磨平抛光，在与其平行的后端面镀保偏反射膜12， 光纤耦合器8连接在传感头4位于环形集磁器5外径的一侧。
专利摘要本实用新型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、环形集磁器5、光纤耦合器8、单模保偏光纤9、检偏器10和信号探测与处理系统11，其特征在于在环形集磁器开口7位置安放传感头4，所述的传感头采用磁光玻璃或晶体，加工型状为长方体，所述集磁器开口7的宽度为5mm到10mm，必须大于传感头4的宽度。有益效果是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，因此也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G01R15/22GK201149602SQ20082002825
公开日2008年11月12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