专利名称：三相光纤电子互感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感装置，特别是一种三相光纤电子互感器。
背景技术：
光纤传感器是一种新型传感器，其具有良好的绝缘性能、动态测量范围大、 易于与数字系统接口等优点，因而应用前景十分广阔。光纤环形腔衰荡光语技 术是一种新的用于光纤传感器的技术原理，将光纤的法拉第效应转变为光纤环 形腔中的脉沖衰荡谱，工作原理是将脉冲光波入射到光纤环形腔中，入射的光 波可沿着环形腔绕行很多圈，每转一圏都有极小部分光通过一光纤耦合器输出 到光电探测器中，其余的光仍继续在光纤中传输，由于光纤的光纤自身和耦合 器的损耗，还有传感头附加的损耗，光的强度随着时间不断减小，形成衰荡曲 线，通过计算衰荡时间便可知道电流的大小。
光纤传感器包括有第一光源、由第一耦合器、第二耦合器和电子传感头组 成的环形腔以及光电探测器。第一光源连接到第一耦合器的一输入端，第二耦 合器的 一输出端连接到光电检测器的输入端。电子传感头连接待测的设备或导 线。第一耦合器用于将光源引入环形腔，并依序沿着电子传感头及第二耦合器 进行传播，最后返回第一耦合器，形成环形循环传播。第二耦合器用于输出环 形腔中经传感头影响后光波中的极小部分光，光电探测器则是将接收到的光信 号转换为电信号，以便于后续的数据处理。然而现有的电力设备、电网等都三 相电，在进行测量时也需要对三相的电参数都进行测量，采用上述光纤传感器 时，需要同时采用三套设备对三相的电参数进行测量，不但费时费力，同时由 于采用了不同的三套设备，必然产生仪器误差，对测量的精确度产生较大影响。
发明内容本实用新型的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种可同时测量三 相电参数的三相光纤电子互感器。
本实用新型是通过以下途径来实现的
三相光纤电子互感器，包括有第一光源和光电探测器，其结构要点在于， 还包括有三个依序由第一耦合器、第二耦合器和电子传感头组成的环形腔，一 种具有一个输入端、三个输出端的一分三耦合器， 一种具有三个输入端、 一个 输出端的三合一耦合器， 一种由设定长度光纤组成的光纤延时器，第一光源的 光波输出端连接到一分三耦合器的输入端，该一分三耦合器的三个输出端分别 连接到三个环形腔的第一耦合器输入端上，每个环形腔中的第二耦合器的一输 出端连接到三合一耦合器的三个输入端上，该三合一耦合器的输出端连接光电 探测器；在三个环形腔的第 一耦合器输入端前或者第二耦合器的输出端后串接 有光纤延时器，每个环形腔所串接的光纤延时器的长度呈规律递增或递减。
上述的光纤延时器长度呈规律递增或递减是指，所连接的三个光纤延时器 长度是不相同的，例如A相、B相、C相所连接的光纤延时器依次递增，从长 到短规律变化的，这样可以方便光电探测器对信号的接收和转换。由于光波的 传播时间与速度和距离有关系，距离越长，则需要的传播时间越多，因此越长 的光纤将会导致在其中的光波传播时间加长，本发明就是依据这原理，将一定 长度的光纤进行制作，形成光纤延时器，不同长度的光纤延时器分别安装在三 相测量光路中。这样，在对三相电进行测量时，每相中进行检测的光纤长度也 不一样，光波到达光电探测器的时间也就不同，形成三个时间差，即同时输入， 但会在三个不同的时间分别输出三相的测量光波，光电探测器可以根据三相测 量光波到达的时间计算出每相所感应的电流大小。
一分三耦合器和三合一耦合器是一种现有技术，本领域技术人员也有试过 将该耦合器用于测量三相电的光纤传感器中，但是无法解决的问题是三路的 光纤信号不分前后，基本是在同一时间到达光电探测器，光电探测器难以区分 三路信号，也无法给出具体的信号值，因此本领域的技术人员便舍弃了该技术， 也由此产生了技术偏见，认为该技术问题是无法解决的技术难题。本发明的技术人员克服该技术难题，采用了光纤延时器来对三路信号进行分时发送，在光 纤延时器的作用下，三路信号将会根据光纤延时器的长度大小形成的信号传输 时间差，依序将信号送达光电探测器，这样，光电探测器就可以区分三路探测
信号，也就可以根据信号具体计算电流值，达到了很好的技术效果即只需要 一套光纤电子互感器便可实现对三相电的电参数测量，测量简单、方便，由于 采用同一光源和同一技术分析器(即光电探测器)，也避免了测量的仪器误差， 精确了测量值。
本实用新型可以进一步具体为
光纤延时器由设定长度的光纤构成，光纤围绕成圈状，构成光纤延时器。
由于光纤延时器主要是由具有一定长度的光纤构成，其可以釆用多种形式 进行摆;改，压缩其安置的空间，除了上述所说的，还可以将光纤压缩在某一具 有内腔的设备中，或者是采用附加装置对该光纤进行安置。
光纤延时器的长度小于环形腔长度，大于单个光脉冲时间宽度内脉沖所走 的距离。具体可以做如下选择可以三相中，每相都串接一个光纤，但第一相 是没有时间差比较的，因此可以不用串接光纤延时器，这样延时器三相中第一 相不串接光纤延时器，第二相和第三相分别串接一个
第二相中的光纤延迟器长度选择是小于1/2的环形腔长度减去1/2的单个光
脉冲时间宽度，脉冲所走的距离。
第三相中的光纤延时器长度选择是小于环形腔腔长减去1/2的单个光脉冲 时间宽度，脉冲所走的距离。
还包括有第二光源、波分复用器和第二波分解复用器，第一光源和第二光 源的光波输出端通过波分复用器连接到一分三耦合器的输入端，第一波分解复 用器的输入端连接三合一耦合器的光波输出端，第二波分解复用器的输出端则 连接光电探测器。
第二光源用于提供环形腔中的参考光源，这样可以在计算中抵消环境、特 别是温度对环形腔中传播的光波的影响，提高计算的精确度。波分复用器是一 种将两种不同波长的光波进行整合，形成一种组合光波， 一分三耦合器则是将该组合光波分成三路传播出去。第二波分解复用器是相对波分复用器而设置的， 用于分解即将要计算的组合光波，使之还原为两束不同的波长的光波。
光电探测器包括有第一光电探测器和第二光电探测器，二者分别接收第二 波分解复用器的两输出光波。
考虑到双光波在同一环形腔内同时进行循环传播时，会发生光干涉现象， 可能导致参考光输出不稳定，从而影响测量结果不够精确，本实用新型采用如
下途径解决
环形腔还包括有第一波分解复用器，其具有一个输入端和两个输出端，输 入端连接第二耦合器的输出端，两个输出端之一连接第一耦合器的一输入端， 另一输出端为光波引出端。
如上所述，第一波分解复用器接收来自第二耦合器的组合光波后，将其进 行分解，还原为两束光波一测量光和参考光，其中测量光继续传输到第一耦合 器，使其继续沿着环形腔循环传播，另外的参考光则沿着光波引出端引出环形 腔，不再进行循环传播。这样将保持只有测量光波在环形腔内循环，参考光波 在经过电子传感头和第二耦合器采集信号后即通过第一波分解复用器引出环形 腔，这样既引用了参考光源，消除了温度对传播光波的影响，因此该电子互感 器测量精确，稳定。
本实用新型可以进一步具体为
第一光源输出检测光波，为一种脉冲光源，第二光源输出参考光波，为一 种连续光波，两光波为不同光波，波长相差为相对长的长波波长的1%~10%。
作为优选，该两种光源所输出的光波波长相近，两光波的波长相差越小越 好。光波波长相近将有利于各个设备，如耦合器、波分解复用器和波分复用器 对光波的处理，如波分解复用器对光波的分解将更为彻底。
第 一耦合器和第二耦合器均为 一种光纤耦合器。
的一种节点设备，如同电路中的节点，作为光流的合并输入节点或者分路传输 节点，与波分复用器或波分解复用器不同的是，光纤耦合器是用于合并和分解同一波长的光波，类似物理分解，而波分复用器和波分解复用器则是用于合并 和分解不同波长的光波，类似化学分解。
电子传感头由光纤和被测电气设备的电导体组成，光纤以靠触或缠绕在电 导体上实现二者的感应连接。
靠触或缠绕在电导体上的光纤表面上镀有一层超磁致伸缩材料。
具有超磁致伸缩材料层的光纤具有更好的技术效果超磁致伸缩材料在受 到磁场作用时，其形态参数发生相应作用，这样将引起光纤环形腔的衰减系数 的变化，即引起了光脉冲衰荡时间的变化，通过测量光脉冲的衰荡时间即可测 量得到电流值，使测量更为精准、正确。采用超磁致伸缩材料也将使光纤电子 传感头的构造变得更简单，由于磁致伸缩材料的效应，使得该传感头不需要采 用复杂的结构就可以准确获得感应参数，大大减小了传感头的体积与重量。
综上所述，本实用新型的优点在于，提供了一种三相光纤电子互感器，其 采用了光纤延时器，改变了三相测量光路中光的传播时间，使其在不同时间到 达光电探测器，光电探测器根据不同相测量光路中光波到达时间的规律便可计 算出三相电参数值，这样只需要一套三相光纤电子互感器便可实现对三相电的 电流、电压等电参数测量，测量简单、方便，由于采用同一光源和同一技术分 析器(即光电探测器)，也避免了测量的仪器误差，可以得到同步的精确测量值。
图1所示为本实用新型所述三相光纤电子互感器的电路构架原理示意图; 图中实线表示检测光的流向图，空心线表示参考光的流向图，实心线和空心线 交叠表示经由波分复用器组合的光波。
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。
具体实施例
最佳实施例
参照附图1,三相光纤电子互感器，包括如下部件(以下未标明数目的均为一个i殳备)
1、 第一光源和第二光源，均为1550nm附近半导体激光器，也可以选择 850nm附近半导体激光器，选择1550nm的半导体激光器更好些，1550nm 是通信波长，技术成熟，器件比较多，性能也比较稳定，更重要的是可 以采用单模光纤作为传输线路，比较稳定，损耗比较小；第一光源输出 的是脉冲光波，为检测光波，第二光源输出的是连续光波，为参考光波， 二者采用波长相近的光波，分别为1480nm波长与1550nm波长的近红 外光，波长相差70，为相对长光波——波长为1550nm光波的4.5%;
2、 第一耦合器3个、第二耦合器3个， 一分三耦合器和三合一耦合器，均 为光纤传感器，为1: 99的分光比，接口类型为FC/APC，第一耦合器 是一种二乘一光纤耦合器，具有两个输入端和一个输出端，第二耦合器 是一种一乘二光纤耦合器，具有一个输入端和两个输出端； 一分三耦合 器是一种一乘三耦合器，具有一个输入端和三个输出端，三合一耦合器 是一种三乘一耦合器，具有三个输入端和一个输出端；以上光纤耦合器 作为光路的一种节点，用于合并和分路光波传输；
3、 波分复用器、第一波分解复用器和第二波分解复用器3个，均为接口类 型为FC/APC ，1480nm与1550nm双波长的波分复用器/波分解复用器，
, 上述设备是用于合并或者分解光波，波分复用器将二种光波合并成为组 合光波，波分解复用器将组合光波还原为两种光波，分别输出；
4、 电子传感器3个，可以感应多种电参数，如电压、电流等，由光纤和^皮 测电气设备的电导体组成，光纤以靠触或缠绕在电导体上实现二者的感 应连接，同时靠触或缠绕在电导体上的光纤表面上镀有一层超磁致伸缩 材料；
5、 第一光电探测器和第二光电探测器，采用APD类型的光电探测器，将检 测到的光信号转换为数字电信号；
.6、数据处理装置，采用PC计算机或者单片机，用于计算检测信号，并计 算出最终的电参数结果；7、 光纤，传输导体，单模光纤，相对多模光纤稳定，损耗小。
8、 光纤延时器2个，光纤围绕成圏状，构成光纤延时器；分别串接在第二 相和第三相。当三个光纤环形腔长度相同，环形腔长度应该选择小于激 光器脉沖间隔脉沖光所走的距离，大于单个脉沖时间宽度内光脉冲所走 的距离。那么两个光纤延时器的长度分别是第二相中的光纤延迟器长 度选择大于单个脉冲时间宽度内光脉冲所走的距离，小于环形腔长度减 去2倍单个脉冲时间宽度内光脉冲所走的距离；第三相中的光纤延时器 长度选择大于2倍单个脉冲时间宽度内光脉沖所走的距离，小于环形腔 长度减去单个脉冲时间宽度内光脉沖所走的距离；第二相中的光纤延时 器比第三相中的光纤延时器要长单个脉冲时间宽度内光脉冲所走的距 离。
第一耦合器、电子传感头、第二耦合器和第一波分解复用器依序传输连接， 即前一个设备的输出端连接后一设备的输入端，最后以第一波分解复用器的一 输出端连接到第 一耦合器的 一输入端从而组成一 闭合光纤环形腔， 一共有三个 闭合光纤环形腔，第一波分解复用器的另一输出端为光波引出端。第一光源和 第二光源的输出端分别与波分复用器的两输入端连接，波分复用器的输出端通 过一分三耦合器分别连接到每个闭合光纤环形腔的第一耦合器的另一输入端； 每个光纤环形腔中的第二耦合器的另 一输出端分别连接到三合一耦合器的三个 输入端，三合一辆合器的输出端与第二波分解复用器的输入端连接，第二波分 解复用器的两输出端分别连接第 一光电探测器和第二光电探测器，该第 一光电 探测器和第二光电探测器的输出端分别连接到数据处理装置上。
在光纤延时器的作用下，三相输出的信号将循环并依次进入第二波分解复用 器，第二相的输出信号在第一相后，第三相在第二相后，随后第一相的第二次 信号又在第三相的第一次信号之后，周而复始，依次循环，从而方便同时检测 出三相线路上的电参数。
本实用新型未述部分与现有技术相同。
权利要求1、三相光纤电子互感器，包括有第一光源和光电探测器，其特征在于，还包括有三个依序由第一耦合器、第二耦合器和电子传感头组成的环形腔，一种具有一个输入端、三个输出端的一分三耦合器，一种具有三个输入端、一个输出端的三合一耦合器，一种由设定长度光纤组成的光纤延时器，第一光源的光波输出端连接到一分三耦合器的输入端，该一分三耦合器的三个输出端分别连接到三个环形腔的第一耦合器输入端上，每个环形腔中的第二耦合器的一输出端连接到三合一耦合器的三个输入端上，该三合一耦合器的输出端连接光电探测器；在三个环形腔的第一耦合器输入端前或者第二耦合器的输出端后串接有光纤延时器，每个环形腔所串接的光纤延时器的长度呈规律递增或递减。
2、 根据权利要求1所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，光纤延时器由 设定长度的光纤构成，光纤围绕成圏状，构成光纤延时器。
3、 根据权利要求1所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，光纤延时器的 长度小于环形腔长度，大于单个光脉冲时间宽度内脉冲所走的距离。
4、 根据权利要求1所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，还包括有第二 光源、波分复用器和第二波分解复用器，第一光源和第二光源的光波输出 端通过 波分复用器连接到一分三耦合器的输入端，第二波分解复用器的输 入端连接三合一耦合器的光波输出端，第二波分解复用器的输出端则连接 光电探测器。
5、 根据权利要求4所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，光电探测器包 括有第一光电探测器和第二光电探测器，二者分别接收第二波分解复用器 的两输出光波。
6、 根据权利要求4所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，环形腔还包括 有第一波分解复用器，其具有一个输入端和两个输出端，输入端连接第二 耦合器的输出端，两个输出端之一连接第一耦合器的一输入端，另一输出 端为光波引出端。
7、 根据权利要求4所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，第一光源输出 检测光波，为一种脉冲光源，第二光源输出参考光波，为一种连续光波， 两光波波长相差为相对长的长波波长的1% 10%。
8、 根据权利要求l所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，第一耦合器和 第二耦合器均为 一种光纤耦合器。
9、 根据权利要求1所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，电子传感头由 光纤和被测电气设备的电导体组成，光纤以靠触或缠绕在电导体上实现二 者的感应连接。
10、 根据权利要求9所述的三相光纤电子互感器，其特征在于，靠触或缠绕在 电导体上的光纤表面上镀有一层超》兹致伸缩材料。
专利摘要本实用新型涉及一种传感装置，特别是一种三相光纤电子互感器。本实用新型的优点在于，提供了一种三相光纤电子互感器，其采用了光纤延时器，改变了三相测量光路中光的传播时间，使其在不同时间到达光电探测器，光电探测器根据不同相测量光路中光波到达时间的规律便可计算出三相电参数值，这样只需要一套三相光纤电子互感器便可实现对三相电的电流、电压等电参数测量，测量简单、方便，由于采用同一光源和同一技术分析器(即光电探测器)，也避免了测量的仪器误差，可以得到同步的精确测量值。
文档编号G01R19/00GK201229372SQ20082010275
公开日2009年4月29日 申请日期2008年6月23日 优先权日2008年6月23日
发明者张榕林, 李高明, 邱怡申, 强 陈, 陈晓如, 陈曦曜 申请人:福建省电力试验研究院;福建师范大学;福建省电力试验研究院劳动服务公司