基于反射结构的光学电流互感器及其电流测量方法与流程

本发明涉及光学电流互感器领域，特别是涉及一种基于反射结构的光学电流互感器及其测量磁场及电流的方法。

背景技术：

光学电流互感器作为一种新型的电流互感器，其具有动态范围大、测量量程与造价不成比例关系、绝缘性能好等优点，因此受到了广泛的关注。但同时它也存在着一些缺陷，其中的一个方面就是由于受传感头体积以及器件分布的限制，磁光晶体一般制作的很薄，导致磁旋角非常小，输出光强变化非常微弱，因此在微弱磁场或小电流的情况下测量精度会大大下降。一般的基于法拉第效应的光学电流互感器的测量过程为：光源发出的光经过光纤进入准直器，从准直器发出的光经过起偏器后成为具有一定偏振方向的线偏振光，线偏振光经过磁光晶体时，在磁场的作用下，偏振方向会发生一定的偏转，从磁光晶体出射的光再通过与起偏器透光轴夹角为45°的检偏器，然后经准直器输出，最后经过光纤进入光电探测器转换为电信号。通过对电信号进行处理可以得到偏振光在磁场作用下的偏转角度，而偏振光的偏转角度与电流产生的磁场强度以及磁光材料的费尔德常数有关，由此可以测得电流的大小。而在小电流的情况下偏转角度通常很小，因此会对测量结果的准确度造成一定的影响。

技术实现要素：

鉴于现有技术及其存在的缺陷，，本发明提出了一种基于反射结构的光学电流互感器及其电流测量方法，利用在传感头内设置的反射镜结构使得线偏振光经反射镜反射后，其偏振方向不发生改变，而且磁光晶体的磁致旋光效应具有非互易性，保证了反射光的偏转角与入射光的同向，从而实现光学电流互感器对磁场及电流值的测量。

本发明的一种基于反射结构的光学电流互感器，其结构包括由光纤连接的激光光源1、光纤环形器2、传感头3以及光电探测器4，所述光电探测器4的传感头内的头部至尾部依次设置有准直器5、偏振片6、偏振调制器7、磁光晶体8和反射镜9，其中：

在所述传感头3中，激光光源1发出的光通过光纤环形器2产生的光束经准直器5准直后入射至偏振片6，经过偏振片6后变为线偏振光入射至偏振调制器7，偏振调制器7出射的光经过磁光晶体8后由反射镜9反射后依次经过磁光晶体8、偏振调制器7、偏振片6、准直器5后输出，输出的光再经过光纤环形器2后入射至光电探测器4。

本发明的一种利用所述基于反射结构的光学电流互感器的电流值测量方法，该方法具体过程包括以下步骤：

首先，激光光源1发出的光通过光纤环形器2产生的光束经准直器5准直后入射至偏振片6，经过偏振片6后变为线偏振光入射至偏振调制器7，记录下偏振调制器7出射的光未经过磁场时的光强输出值；

然后，偏振调制器7出射的光经过磁光晶体8后由反射镜9反射后依次经过磁光晶体8、偏振调制器7、偏振片6、准直器5后输出，记录磁光晶体8的不同磁场强度下的光强输出值以及相对应的磁场强度，根据光强输出公式对传感头3中磁光晶体的费尔德常数v和长度l的乘积进行标定；

计算线偏振光在外界磁场的作用下经过磁光晶体后偏振方向旋转的角度

θ＝2vhl(1)

其中，v为磁光晶体的费尔德常数，h为传感头所在位置的磁场强度，l为光束在磁光晶体中通过的长度；

假设偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光的旋转方向相反，则经过偏振片后的出射光强i为：

i＝2i0cos²(45°+θ)(2)

假设偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光的旋转方向相同，则经过偏振片后的出射光强i为：

i＝2i0cos²(45°+θ)(3)

其中，i0为没有磁场时的光强信号输出值；

结合公式(1)、(2)和(3)，得到出射光强：

i＝2i0cos²(45°±2vhl)(4)

其中当偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光旋转方向相同时取正号，旋转方向相反时取负号。

对公式(4)求解，获得磁场强度h的值；再由电流i与其产生的磁场h之间的关系：

h＝k·i(5)

其中，k为可标定的比例系数；

即可求得所测电流值的大小。

与现有技术相比，本发明能够提高光学电流互感器对磁场及电流值测量的灵敏度，从而实现对微弱磁场及小电流的测量。

附图说明

图1为本发明光学电流互感器整体结构示意图。

图2为光学电流互感器传感头的内部结构示意图。

图中：1、激光光源，2、光纤环形器，3、传感头，4、光电探测器以及各器件之间用于连接的光纤，5、准直器，6、偏振片，7、偏振调制器，8、磁光晶体，9、反射镜。

具体实施方式

下面将结合示例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施例一：

如图1所示，为本发明基于反射结构的光学电流互感器结构示意图。该结构包括激光光源1、光纤环形器2、传感头3、光电探测器4以及各器件之间用于连接的光纤；光电探测器4传感头内的光学元件依次为准直器5、偏振片6、偏振调制器7、磁光晶体8和反射镜9。

系统的光源为单波长激光光源，光源发出的光通过光纤环形器2后进入传感头4，光束在传感头4中首先经5-准直器准直后入射至偏振片6，经过偏振片6后变为线偏振光入射至偏振调制器7，偏振调制器7出射的光经过磁光晶体8后由反射镜9反射后依次经过磁光晶体8、偏振调制器7、偏振片6、准直器5后输出，输出的光再经过光纤环形器2后入射至光电探测器4。

本实施例的传感头为具有反射镜的新型传感头，反射镜设置在传感头的尾部。入射光和反射光经过了同一块磁光晶体，保证了入射光和反射光在同一磁场强度下发生偏转时所需的磁光晶体的其他物理参数完全相同。所以在同一磁场强度下，磁旋角会相对于传统结构的传感头增加一倍。偏振调制器为非互易型旋光器件，可使单次通过它的线偏振光偏振方向旋转22.5度，其周围由磁屏蔽材料覆盖，可以保证内部旋光元件不受外界磁场干扰。偏振调制器的特点在于可以使两次经过它的线偏振光的偏振方向旋转45°，从而使反射光经过偏振片时处于变化最敏感的范围。反射镜可以在保证光偏振态不变的前提下使光沿原路返回，使偏振光两次经过磁光晶体，利用磁光晶体的非互易性使偏转角翻倍，从而使系统的测量灵敏度翻倍；并且由于偏振调制器的存在使反射光经过偏振片时处于变化最敏感的范围，大大提高了微弱磁场或小电流情况下的测量准确度。

具体实施例二：

本实施例为采用实施例一所述的基于反射结构的光学电流互感器对磁场及电流值进行测量的方法，可以使基于法拉第效应的光学电流互感器的测量灵敏度增加一倍，提高在微弱磁场或小电流情况下的测量准确度。该方法具体过程为：首先按照图1所示光路搭建光学电流互感器系统，记录下没有磁场时的光强输出信号。然后记录不同磁场强度下的光强输出值以及相对应的磁场强度，根据光强输出公式对传感头中磁光晶体的费尔德常数v和长度l的乘积进行标定。

在实际测量中，线偏振光在外界磁场的作用下经过磁光晶体后偏振方向旋转的角度翻倍：

θ＝2vhl(1)

其中，v为磁光晶体的费尔德常数，h为传感头所在位置的磁场强度，l为光束在磁光晶体中通过的长度(费尔德常数v和长度l为可标定量)；

偏振调制器的作用在于可以使经过两次的线偏振光的偏振方向旋转45°，从而使反射光经过偏振片时处于变化最敏感的范围。假设偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光的旋转方向相反，则经过偏振片后的出射光强i为：

i＝2i0cos²(45°-θ)(2)

假设偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光的旋转方向相同，则经过偏振片后的出射光强i为：

i＝2i0cos²(45°+θ)(3)

其中，i0为没有磁场时的光强信号输出值；

结合公式(1)、(2)和(3)，得到出射光强：

i＝2i0cos²(45°±2vhl)(4)

其中当偏振调制器和磁光晶体引起的线偏振光旋转方向相同时取正号，旋转方向相反时取负号。

公式(4)中只含有磁场强度h这一个未知数，因此对公式(4)求解，即可获得磁场强度h的值；再由电流i与其产生的磁场h之间的关系：

h＝k·i(5)

其中，k为可标定的比例系数；

即可求得所测电流值的大小。