专利名称：新型光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种光纤电流传感器，适用于发电厂、高压传输线、变电所等处所的大电流的测量。
对大电流的测量普通采用电流互感器，但互感器结构笨重、绝缘性不好、不易用计算机监测。现在被大多数人采用的光纤法拉第电流传感器，它是通过测量光纤偏振面的旋转角，来实现大电流的测量，测量装置中，免不了光纤要弯曲，光纤弯曲就会产生双折射，而引起光偏振面的附加旋转，给传感器带来误差，降低传感器的灵敏度；法拉第电流传感器最理想的是使用保偏性能好的保偏光纤，以防止环境温度、振动、噪声干扰，但目前保偏光纤还没有达到这么高要求，所以，这种传感器的性能完善还有待保偏光纤性能的提高。
本实用新型的目的是设计一种易于实现、性能稳定、易于与计算机相连的一种测量大电流的传感器。
新型光纤电流传感器，由激光器、透镜、传感头、光电二极管pin、电子测量电路组成。传感头由光纤、感应线圈、显微物镜、起偏器、1／4波片、晶体、电极、检偏器、显微物镜、光纤构成，其光学元件依以上顺序放置在绝缘盒中，调好位置后固定。电极8夹在晶体的与x1轴垂直的平面上，电极8与感应线圈的导线1相连；感应线圈将被测电流线性的转换为感应电压，利用晶体的一次电光效应测量感应电压，而得到被测电流。
本实用新型的优点是，绝缘性能好、性能稳定、易于用计算机进行实时监测。
图1感应线圈图2光纤电流传感器示意图图3光电转换放大、滤波、除法器电路结合附图对本实用新型作进一步说明新型光纤电流传感器结构见图2，其感应线圈见图1，感应线圈是由导线均匀地密绕在矩形的铁磁材料上制成，为使铁磁材料的磁导率工作在线性区域，在铁磁材料上开一个气隙2；线圈的匝数及铁磁材料气隙间隔大小，应使线圈产生的感应电压小于晶体半波电压的1／π。传感头由光纤4、感应线圈(1、2、3)、显微物镜5、起偏器6、1／4波片7、晶体11(晶体可用BGO、BSO或LN)、检偏器9、显微物镜5、电极8、光纤4构成，其光学元件依5、6、7、11、9、5的顺序放置在绝缘盒10中，调好位置后固定，电极8夹在晶体的与x1轴垂直的平面上，电极8与感应线圈的导线1相连；感应线圈将电流线性的转换为感应电压，利用晶体的一次电光效应测量感应电压，而得到被测电流。
图3为光电转换放大、滤波、除法器电路，其光电转换放大电路12由光电二极管pin、集成运算放大器Lm308及反馈电阻R1组成，它将光电流转换为电压；放大电路由集成运算放大器Lm741及电阻R3、R4组成。低通滤波13由集成运算放大器F107、电阻R8、R9，电容C2、C3组成，电阻、电容值应满足R9×C2＝R8×C3。带通滤波15由集成运算放大器F107、电阻R5、R6、R7、电线圈的感应电压应满足V／Vπ＜1／π，这时有sinφ≈φ由(1)式得出P＝P0／2(1＋πV／Vπ) (4)式中，V为感应线圈的感应电压。
由(4)式可见，其输出光强与感应电压有线性关系。输出光强P，经光纤，经pin光电二极管转换为电信号，经放大、滤波将交直流分开，并将两路作除法运算，得出信号S＝πV／Vπ(5)将S值输入单片机(MCS－51)，算出被测电流，并由数字显示出来。
经理论分析和试验表明，调整铁磁材料的气隙间隔和晶体的半波电压，可满足不同测量范围的要求，并且有很好的线性。
依上述光纤电流传器的结构，晶体采用铌酸锂晶体，晶体尺寸为mm9×9×25，半波电压为1.04kV；起偏器和检偏器为渥拉斯棱镜，感应线圈的匝数为4000匝，制成的光纤电流传感器，对50A－300A范围内的电流进行测试，证明传感器有很好的线性与稳定性，非线性误差为1.09％。
容C1组成，电阻应满足R7＝R5／R6。除法器电路14是由除法器(BJH1010)和外围电路组成，其中＋10V由基准电源提供。
新型光纤电流传感器的工作原理是，感应线圈将被测电流线性的转换为感应电压，通过电极加在晶体上，He－Ne激光器输出光，经显微物镜耦合到光纤中传输，再经显微物镜变为平行光，经起偏器变为线偏振光，经1／4波片变为园偏振光，进入晶体，利用晶体的横向电光调制方式，x3轴方向为光通方向，x1轴方向为外加电压方向，1／4波片的快慢轴分别为与x1、x2轴成45°角。起偏器与检偏器的方向分别与x1、x2轴平行；当晶体的x1轴方向加上电压，光通过时，晶体将产生一次电光效应，光沿晶体的快慢轴将产生相位差，通过检偏器检偏，其输出光强为P＝P0sin2( (π)/4 ＋ (φ)/2 )＝ 1/2 P0(1＋sinφ) (1)式中P0－输入光强φ－光通过晶体产生的相位差φ＝ (2π)/(λ) n30r22V (L)/(d) (2)式中，λ为入射波长(λ＝0.6328μm)，n0、r22、L、d分别为铌酸锂晶体的折射率、电光系数、通光方向和外加电压方向的几何尺寸，半波电压为Vπ＝ (λ)/(2π) n－30r－122(d)/(L) (3)
权利要求1.一种用于测量大电流的新型光纤电流传感器，它包括激光器、透镜、传感头、光电二极管、电子测量电路，其特征是传感头由光纤4、感应线圈(1、2、3)、显微物镜5、起偏器6、1/4波片7、晶体11、检偏器9、显微物镜5、电极8、光纤4构成，其光学元件依5、6、7、11、9、5的顺序放置在绝缘盒10中，调好位置后固定，电极8夹在晶体的与X1轴垂直的平面上，电极8与感应线圈的导线1相连；感应线圈将被测电流线性的转换为感应电压，利用晶体的一次电光效应测量感应电压，而得到被测电流。
2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征是感应线圈是由导线1均匀地密绕在矩形的铁磁材料3上制成，并在铁磁材料上开一个气隙2，使铁磁材料的磁导率工作在线性区域。
3.根据权利要求1、2所述的光纤电流传感器，其特征是感应线圈的匝数及铁磁材料气隙2的间隔大小，应使线圈产生的感应电压小于晶体半波电压的1／π。
专利摘要一种用于测量大电流的新型光纤电流传感器，它包括激光器、透镜、由光纤4、感应线圈(1、2、3)、显微物镜5、起偏器6、1/4波片7、晶体11、检偏器9、显微物镜5、电极8、光纤4构成的传感头；其光学元件依5、6、7、11、9、5的顺序放置在绝缘盒10中。电极8夹在晶体的与X
文档编号G01R19/00GK2093400SQ9120727
公开日1992年1月15日 申请日期1991年5月7日 优先权日1991年5月7日
发明者简水生, 田玉江 申请人:北方交通大学