专利名称：一种可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学电流传感器，尤其涉及一种可抑制线性双折射、消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器。
背景技术：
近年来，国民经济的发展与电力传输系统的发展越发密不可分，因此电力系统的安全检测环节也显得越发重要。随着各地电网建设的发展，装机容量的不断增加， 传统的电磁式检测系统在响应速度、安全性和智能化等方面已经难以满足目前电网系统的需求。鉴于这种情况，从上世纪后期开始，光学电流传感器作为一种高速，抗电磁干扰能力强，安全性能高的新型电网监测技术得到国内外的广泛关注。2010年，中国政府在“第十二个五年规划纲要”中明确提出“加强电网建设，发展智能电网”的目标，因此电网监测作为新型电网系统建设研究的一个重要内容，对拥有自主知识产权的光学电流传感技术的理论研究以及应用开发提出了更高的要求。光学电流传感器从概念的提出到现在已经有40多年的历史，常见的光学电流传感器技术可分为混合型和全光型。混合型光学电流传感器仍然是基于电磁互感原理，所以无法摆脱电磁干扰的影响，而只能作为传统型电流传感器向全光学电流传感器的一种过渡方案；全光型光学电流传感器原理是基于法拉第磁光效应，由于其具有抗电磁干扰能力强， 可耐恶劣环境，安全性高，信号传输距离远等优点，从上世纪70年代就得到广泛讨论。上世纪90年代起，随着光纤制备技术和相应的传感通信技术的进步，全光型电流传感器，特别是全光纤型电流传感器，成为美欧等发达国家热门研究课题。但是，到目前为止，遗憾的是绝大多数光学电流传感器并没有真正实现实用化，而国内电网所采用的主要检测手段依然是传统的电磁式检测。目前光纤电流传感器正沿着光电混合型向全光型，低灵敏度向高灵敏度，大体积向小体积、实验室向市场方向发展。尽管在该领域已经取得一定的成果，但仍然存在相当多的不足制约其进一步的应用和发展，主要问题总结如下1、核心光学传感材料难以满足应用需求。通常所采用的块状玻璃作为传感核心的方法，受到材料特性限制，成本高，加工困难，晶体寿命短；而采用低双折射光纤作为传感材料的方法，同样存在成本高的问题。2、容易受到外界温度和震动等问题的影响，电流电压测量结果误差大，可复现性差。外界影响，特别是温度变化的影响，一直是制约光学电流传感器实用化的瓶颈，尽管已经有多种稳定和补偿的方法提出，但或是需要牺牲体积，或是需要牺牲灵敏度，并且还会带来制作和成本上的问题。3、从目前推出的光学电流传感器产品来看，在体积和灵敏度方面依然有矛盾，尤其是多数产品的体积依然偏大；并且、目前所推出的光学电流传感器产品在大范围输电线路的多点分布式检测上也存在这样或那样的问题。参考文献[1]. G. A. Sanders, J. N. Blake, Α. H. Rose et al, "Commercialization of Fiber-Optic Current and Voltage Sensors at NxtPhase，，，IEEE Proc. 7289, 2002[2]. Klaus Bohnert, Philippe Gabus, Hubert Brandle, Peter Guggenbach,"Fiber-optic DC Current Sensor for The Electro-winning Industry，，，17th Int. Conference on Optical Fibre Sensors，Proc SPIE5855，2005[3]. ABB Research Ltd，"Fiber-optic Sensor Coi 1 and Current or Magnetic-field Sensor”，EP :04405308. 0,2004[4]. NxPhase Technology SRL st. James (BB),"Optical Sensor for Sensing of A Magnetic Field or a Voltage”，EP :02257844. 7，2003[5].商海英，吴静，“光纤电流传感器和电压传感器的商用”，光纤光缆传输技术， 4，2004[6]. T. Wang, C. Luo, S. Zheng, "A Fiber-optic Current Sensor Based on A Differen-tiating Sagnac Interferometer，，· IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，50(3)，2001[7],李芙英，陈翔，葛尚荣，“基于Rogowski线圈和压频变换的电流测量方法”，清华大学学报(自然科学版)，3(40)，2000[8]. B. V. Marques，0. Fraza 〇，S. Mendonca, J. Perez, M. B. Marques， S.F. Santos, J. Μ. Baptista, "Optical Current Sensor Based on Metal Coated Hi-bi Fiber Loop Mirror”，Microwave and Optical Technology Letters，50(3)，2008[9]. K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, H. Brandle, "Temperature and Vibration Insensitive Fiber-optic Current Sensor，，，J· Lightwave Technol，20，2002[10]. Watekar, R. Pramod, Ju. Seongmin, Kim Su-Ah, Jeong Seongmook, Kim Young-woong， Han Won-Taek，“Development of A Highly Sensitive Compact Sized Optical Fiber Current Sensor，，，Optics Express，18 (16)，2010发明内容本发明的目的是提供一种结合光纤环形腔衰荡技术，具有抑制线性双折射、消除温度敏感性以及提高测量精度等功能的可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器。本发明采用以下的技术方案全光纤电流传感器，依序包含有信号光源、外调制器、起偏器、第一耦合器、第二耦合器、偏振分束器，偏振分束器输出的偏振光由第一光强探测器、第二光强探测器接收后输入数据处理系统，数据处理系统中将两个偏振光结合得到带偏转角的光，再输出至外调制器，其中所述的第一耦合器、第二耦合器的一个端口相连接构成一个2X2 口耦合器，另一个端口分别连接第一传感光纤环、第二传感光纤环的传感光纤，所述的第一传感光纤环、第二传感光纤环分别由第一光纤半环和第二光纤半环上绕制N 匝数传感光纤构成，所述的第一光纤半环和第二光纤半环开口相向、对称设置，所述的传感光纤在第一光纤半环和第二光纤半环上绕制匝数相同，绕行的方向相反，且两个传感光纤相互连接，形成光纤环形腔，被检测的通电导线贯穿两个光纤半环，被检测电流强度为
/= Φ/ 「 ρ7
_1] Z浙 V0 + ^f(\niyPo-ka0) 其中Φ = 是信号光源在光纤环形腔内受到磁光效应k次循环后测得的分光信号偏转角度，Vtl是传感光纤Verdet常数随温度T泰勒展开的常数项，K是Verdet常数泰勒展开的一阶系数；α ^是光强损耗系数随温度T泰勒展开的常数项，α ‘是光强损耗系数泰勒展开的一阶系数T1和仏分别是信号光源总的输入光纤环形腔的光强和第k次光纤环形腔的输出光强。所述的信号光源通过外调制器转换为脉冲信号，经过起偏器转换为线偏振光，输入第一耦合器的输入端，并通过第二耦合器分光为两部分输出，一部分光信号保留在光纤环行腔内不断循环通过传感光纤环，使得分光信号的偏转角不断得到放大，另一部分光信号输出到偏振分束器，分为P光和S光，分别由第一光强探测器、第二光强探测器接收并输入数据处理系统；脉冲信号在传感光纤环内受到磁光效应产生一次的偏转角度为
φ = IVNI第k次的偏转角度
权利要求
1. 一种可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器，依序包含有信号光源、外调制器、起偏器、第一耦合器、第二耦合器、偏振分束器，偏振分束器输出的偏振光由第一光强探测器、第二光强探测器接收后输入数据处理系统，数据处理系统中将两个偏振光结合得到带偏转角的光，再输出至外调制器，其特征在于所述的第一耦合器、第二耦合器的一个端口相连接构成一个2X2 口耦合器，另一个端口分别连接第一传感光纤环、第二传感光纤环的传感光纤，所述的第一传感光纤环、第二传感光纤环分别由第一光纤半环和第二光纤半环上绕制N匝数传感光纤构成，所述的第一光纤半环和第二光纤半环开口相向、对称设置， 所述的传感光纤在第一光纤半环和第二光纤半环上绕制匝数相同，绕行的方向相反，且两个传感光纤相互连接，形成光纤环形腔，被检测的通电导线贯穿两个光纤半环，被检测电流强度为Φ/U/…Vo+lwc'{ /Po'kGCo)其中Φ = 是信号光源在光纤环形腔内受到磁光效应k次循环后测得的分光信号偏转角度，Vtl是传感光纤Verdet常数随温度T泰勒展开的常数项，K是Verdet常数泰勒展开的一阶系数；α ^是光强损耗系数随温度T泰勒展开的常数项，α ‘是光强损耗系数泰勒展开的一阶系数T1和仏分别是信号光源总的输入光纤环形腔的光强和第k次光纤环形腔的输出光强。
2.根据权利要求1所述的一种可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器，其特征在于所述的信号光源通过外调制器转换为脉冲信号，经过起偏器转换为线偏振光，输入第一耦合器的输入端，并通过第二耦合器分光为两部分输出，一部分光信号保留在光纤环行腔内不断循环通过传感光纤环，使得分光信号的偏转角不断得到放大，另一部分光信号输出到偏振分束器，分为P光和S光，分别由第一光强探测器、第二光强探测器接收并输入数据处理系统；脉冲信号在传感光纤环内受到磁光效应产生一次的偏转角度为φ = IVNI第k次的偏转角度kcp = 2kVNI其中V是传感光纤的Verdet常数，N是单个传感光纤环上绕制的传感光纤的匝数，I是被检测的通电导线的电流。
3.根据权利要求2所述的一种可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器，其特征在于所述的另一部分光信号输入偏振分束器，分解为相互垂直的P光和S光，分别被第一光强探测器、第二光强探测器接收，测量得到的强度信号经过数据处理系统正交组合得到偏振光的偏转角度为Ψ = arctan (IS/IP)其中Is和Ip分别是被第一光强探测器、第二光强探测器接收的S光和P光的检测光强。
全文摘要
本发明公开了一种可消除温度敏感的环形腔型全光纤电流传感器依序包含有信号光源、外调制器、起偏器、第一耦合器、第二耦合器、偏振分束器，偏振分束器输出的偏振光由第一光强探测器、第二光强探测器接收后输入数据处理系统，数据处理系统中将两个偏振光结合得到带偏转角的光，再输出至外调制器，其中第一耦合器、第二耦合器的一个端口相连接构成一个2X2口耦合器，另一个端口分别连接双路对称设置的第一传感光纤环、第二传感光纤环的传感光纤，形成光纤环形腔，被检测的通电导线贯穿两个传感光纤环。以上采用普通单模光纤作为磁光介质可以极大的降低产品的制作成本，并且通过双路对称传感光纤环结构和光纤环形腔衰荡技术实现抑制线性双折射、消除电流传感器温度敏感特性以及提高检测精度和缩小体积等多个功能。
文档编号G01R19/32GK102353833SQ201110192700
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者张昊, 李高明, 邱怡申, 陈书明, 陈怀熹 申请人:福建师范大学