专利名称：一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
电力工业是国家经济的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。近几年，随着我国工业的快速发展，对电能的需求大大增加，但由于我国区域经济发展不平衡，东部沿海是工业密集区，但能源缺乏，造成了电力的严重紧缺；而西部电能消耗少，而能源比较丰富，水电和煤电资源大部分都在西部山区。针对这种情况国家提出西电东输战略，而我国东西跨度较大，因此，发展高电压和特高压技术势在必行。2012年3月27日科技部编制的《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中指出，我国将建设连接大型能源基地与主要负荷中心的“三纵三横”特高压骨干网架和13项直流输电工程(其中特高压直流±800kV10项)，形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局。电压/电流互感 器是为电力系统进行电能计量和继电保护提供电流、电压信号的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关，是电力系统电流电压测量的基本设备。目前，电力系统电压、电流的测量主要是采用传统的电磁式电流或电容式电压互感器，随着系统电压等级的不断升高，传统的电磁式和电容式互感器暴露出了一系列严重的缺点(I)电磁感应式的互感器绝缘结构日趋复杂，造价随电压等级呈指数关系上升；(2)电容式互感器暂态响应较差；(3)固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄等；(4)以模拟量输出为100V或5A不能直接与计算机相连，已难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等的发展需要。因此，寻求更理想的新型电压/电流互感器已势在必行。自二十世纪六十年代以来，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现高电压大电流的测量。与常规的电磁式互感器相比较，光电互感器的突出优点是(1)高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能和优越的性价比；(2)没有铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题；(3)功能齐全，测量精度高；(4)频率响应宽，动态范围大；(5)没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险；(6)体积小，重量轻，节约占地面积；(7)无污染，无噪音，具有优越的环保性能；(8)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。目前挂网试运行的组合式电流/电压互感器大多是基于Faraday磁光效应的块状玻璃光学电流传感器和基于Pockels纵向电光效应的光学电压互感器，它虽具有上述优点，但块状玻璃光学电流传感器传感头需要精密加工工艺，成本较高，且光学玻璃材料本身剩余应力形成的线性双折射随环境温度变化而变化；光学电压互感器采用晶体、偏振器、波片和起偏器等分立光学器件，分立器件间的粘接难以保证长期运行的稳定性和测量精度。
发明内容
本发明的目的是为了满足现今电力行业智能电网建设的需求，提出一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器。其中电流测量是采用基于Faraday效应的反射式Sagnac型全光纤电流互感器，电压测量采用基于逆压电效应的准互易式光纤电压互感器。—种米用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，包括光源、第一分束器、起偏器、相位调制器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器；光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与起偏器输入端保偏光纤熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入 端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。—种米用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，包括光源、第一分束器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器；光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与集成相位调制器输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的两输出端光纤分别与偏振分束/合束器的两输入端光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。本发明除具有光电互感器的一系列优点，由于采用互易和准互易式结构，还具有以下优点(I)对温度、振动等环境干扰有很好的免疫能力；(2)稳定性好，噪声小；(3)可以实现闭环检测，动态范围大，线性度好。
图I是本发明的第一种实现方案结构示意图；图2是本发明的第二种实现方案结构示意具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，有两种实现方案，具体为如图I所示，为本发明的第一种实现方案，本发明的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，包括光源、第一分束器、起偏器、相位调制器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、 第二反射镜和光电探测器。其中法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤及第一反射镜组成电压敏感单元，电压探头具体结构为传感光纤均匀缠绕在石英晶体上，1/4波片、电流探头及第二反射镜组成电流敏感单元，电流探头的具体结构为低双折射光纤螺旋缠绕在石英玻璃骨架上。光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与起偏器输入端保偏光纤熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜。光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。如图2所示，为本发明的第二种实现方案，本发明的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，包括光源、第一分束器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器。其中，法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤及第一反射镜组成电压敏感单元，电压探头具体结构为传感光纤均匀缠绕在石英晶体上，1/4波片、电流探头及第二反射镜组成电流敏感单元，电流探头的具体结构为低双折射光纤螺旋缠绕在石英玻璃骨架上。光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与集成相位调制器输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的两输出端光纤分别与偏振分束/合束器的两输入端光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜。光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。所述的光源可以是SLD光源、掺铒光纤光源、LED光源等宽谱光源；采用脉冲光源，实现光纤电压、电流的信号检测。所述的法拉第旋光器旋光角度为45° ;所述的电压探头的传感光纤是保偏光纤，所述的电流探头的传感光纤是低双折射光纤。 本发明采用相位调制，调制可以采用方波调制、正弦波调制，提高检测灵敏度，抑制Ι/f噪声；在检测方案上可以采取开环检测、闭环检测方式。本发明光路的基本原理为针对第一种方案首先由宽谱光源发出的光通过第一分束器后，由起偏器起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器进行分别调制，通过第一延迟光纤后经第二分束器分为两个分支，第一分支的两束正交线偏振光经过法拉第旋光器旋转45°，进入电压探头，电压探头采用保偏光纤，利用石英晶体的逆压电效应感应待测电压，晶体形变传递到传感保偏光纤，使之受到调制，传输光的两个模式之间产生相位差，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于电压探头保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射镜反射，二次经过电压探头，敏感信号加倍，再次经过法拉第旋光器旋转45°，使两束线偏振光模式互换，最后在起偏器处两束线偏振光发生干涉；第二分束器的第二分支的两束正交线偏振光经过延迟光纤进入1/4波片，两正交线偏振光经1/4波片转换为左旋和右旋圆偏振光，进入电流探头，电流探头为低双折射光纤。交变电流产生的磁场作用于该低双折射光纤，在Faraday效应作用下两束圆偏振光的传输速度发生变化，产生相位差。经镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)并再次经过低双折射光纤，两束光之间的相位差加倍。两束圆偏光再次通过1/4波片变为线偏振光，并且模式互换，互换后的两线偏光在起偏器处发生干涉。携带干涉相位信息的光返回光电探测器后，由信号处理电路检测。由于电压敏感单元和电流敏感单元之间有第二延迟光纤，所以通过第二分束器分出的两分支光之间的光程差远远超过光源的相干长度，两分支光之间不发生干涉，因此，通过采用脉冲光源并对干涉信号进行分时检测，即可分别检测出电压和电流信息。电压和电流敏感单元最终在光电探测器处的干涉信号输出表达式为ID(t ) = — {! + cos[^m(i-τ)-φ ,( ) + #J}其中Itl为到达探测器的光强，Φωα)为相位调制器的调制相位，为由于敏感电流、电压造成的相位差。针对第二种方案首先由宽谱光源发出的光通过第一分束器后，进入集成相位调制器对其进行起偏、分束并调制，调制后的两线偏振光分支在偏振分束/合束器处合并，合并后的两束正交线偏振光通过第一延迟光纤后经第二分束器分为两个分支，第一分支的两束正交线偏振光经过法拉第旋光器旋转45°，进入电压探头，电压探头采用保偏光纤，利用石英晶体的逆压电效应感应待测电压，晶体形变传递到传感保偏光纤，使之受到调制，传输光的两个模式之间产生相位差，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于电压探头保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射镜反射，二次经过电压探头，敏感信号加倍，再次经过法拉第旋光器旋转45°，使两束线偏振光模式互换，最后在集成相位调制器处两束线偏振光发生干涉;第二分束器的第二分支的两束正交线偏振光经过延迟光纤进入1/4波片，两正交线偏振光经1/4波片转换为左旋和右旋圆偏振光，进入电流探头，电流探头为低双折射光纤。交变电流产生的磁场作用于该低双折射光纤，在Faraday效应作用下两束圆偏振光的传输速度发生变化，产生相位差。经镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右 旋光变为左旋光)并再次经过低双折射光纤，两束光之间的相位差加倍。两束圆偏光再次通过1/4波片变为线偏振光，并且模式互换，互换后的两线偏光在集成相位调制器处发生干涉。携带干涉相位信息的光返回光电探测器后，由信号处理电路检测。由于电压敏感单元和电流敏感单元之间有第二延迟光纤，所以通过第二分束器分出的两分支光之间的光程差远远超过光源的相干长度，两分支光之间不发生干涉，因此，通过采用脉冲光源并对干涉信号进行分时检测，即可分别检测出电压和电流信息。电压和电流敏感单元最终在光电探测器处的干涉信号输出表达式为ID(i) = ^-{l + cos[^m { -τ)-φηι (t) + ]}其中Itl为到达探测器的光强，Φωα)为相位调制器的调制相位，为由于敏感电流、电压造成的相位差。
权利要求
1.一种米用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，包括光源、第一分束器、起偏器、相位调制器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器； 光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与起偏器输入端保偏光纤熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。
2.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的光源为宽谱光源，采用脉冲光源，实现电压、电流信号的分时检测。
3.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的电压探头的结构为传感光纤均匀缠绕在石英晶体上。
4.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的电流探头的结构为低双折射光纤螺旋缠绕在石英玻璃骨架上。
5.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的分束器为保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或者单模耦合器。
6.一种米用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，包括光源、第一分束器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器； 光源的尾纤与第一分束器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与第一分束器的另一输入端光纤熔接在一起，第一分束器的输出端光纤与集成相位调制器输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的两输出端光纤分别与偏振分束/合束器的两输入端光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与第一延迟光纤的输入端光纤熔接，第一延迟光纤的输出端光纤与第二分束器的输入光纤熔接，通过第二分束器，光分为两路，其中一路第二分束器的输出尾纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与电压探头传感光纤的输入端光纤熔接，电压探头传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端连接第一反射镜，另一路第二分束器的输出尾纤与第二延迟光纤输入端熔接，第二延迟光纤的输出端与1/4波片输入端以45°熔接，1/4波片的输出端与电流探头传感光纤的输入端连接，电流探头传感光纤的输出端连接第二反射镜；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将分时得到的包含电压和电流信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号分别获取电压和电流值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。
7.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的光源为宽谱光源，采用脉冲光源，实现电压、电流信号的分时检测。
8.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的电压探头的结构为传感光纤均匀缠绕在石英晶体上。
9.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的电流探头的结构为低双折射光纤螺旋缠绕在石英玻璃骨架上。
10.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，其特征在于，所述的分束器为保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或者单模耦合器。
全文摘要
本发明公开了一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器，包括两种方案，一种为包括光源、第一分束器、起偏器、相位调制器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器，另一种为包括光源、第一分束器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、第一延迟光纤、第二分束器、法拉第旋光器、电压探头、补偿光纤、第一反射镜、第二延迟光纤、1/4波片、电流探头、第二反射镜和光电探测器，本发明对温度、振动等环境干扰有很好的免疫能力、稳定性好、噪声小、可以实现闭环检测，动态范围大，线性度好。
文档编号G01R15/24GK102788897SQ20121025121
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者于佳, 冯秀娟, 张晞, 李传生, 李彦, 李立京, 王夏霄, 邬战军 申请人:北京航空航天大学