萨格奈克光纤电流传感器及其电流检测方法与流程

本发明属于光学电流传感技术领域，具体涉及一种萨格奈克光纤电流传感器及其电流检测方法。

背景技术：

近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高，传统的电磁式电流测量设备已经越来越不能满足要求。

光纤电流传感器具有无磁饱和、铁磁谐振问题、绝缘结构简单，绝缘性能好、体积小、重量轻等优点，克服了电磁式电流传感器的缺点，受到了各国的广泛关注。

光纤电流传感器的传感原理是法拉第磁光效应。法拉第磁光效应的一种表现形式是线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转。因此可通过测量偏振光在磁场中的角度变化来得到被测电流的大小，但是由于该角度很小，电流测量的灵敏度和精度都不高。

1996年，J.N.Blake首先提出了萨格奈克干涉型光纤电流传感器的方案，将偏振角度变化的检测转变为两干涉光路相位差变化的检测，提高了光纤电流传感器测量的灵敏度和稳定性。这是利用了法拉第磁光效应的另一种表现形式，沿磁场方向传播的圆/椭圆偏振光的光速发生变化，从原光速V₀变成V₁，(V₁>V₀)或V₂(V₂<V₀),(有V₁-V₀＝V₀–V₂)，圆/椭圆偏振光光速变成V₁还是V₁与圆/椭圆偏振光的旋向(左右)以及光传播方向(与磁场方向相同与否)有关。但该萨格奈克干涉型光纤电流传感器敏感电流的同时敏感Sagnac效应，因而外界振动容易对传感器精度造成影响。而且光纤光路中采用的3dB光纤耦合器有一路光纤废弃，导致往返至少6dB的光功率损耗，同时光纤耦合器的偏振串音对传感器精度也造成了影响。

有的现有技术公开了的萨格奈克干涉型光纤电流传感器，削弱了对振动的敏感性，增加了传感器的系统稳定性。但仍未解决光纤光路中采用的光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种萨格奈克光纤电流传感器，其对振动不敏感，光路功率损耗低且偏振串音小。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于，提供了一种萨格奈克光纤电流传感器，其对振动不敏感；

本发明的又一个目的在于，提供了一种萨格奈克光纤电流传感器，其光路功率损耗低，偏振串音小。

本发明的再一个目的在于，提供了一种萨格奈克光线电流传感器的电流电测方法，所述电流电测方法避免了光纤耦合器有一段光纤废弃带来的光功率损耗，同时提高了电流检测方法的精度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种萨格奈克光纤电流传感器，包括：

光源；

光环形器，其与所述光源连接；

探测器，其与所述光环形器连接；

起偏分光调制装置，其与所述光环形器连接；

传感光纤环，其与所述起偏分光调制装置连接，所述传感光纤环围绕待测电流。

优选的是，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光源的尾纤与所述第一端口连接，所述起偏分光调制装置与所述第二端口连接，所述探测器的尾纤与所述第三端口连接。

优选的是，所述光环形器中的光从所述第一端口进入，从所述第二端口射出；所述光环形器的光从所述第二端口进入，从所述第三端口射出。

优选的是，所述传感光纤环包括第一扭光纤和第二扭光纤，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤的一端以0°或者90°熔接，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤的另一端和所述起偏分光调制装置连接。

优选的是，所述起偏分光调制装置包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第一扭光纤以0°或90°熔接或用光纤连接器相连，所述第二输出端口和所述第二扭光纤以0°或90°熔接或用光纤连接器相连。

优选的是，还包括线保偏延迟光纤，其设置在所述起偏分光调制装置和所述传感光纤环之间。

优选的是，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤均由所述线保偏光纤扭转形成，且旋转方向相反。

优选的是，所述起偏分光调制装置为Y分支多功能集成光学器件。

优选的是，所述起偏分光调制装置为同时具有起偏、分光及相位调制功能的器件，或者为分别具有起偏、分光及相位调制功能的多个器件组合而成，其中，起偏、分光及相位调制功能的顺序可以变换。

一种萨格奈克光纤电流传感器的电流检测方法，包括以下步骤：

步骤一，开启光源，光源发出的光由光环形器的第一端口进入所述光环形器，通过光环形器的第二端口射出；

步骤二，通过光环形器的第二端口射出的光进入起偏分光调制装置，起偏为线偏振光，并分为两束，分别为第一束线偏振光和第二束线偏振光；

步骤三，第一束线偏振光从起偏分光调制装置的第一输出端口射出，进入传感光纤环中的第一扭光纤，在第一扭光纤中由线偏振光转换为圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光，然后进入传感光纤环中的第二扭光纤，在第二扭光纤中由线偏振光转换为与在第一扭光纤中旋向相反的圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光后射出传感光纤环，从起偏分光调制装置的第二输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤四，第二束线偏振光从起偏分光调制装置的第二输出端口射出，进入传感光纤环中的第二扭光纤，在第二扭光纤中由线偏振光转换为圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光，然后进入传感光纤环中的第一扭光纤，在第一扭光纤中由线偏振光转换为与在第二扭光纤中旋向相反的圆偏振光或者椭圆偏振光，在转换回线偏振光后射出传感光纤环，从起偏分光调制装置的第一输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤五，在上述步骤三和步骤四中，返回起偏分光调制装置的两束光在起偏分光调制装置处发生干涉，并由光环形器的第二端口进入光环形器，通过光环形器的第三端口射出，进入探测器；

步骤六：由探测器检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器，其无磁饱和、铁磁谐振等问题。

2、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器，其绝缘结构简单，绝缘性能好，体积小且重量轻的优点。

3、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器，其对振动和转动不敏感，实用性强。

4、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器，其采用光环形器，避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗的问题。

5、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器，其采用光环形器的高达60dB以上的隔离度，削弱了偏振串音噪声，明显提高了光纤电流传感器的检测精度。

6、本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器的电流检测方法，其操作简单快捷，解决了光纤光路中采用光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题。

附图说明

图1是本发明所述的萨格奈克光纤电流传感器的结构示意图；

图1中，1光源；2探测器；3光环形器；31第一端口；32第二端口；33、第三端口；4起偏分光调制装置；41第一输出端口；42第二输出端口；5传感光纤环；51第一扭光纤；52第二扭光纤；6线保偏延迟光纤；7待测电流。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它组合的存在或添加。

为了解决上述问题，本发明提供了一种萨格奈克光纤电流传感器，包括：

光源1；

光环形器3，所述光环形器包括第一端口31、第二端口32和第三端口33，所述光环形器3的第一端口31与所述光源1的尾纤连接；

探测器2，所述光环形器3的第三端口33与所述探测器2的尾纤相连接；

起偏分光调制装置4，其与所述光环形器3的第二端口32相连接，所述起偏分光调制装置4包括第一输出端口41和第二输出端口42；

传感光纤环5，其包括第一扭光纤51和第二扭光纤52，所述第一扭光纤51和所述第二扭光纤52的一端以0°或者90°熔接，所述第一扭光纤51和所述第二扭光纤52的另一端和所述起偏分光调制装置4连接，所述传感光纤环5围绕待测电流7；所述第一输出端口41和所述第一扭光纤51以0°或90°熔接或用光纤连接器相连，所述第二输出端口42和所述第二扭光纤52以0°或90°熔接或用光纤连接器相连；所述第一扭光纤51和所述第二扭光纤52均具有起旋转段、匀速旋转段以及降速旋转段。

其中，所述光环形器3中的光传播方向为：从所述第一端口31进入，从所述第二端口32射出；所述光环形器3的光从所述第二端口32进入，从所述第三端口33射出。

其中，所述第一扭光纤51和第二扭光纤52以0°熔接在一起，同时起偏分光调制装置4的第一输出端口41与传感光纤环5中的第一扭光纤51之间，起偏分光调制装置4的第二输出端口42与传感光纤环5中的第二扭光纤52之间，均以0°或均以90°熔接在一起或用光纤连接器相连；或者，所述第一扭光纤51和第二扭光纤52以90°熔接在一起，同时起偏分光调制装置4的第一输出端口41与传感光纤环5中第一扭光纤51之间，起偏分光调制装置4第二输出端口42与传感光纤环5中第二扭光纤52之间，其中一个以0°熔接在一起或用光纤连接器相连，另一个以90°熔接在一起或用光纤连接器相连。

在上述情况的基础上，又一个实施例，还包括线保偏延迟光纤6，其设置在所述起偏分光调制装置4和所述传感光纤环5之间。

而且，所述第一扭光纤51和所述第二扭光纤52均由所述线保偏光纤6扭转形成，且旋转方向相反，所述第一扭光纤51和所述第二扭光纤52均具有起旋转段、匀速转段以及降速旋转段。

在上述实施例的基础上，又一个实施例，所述起偏分光调制装置4为Y分支多功能集成光学器件。

在上述实施例的基础上，又一个实施例，所述起偏分光调制装置4为同时具有起偏、分光及相位调制功能的器件，或者为分别具有起偏、分光及相位调制功能的多个器件组合而成，其中，起偏、分光及相位调制功能的顺序可以变换。

所述光源1发出的光由所述光环形器3的第一端口31进入光环形器3，由光环形器3的第二端口32射出，由光环形器3的第二端口32射出的光进入所述起偏分光调制装置4，起偏为线偏振光并分为两束，所述起偏分光调制装置4起偏为线偏振状态并分出的两束光中，第一束线偏振光从所述起偏分光调制装置4的第一输出端口41射出，进入传感光纤环5，首先进入传感光纤环中5的第一扭光纤51，在第一扭光纤51中由线偏振光转换为圆偏振光或椭圆偏振光再转换回线偏振光，然后进入在第二扭光纤52中由线偏振光转换为与在第一扭光纤51中旋向相反的圆偏振光或椭圆偏振光再转换回线偏振光射出传感光纤环5，从所述起偏分光调制装置4的第二输出端口42返回所述起偏分光调制装置41；第二束线偏振光从所述起偏分光调制装置4的第二输出端口42射出，进入传感光纤环5，首先进入传感光纤环5中的第二扭光纤52，在第二扭光纤52中由线偏振光转换为圆偏振光或椭圆偏振光再转换回线偏振光，然后进入在第一扭光纤51中由线偏振光转换为与在第二扭光纤52中旋向相反的圆偏振光或椭圆偏振光再转换回线偏振光射出传感光纤环5，从起偏分光调制装置4的第一输出端口41返回起偏分光调制装置4；这两束返回起偏分光调制装置的光在起偏分光调制装置处发生干涉，并由所述光环形器3的第二端口32进入所述光环形器3，由所述光环形器3的第三端口33射出进入所述探测器2；由所述探测器2检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

本发明具有光纤电流传感器的无磁饱和、铁磁谐振问题、绝缘结构简单，绝缘性能好、体积小、重量轻等优点，同时对振动和转动不敏感，实用性强，尤其是避免了光纤耦合器有一路光纤废弃带来的光功率损耗，同时光环形器高达60dB以上的隔离度对削弱偏振串音噪声对传感器精度的影响起到明显作用。

本发明还提供了一种萨格奈克光纤电流传感器的电流检测方法，包括以下步骤：

步骤一，开启光源，光源发出的光由光环形器的第一端口进入所述光环形器，通过光环形器的第二端口射出；

步骤二，通过光环形器的第二端口射出的光进入起偏分光调制装置，起偏为线偏振光，并分为两束，分别为第一束线偏振光和第二束线偏振光；

步骤三，第一束线偏振光从起偏分光调制装置的第一输出端口射出，进入传感光纤环中的第一扭光纤，在第一扭光纤中由线偏振光转换为圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光，然后进入传感光纤环中的第二扭光纤，在第二扭光纤中由线偏振光转换为与在第一扭光纤中旋向相反的圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光后射出传感光纤环，从起偏分光调制装置的第二输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤四，第二束线偏振光从起偏分光调制装置的第二输出端口射出，进入传感光纤环中的第二扭光纤，在第二扭光纤中由线偏振光转换为圆偏振光或者椭圆偏振光，再转换回线偏振光，然后进入传感光纤环中的第一扭光纤，在第一扭光纤中由线偏振光转换为与在第二扭光纤中旋向相反的圆偏振光或者椭圆偏振光，在转换回线偏振光后射出传感光纤环，从起偏分光调制装置的第一输出端口返回起偏分光调制装置；

步骤五，在上述步骤三和步骤四中，返回起偏分光调制装置的两束光在起偏分光调制装置处发生干涉，并由光环形器的第二端口进入光环形器，通过光环形器的第三端口射出，进入探测器；

步骤六：由探测器检测出变化的光强，经处理后得到待测电流数值、相位、方向。

其中，所述光环形器中的光从所述第一端口进入，从所述第二端口射出；所述光环形器的光从所述第二端口进入，从所述第三端口射出。

其中，所述传感光纤环包括第一扭光纤和第二扭光纤，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤均由所述线保偏光纤扭转形成，且旋转方向相反；所述第一扭光纤和所述第二扭光纤的一端以0°或者90°熔接，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤的另一端和所述起偏分光调制装置连接，所述起偏分光调制装置包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第一扭光纤以0°或90°熔接或用光纤连接器相连，所述第二输出端口和所述第二扭光纤以0°或90°熔接或用光纤连接器相连，所述第一扭光纤和所述第二扭光纤均具有起旋转段、匀速旋转段以及降速旋转段。

其中，所述起偏分光调制装置为Y分支多功能集成光学器件。

另外，所述起偏分光调制装置为同时具有起偏、分光及相位调制功能的器件，或者为分别具有起偏、分光及相位调制功能的多个器件组合而成，其中，起偏、分光及相位调制功能的顺序可以变换。

本发明提供的萨格奈克光纤电流传感器的电流检测方法，其操作简单快捷，解决了光纤光路中采用光纤耦合器造成的光功率损耗和偏振串音噪声的问题，其用来检测电流的萨格奈克光纤电流传感器具有对振动不敏感，光路功率损耗低，偏振串音小，实用可靠、设计巧妙的优点。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。