專利名稱：一種光纖電流傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電流傳感器，尤其涉及一種光纖電流傳感器。
背景技術：
隨著電力系統中電網電壓等級的不斷提高、容量不斷增加，對電流傳感器的要求是越來 越高，傳統電磁式電流傳感器逐漸暴露出了嚴重的缺陷，不能滿足高壓、超高壓電網的需要 。除了傳統電磁式電流傳感器，目前還有一種Sagnac式光纖電流傳感器(參見圖l)正處于 研發階段，作為傳統鐵磁式電流傳感器可能的換代產品而備受關注，但是這種Sagnac式光纖 電流傳感器未進入實際應用階段。因為這種Sagnac式光纖電流傳感器既具有電流傳感器的特 點又具有Sagnac式傳感器的特點，也就是說，這種傳感器既能敏感電流又能敏感Sagnac效應 。Sagnac效應是指，當光束在一個環形通道中前進時，如果這個環形通道是轉動的，沿著通 道轉動的方向前進所需要的時間比沿著通道轉動相反的方向前進所需要的時間多，兩束光會 產生光程差，光程差大小與環形通道轉速成正比。由此可知Sagnac式傳感器是一種角速度傳 感器，對振動或轉動非常敏感。高壓線路分布在室外，由于刮風或振動，高壓導線會晃動， 從而引起電流傳感器傳感部分振動，Sagnac式光纖電流傳感器傳感部分敏感到振動，輸出隨 之發生變化。因為這種缺陷，Sagnac式傳感器輸出變化無法分清是外界環境影響還是高壓導 線中電流本身的變化，嚴重影響了電流傳感器的測量準確性，無法實用。
綜上所述，傳統電磁式電流傳感器的缺點
1、 體積大、重量大。
電磁式電流傳感器主要由鐵芯、變壓器油、銅導線以及絕緣介質組成，這些材料的體積 和重量都較大，而且隨著電壓等級的提高，絕緣結構越來越復雜，高壓等級下，傳統電磁式 電流傳感器笨重而昂貴。
2、 有磁飽和、鐵磁諧振問題。
采用電磁感應原理，使用鐵芯結構，當被測電流異常增大時，傳感器鐵芯將出現磁飽和 ，使測量準確度嚴重下降。
3、 絕緣結構復雜、造價高。
由于設計結構絕緣性不好，依靠油絕緣、氣體絕緣等絕緣方法，隨著電壓等級的提高， 絕緣結構越來越復雜，絕緣成本直線上升，超高壓等級下，昂貴而難以負擔。
34、 不易與數字設備連接。
二次側的測量結果也是電流而不是數字信號，不易與數字設備連接。
5、 存在潛在的爆炸危險。
油絕緣的傳統電磁式電流傳感器在超高壓環境下有發生絕緣擊穿引起對地短路或突然爆 炸的可能。
Sagnac式光纖電流傳感器的缺點
Sagnac式光纖電流傳感器既具有電流傳感器的特點又具有Sagnac式傳感器的特點，也就 是說，這種傳感器既能敏感電流又能敏感Sagnac效應。Sagnac效應是指，當光束在一個環形 通道中前進時，如果這個環形通道是轉動的，沿著通道轉動的方向前進所需要的時間比沿著 通道轉動相反的方向前進所需要的時間多。由此可知Sagnac式傳感器是一種角速度傳感器， 對振動或轉動非常敏感。高壓線路分布在室外，由于刮風或振動，高壓導線會擺動，從而引 起電流傳感器傳感部分晃動，Sagnac式光纖電流傳感器傳感部分敏感到晃動，輸出隨之發生 變化。因為這種缺陷，Sagnac式光纖電流傳感器輸出變化無法分清是外界環境影響還是高壓 導線中電流本身的變化，嚴重影響了電流傳感器的測量準確性，無法實用。
因此，目前這些電流傳感器不能滿足現代電力系統的要求，急需尋找更理想的新型電流 互感器。
實用新型內容
為解決背景技術中存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種精度高、體積小、重量 輕且消除了Sagnac效應因而對振動或轉動不敏感的光纖電流傳感器。
本實用新型的技術解決方案是本實用新型提供了一種光纖電流傳感器，包括第一四分 之一波片、第二四分之一波片、傳感光纖以及線圈骨架；第一四分之一波片和第二四分之一 波片通過傳感光纖相連通，其特殊之處在于所述傳感光纖耦合有半波片；所述傳感光纖雙 線同向繞制在線圈骨架上。
上述半波片耦合在傳感光纖的中部。
上述光纖電流傳感器還包括激光光源、光電探測器、光纖耦合器、Y波導多功能集成光 學器件；所述激光光源和光電探測器通過光纖耦合器后與Y波導多功能集成光學器件相連； 所述Y波導多功能集成光學器件的兩個分支分別與第一四分之一波片、第二四分之一波片相 連。
上述光纖電流傳感器還包括起偏器和相位調制器；所述光纖耦合器和傳輸光纖通過起偏 器相連；所述相位調制器設置于傳輸光纖上。上述半波片為光纖式半波片、玻璃式半波片或者晶體式半波片。 本實用新型的優點是
1、 動態測量范圍大、測量精度高。本實用新型有很寬的動態范圍，測量額定電流的范 圍從幾安培到幾千安培，過電流范圍可達幾萬安培。
2、 無磁飽和、鐵磁諧振問題。本實用新型在傳感頭部分采用的是光纖線圈，不含鐵芯 ，因而不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題。
3、 絕緣結構簡單，絕緣性能好。本實用新型采用光纖和比較輕便的絕緣支柱，高壓側
與低壓側之間只存在光纖的聯系，從設計原理上就完全滿足絕緣要求，因此其絕緣結構比較 簡單，絕緣性能好。
4、 低壓側無開路高壓危險。本實用新型的電流傳感器的高壓側與低壓側之間只存在光 纖的連接，而光纖具有良好的絕緣性能，可保證高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，因 此低壓側沒有因開路而產生高壓的危險，而且避免了電磁干擾的影響。
5、 頻率響應范圍寬。本實用新型的實際能測量的頻率范圍主要取決于電子線路部分， 本實用新型可以測出高壓電力線路上的諧波，還可進行暫態電流、高頻大電流與直流電流的
6、 對振動和轉動不敏感，實用性強。本實用新型的光纖電流傳感器在傳感部分振動時
，輸出不會受到影響。因為本實用新型中的光纖線圈為雙線繞制，當發生振動或轉動時，以 半波片為分界，光波在前一半傳感光纖中因Sagnac效應而光程變長時，在后一半傳感光纖中 則因Sagnac效應而光程變短，半波片耦合在傳感光纖中點，Sagnac效應恰好完全抵消。而因 電流產生的法拉第磁光效應在半波片前后效果一致，傳感器中的兩束光波的光程差只與電流 大小有關，相遇時的相位差也只與電流大小有關。
7、 體積小、重量輕，易與數字設備連接。本實用新型能夠給運輸和安裝帶來較大的方 便，可提供便攜式產品，測量電網中不同地點的電流。能提供數字化的電流信號，易與數字 設備連接。
8、 無傳統電磁式電流傳感器的潛在爆炸危險。本實用新型采用光纖絕緣而不采用油絕 緣，在結構設計上就可以避免因充油而產生的易燃、易爆等危險。
圖l為Sagnac式光纖電流傳感器傳感線圈結構示意圖2為本實用新型較佳的實施例結構示意具體實施方式
參見圖2，本實用新型提供了一種光纖電流傳感器，包括第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、半波片7、傳感光纖5以及線圈骨架6;第一四分之一波片3和第二四分之一波片4通過傳感光纖5相連通，傳感光纖5的中部耦合有半波片7;傳感光纖5雙線同向繞制在線圈骨架6上。
本實用新型所提供的光纖電流傳感器還包括激光光源l、光電探測器9、光纖耦合器2、 Y波導多功能集成光學器件8，該Y波導多功能集成光學器件8也可以采用分離的幾個器件組成，比如起偏器、光纖耦合器和相位調制器一起來實現Y波導多功能集成光學器件的功能；激光光源1和光電探測器9通過光纖耦合器2后與Y波導多功能集成光學器件8相連；Y波導多功能集成光學器件的兩個分支的尾纖分別與第一四分之一波片3和第二四分之一波片4相連。
半波片7可以是光纖式半波片、玻璃式半波片或者晶體式半波片。
本實用新型的光纖電流傳感器對振動或轉動不敏感。高壓線路分布在室外，由于刮風或振動，高壓導線會晃動，從而引起電流傳感器傳感部分振動。Sagnac式光纖電流傳感器傳感部分敏感到振動時，輸出隨之發生變化，而本實用新型的光纖電流傳感器在傳感部分晃動時，輸出不會發生變化。因為Sagnac效應使光程變長或還是變短的由光波傳播方向和光路轉動方向是否相同決定，與光波的偏振狀態無關，而本實用新型中的光纖線圈為雙線繞制，當發生振動或轉動時，以半波片為分界，光纖光路的光傳播方向相反，光波在前一半傳感光纖中傳播方向與轉動方向相同(相反)時，在后一半傳感光纖中的傳播方向則與轉動方向相反(相同)。這樣以半波片為分界，光波在前一半傳感光纖中因Sagnac效應而光程變長，在后一半傳感光纖中則因Sagnac效應而光程變短，半波片耦合在傳感光纖中點，Sagnac效應恰好完全抵消。消除了Sagnac效應后，傳感器中的兩束光波的光程差只與電流大小有關，相遇時的相位差也只與電流大小有關，相位差與電流大小成正比測出某一時刻的相位差就可以知道該時刻相應的電流大小。因此，本實用新型的光纖電流傳感器消除了Sagnac效應，對振動或轉動不敏感。
參見圖2，本實用新型的光纖電流傳感器中，經過第一四分之一波片3的線偏振光被轉換成右旋(左旋)圓偏振光，經過一半的傳感光纖5，再經半波片7變成左旋(右旋)圓偏振光，再經過另一半傳感光纖5，再經過第二四分之一波片4被轉換回線偏振光；經過第二四分之一波片4的線偏振光被轉換成左旋(右旋)圓偏振光，經過一半的傳感光纖5，經半波片7變成右旋(左旋)圓偏振光，再經過另一半傳感光纖5再經過第一四分之一波片3被轉換回線偏振光；兩束光波回到Y波導多功能集成光學器件處時相遇發生干涉。穿過線圈骨架的導線中無電流流過時，先經過第一四分之一波片3的光波和先經過第二四分之一波片4的光波在傳感光纖5中以圓偏振態傳播時光速一致，此時兩束光波之間相遇時無相位差。當導線中有電流流過時，由于安培環路定理，在通電導線附近產生了感生磁場。而法拉第磁光效應的一種表現形式是沿磁場方向傳播的圓偏振光的光速發生變化(變得比無法拉第效應時的光速快或慢)，圓偏振光光速變快還是變慢與圓偏振光的旋向(左右)以及光傳播方向(與磁場方向相同與否)有關。當圓偏振光經過半波片時，旋向發生變化，同時光傳播方向(與磁場方向是相同與否)也發生變化，因為法拉第效應光波繼續以這個快或慢的光速傳播。因此由相位調制器進入第一四分之一波片3的和第二四分之一波片4的光波在傳感光纖中以圓偏振態傳播時光速不同，再經過四分之一波片轉換回線偏振光相遇時有相位差。由法拉第效應產生的相位差^ = 2「^ = ^//1。由此可知，相位差與電流大小成正比，測出某一時刻的相位差就
可以知道該時刻相應的電流大小。
本實用新型的核心部分，經過第一四分之一波片3的線偏振光被轉換成右旋(左旋)圓(橢圓)偏振光，經過一半的傳感光纖5，此時光速比未經過四分之一波片時的光速快(或慢)，經半波片7變成左旋(右旋)圓(橢圓)偏振光，再經過另一半傳感光纖5，此時光速同樣快(或慢)，再經過第二四分之一波片4被轉換回線偏振光；經過第二四分之一波片4的線偏振光被轉換成左旋(右旋)圓(橢圓)偏振光，經過一半的傳感光纖5，此時光速比未經過四分之一波片時的光速慢(或快)，經半波片7變成右旋(左旋)圓(橢圓)偏振光，再經過另一半傳感光纖5，此時光速同樣慢(或快)，再經過第一四分之一波片3被轉換回線偏振光。因振動或晃動產生的Sagnac效應在半波片前后效果相反而抵消，因電流產生的法拉第磁光效應半波片前后效果一致，兩束光相遇時的相位差只反映電流大小。
這種光纖線圈繞制方法，消除了Sagnac效應，因而對振動和轉動不敏感，解決了光纖電流傳感器的應用瓶頸，使光纖電流傳感器具有了實用性。
本設計的光纖電流傳感器稍加修改光纖線圈圈數等參數，可用于各種電壓下的直流、交流電流傳感。
權利要求1.一種光纖電流傳感器，包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、傳感光纖以及線圈骨架；第一四分之一波片和第二四分之一波片通過傳感光纖相連通，其特征在于所述傳感光纖耦合有半波片；所述傳感光纖雙線同向繞制在線圈骨架上。
2 根據權利要求l所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述半波片 耦合在傳感光纖的中部。
3 根據權利要求l所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述光纖電 流傳感器還包括激光光源、光電探測器、光纖耦合器、Y波導多功能集成光學器件；所述激 光光源和光電探測器通過光纖耦合器后與Y波導多功能集成光學器件相連；所述Y波導多功能 集成光學器件的兩個分支分別與第一四分之一波片、第二四分之一波片相連。
4 根據權利要求l所述的光纖電流傳感器，其特征在于所述光纖電 流傳感器還包括起偏器和相位調制器；所述光纖耦合器和傳輸光纖通過起偏器相連；所述相 位調制器設置于傳輸光纖上。
5 根據權利要求1一4任一權利要求所述的光纖電流傳感器，其特征 在于所述半波片為光纖式半波片、玻璃式半波片或者晶體式半波片。
專利摘要本實用新型涉及一種光纖電流傳感器，包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、傳感光纖以及線圈骨架；第一四分之一波片和第二四分之一波片通過傳感光纖相連通，傳感光纖耦合有半波片；傳感光纖雙線同向繞制在線圈骨架上。本實用新型提供了一種精度高、體積小、重量輕且消除了Sagnac效應因而對振動或轉動不敏感的光纖電流傳感器。
文檔編號G01R19/00GK201429646SQ200920305200
公開日2010年3月24日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者徐金濤, 衛 趙 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所