[发明专利]一种单偏振型环形全光纤电流传感器及其检测方法

说明书

本发明涉及一种单偏振型环形全光纤电流传感器及其检测方法，包括光源、第一单偏振耦合器、第二单偏振耦合器、第一传感光纤环、第二传感光纤环以及光电探测器；第一单偏振耦合器双端口侧的其中一个端口经光纤与所述光源连接，第一单偏振耦合器单端口侧与第二单偏振耦合器的单端口侧相连，第二单偏振耦合器的双端口侧的其中一个端口依次经第一传感光纤环、第二传感光纤环连接至第一单偏振耦合器双端口侧的另一个端口，第二单偏振耦合器的双端口侧的另一个端口经光纤与光电探测器相连；第一传感光纤环与第二传感光纤环均环绕在同一通电导体上且绕制结构镜像对称。本发明结构简单，使用器件少，抗外界干扰能力强，对光源和连接器件的稳定性要求低。

技术领域

本发明涉及光纤电流传感器设计领域，特别是一种单偏振型环形全光纤电流传感器及其检测方法。

背景技术

随着电网装机容量的增长，电网过流可能带来的危害越来越大，电流传感器的重要性也越来越明显。传统的磁电式传感器由于存在磁饱和，体积大，重量高，电气绝缘性不好，安全性低等缺点，已经逐渐无法适应智能电网发展的需求，急需寻找一种新型的电流传感器作为替代。

光纤电流传感器属于光学电流传感器的一种，具有结构相对简单，重量轻，电磁绝缘性好，安全性高等优点，其发展可追溯到20世纪70年代。不同于其他的光学电流传感器主要采用块状玻璃为敏感元件，光纤电流传感器是采用光纤作为敏感元件，缠绕于被测导线周围，基本结构如说明书附图1所示。其基本原理是法拉第旋光效应，即：利用偏振光通过介质时，如果受到磁场作用，偏振面会发生一定的旋转，旋转角度正比于磁场大小。而磁场大小又正比于通过被测导线的电流，如下式：

Ω＝VNI；

其中，V是光纤材料费尔德常数，N是光纤的匝数，I是电流大小，Ω是偏振光旋转角。

考虑到基础结构的光纤电流传感器易受到光源强度波动影响，常见的改进方法是在检测端采用双光路结构，如说明书附图2所示。输出端连接偏振分束器，将偏振光分到2个相互垂直方向并由2个光电探测器接收，结果将表示为：

光纤电流传感器结构简单，光利用率高，安装简便。但是也存在一些问题阻碍其发展应用。光纤电流传感器的信噪比低正是其中一个极其关键的问题。造成这一结果的原因主要是光纤的费尔德常数很低，对电流变化不够敏感。此外，光纤电流传感器稳定性差，容易受到外界干扰，此外光源和连接器件的不稳定也会影响输出信号，有用信号容易被噪声淹没。

对于该问题，常见的几种解决方案有：1.增加作为敏感元件的光纤长度。利用较长光纤增加法拉第效应，从而得到较大的旋光角；2.采用掺杂的特种光纤作为敏感元件，通常采用掺铽或掺铕提高光纤的费尔德常数，从而实现较大法拉第旋光；3.采用循环光路增加法拉第效应，利用循环光路让光信号多次通过作为敏感元件的光纤，逐渐放大法拉第旋光。

以上方法尽管可以在一定程度上解决电流灵敏度，但也都存在一定问题：增加光纤长度将增加传感头的体积，还增大外界干扰的影响；采用掺杂的特种光纤不仅制作困难，成本高，在温度稳定性上还存在问题；采用循环光路需要使用包括耦合器在内的多个连接器件，结构复杂并且连接器件也容易受到外界影响。

本发明在循环光路结构的基础上，设计解决光纤电流传感器的电流灵敏度和稳定性问题，利用尽可能少的器件，减少系统受外界干扰的可能性，并减低系统成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种单偏振型环形全光纤电流传感器及其检测方法，结构简单，使用器件少，非偏振检测，抗外界干扰能力强，对光源和连接器件的稳定性要求低。