专利名称：一种全光纤电流互感器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤型电流互感器，具体地说是一种全光纤电流互感器。
背景技术：
电流测量是电力系统正常运行的基本要求之一。目前，电力系统普遍采用的电流 测量装置是传统的电磁式电流互感器。随着电力系统电流等级的提高，传统的电磁式电流 互感器的缺陷例如易受电磁干扰、绝缘结构复杂、造价高、存在磁饱和及铁磁谐振现象等将 日益突出。而光纤电流测量装置具有抗电磁干扰、绝缘能力强、体积小、造价低等优点，具有 传统的电磁式电流互感器无可比拟的优点。近几十年来国内外对光纤电流测量装置展开了 广泛的开发研究。但这类光纤电流测量装置一般都是基于电光效应偏振调制原理的，有比 较严重的温度效应，系统的温度稳定性差。全光纤电流互感器是一种功能型、相位调制的电流传感器。相对于传统基于电磁 感应原理的，它基于磁光法拉第效应原理，采用光纤作为传感介质，不存在铁磁共振和磁至 饱和的隐患，同时具有频带宽、动态范围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性能好， 以及制造和维护成本低等一系列优点。

发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种全光纤电流互感器。本发明的目的是这样实现的一种全光纤电流互感器，由光源、光接收模块、模数 转换器、数字解调器、微处理器、调制驱动器、Y分支集成光学相位调制器、光纤耦合器、保偏 延迟光纤、保偏光纤耦合器、λ/4延迟器、传感光纤和反射镜组成。其结构特征如下光源 与光纤耦合器的第一输入端相连，光接收模块和光纤耦合器的第二输入端相连，光接收模 块，数字转换器、数字解调器、微处理器依次相连，光纤耦合器和Y分支集成光学相位调制 器相连，数字解调器通过调制驱动器和Y分支集成光学相位调制器相连；Y分支集成光学相 位调制器的两个输入端分别通过保偏延迟光纤和普通光纤与保偏耦合器的两个输入端相 连，保偏耦合器的其中一个输出端和λ/4延迟器通过保偏光纤相连，从在λ/4延迟器处接 出的传感光纤缠绕在被测电流导线上，传感光纤的末端安装一个反射镜。Y分支集成光学相位调制器是由一个起偏器，一个分支器和一个光相位调制器组 成的，起偏器将光信号等分为两个正交的线偏振光信号，并分别沿光纤的X轴和Y轴传输。 所述分支器的光功率是均分的，即它的光功率分光比是1 I。所述光相位调制器利用光纤 的双折射特性对两个正交的线偏振光进行同步调制，调制信号来自调制驱动器。输入光输 入Y分支集成光学相位调制器后，Y分支集成光学相位调制器内部的起偏器将输入光信号 转化为χ和y两个模式的线偏振光，Y分支器将线偏振光等分为两路输出，两路输出光进入 相位调制器，其Y分支波导一个用于偏置信号调制，另一个用于反馈信号相位调制，以提供 反馈相移形成闭环监测。本发明的工作步骤为光源的光经过光纤耦合器进入Y分支集成光学相位调制器，Y分支集成光学相位调制器将输入光信号进行相位调制后等分为χ和y两个模式的线偏 振光同时由两路输出端输出；该光相位调制信号根据来自数字解调器的调制信号对两路正 交化的线偏振光进行同步调制，然后Y分支集成光学相位调制器的第一输出端经过保偏延 迟光纤输入保偏光纤耦合器的第一输入端，Y分支集成光学相位调制器的第二输出端经过 普通光纤输入保偏光纤耦合器的第二输入端，保偏光纤耦合器的任一输出端输出χ和y两 个模式的线偏振光传输至λ/4延迟器；在λ/4延迟器处，两束线偏光分别被转换成左旋圆 偏光和右旋圆偏光，进人传感光纤；两个光束在围绕导线的传感光纤中传播，到达终点时遇 到反射镜，光线沿同样的路径返回。导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，当光纤中的光 线环绕导线传播时，由于磁场的作用使得右旋圆偏光和左旋圆偏光的传输速度不同，从而 形成相差，当两束圆偏光传输到传感光纤末端时，发生镜面反射，两束圆偏光在模式互换左 旋变右旋，右旋变左旋后沿原光路返回，效应加倍，并且在λ /4延迟器处再次转变为两束 模式正交的线偏振光模式也互换了。按照上述所述的光所走的路径为(I)Y分支集成光学相位调制器一保偏延迟光纤一保偏光纤耦合器一 λ /4延迟 器一传感光纤一反射镜一传感光纤一 λ /4延迟器一保偏光纤耦合器一保偏光纤一Y分支 集成光学相位调制器。(2) Y分支集成光学相位调制器一保偏光纤一保偏光纤耦合器一 λ /4延迟器一传 感光纤一反射镜一传感光纤一 λ /4延迟器一保偏光纤耦合器一保偏延迟光纤一Y分支集 成光学相位调制器。由于Y分支集成光学相位调制器和保偏光纤耦合器之间是通过保偏延迟光纤和 保偏光纤两路光纤连接的，保偏延迟光纤的长度远大于保偏光纤的长度，所以保偏延迟光 纤对光的传输有延迟作用，且延迟时间是固定的。当光按照上述两路途径传输时，由于是同 一光源发出的光，且经过的路程相同，必然会有一部分光在Y分支集成光学相位调制器的 起偏器处发生干涉，通过对这部分干涉光的调制解调，可以得到被测电流导线处的法拉第 相位信息。干涉结果由光纤耦合器进入光接收模块转变为电信息，然后进入模数转换器实现 模拟量到数字量的转换，模数转换器的输出接入数字解调器，数字解调器把模数转换器得 到的干涉交流电信号的前后半周期各采多个点，分别作累加，然后相减，得到解调信息，数 字解调器的输出接入控制调制器调制Y分支集成光学相位调制器，用于反馈信号相位调 制，以提供反馈相移形成闭环监测，同时数字解调器的输出解调信息进行微处理器进行后 续信号处理，输出导线中传输的电流值。可以看出，本发明中互感器光路系统具有良好的互 易性，干涉结果只携带了法拉第磁光效应产生的相位信息。最终，经过探测器实现光电转换 后的信号表达式为Sd = 0. 5ΚΡ · L · I0 · (l+cosOF)式中Kp是探测器的光电转换系数，L为光路损耗，I0是光源输出光强，Of = 4NVI 是法拉第效应相移(其中，N是传感光纤匝数，V是传感光纤费尔德(Verdet)常数，I是导 线中传输的电流值。λ /4延迟器将来自保偏光纤耦合器的线偏振光转换为圆偏振光，即χ轴的线偏振 光转换为右旋圆偏振光、Y轴的线偏振光转换为左旋圆偏振光。两个圆偏振光经过传感光纤线圈到达端面的反射镜，信号被全反射，并沿着传感光纤线圈反向传播，左旋圆偏振光变 为右旋圆偏振光、右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光。λ /4延迟器将反向传播的圆偏振光转 换为线偏振光，即右旋圆偏振光转换为χ轴线偏振光、左旋圆偏振光转换为y轴线偏振光。 进一步的，所述传感光纤端面采用法拉第旋转平面镜，使得光被反射的同时，光的偏振面旋 转90°，然后再耦合到传感光纤中实现了双倍调制，不但使灵敏度可以提高一倍，而且有效 地抵消圆双折射对光路的影响，尤其能够完全消除相位调制器中任何互易性的双折射，系 统抗干扰能力更强。本发明的有益效果在于本发明设计了一种全光纤电流互感器，它的突出优点是 在相同外界信号激励的环境下能够提高相位灵敏度一倍，而且能够有效的避免相位调制器 偏振态随机变化对干涉系统的影响；同时，能够实现相位调制信息的单根光纤提取。当采用 镀膜等不改变偏振面的反射形式的光反馈方法连接在光纤相位调制器末端时，能够有效的 抵消圆双折射对光路的影响当采用法拉第旋转反射镜作为光反馈装置时，能够完全消除 相位调制器中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力强。由此构造的全光纤电流互感器，在 不改变光纤长度的情况下，相位灵敏度可以提高一倍，不但提高了弱物理信号的提取能力， 而且克服了温度、振动、电磁干扰等各种环境因素的干扰，无须在高压区引入电源，而且传 感光纤的光纤端面采用反射镜作为反射面形成光反馈环路，不但使灵敏度可以提高一倍， 而且有效地抵消圆双折射对光路的影响，所以系统抗干扰能力更强，可以用于复杂、恶劣的 环境中。




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图1为本发明的全光纤电流互感器基本结构图。 图2为Y分支集成光学相位调制器的内部结构示意图
1、光源
2、光接收模块
3、模数转换器
4、数字解调器
5、微处理器
6、调制驱动器
7、Y分支集成光学相位调制器
8、光纤耦合器
9、保偏延迟光纤 17、保偏光纤
10、保偏光纤耦合器
11、λ/4延迟器
12、传感光纤
13、反射镜
14、起偏器
15、相位调制器 16分支器
具体实施例方式本发明提供了一种全光纤电流互感器，下面结合附图详细说明本发明的具体实施 方式。—种全光纤电流互感器，由光源1、光接收模块2、模数转换器3、数字解调器4、微 处理器5、调制驱动器6、Y分支集成光学相位调制器7、光纤耦合器8、保偏延迟光纤9、保偏 光纤17、保偏光纤耦合器10、λ /4延迟器11、传感光纤12和反射镜13组成。其连接方式 为光源1的光输出端输入光纤耦合器8的第一输入端，光接收模块2和光纤耦合器8的第 二输入端相连，光接收模块2，数字转换器3、数字解调器4、微处理器5依次相连，数字解调 器4通过调制驱动器6和Y分支集成光学相位调制器7相连，光纤耦合器8的任一输出端 与Y分支集成光学相位调制器7的输入端相连，Y分支集成光学相位调制器7通过保偏延 迟光纤9和保偏光纤17两路光纤和保偏光纤耦合器10相连，保偏光纤耦合器10和λ /4 延迟器11相连，λ /4延迟器11处接出的传感光纤12缠绕在被测电流导线上，传感光纤12 的末端安装一反射镜13。Y分支集成光学相位调制器是由一个起偏器14，一个分支器16和一个光相位调制 器15组成的光源1的光经过光纤耦合器8进入Y分支集成光学相位调制器7，Y分支集成光学 相位调制器7中的起偏器14将输入光信号进行相位调制后等分为χ和y两个模式的线偏 振光，并且由分支器16分两路输出；相位调制器15根据来自数字解调器4的调制信号对两 路正交化的线偏振光进行同步调制，然后Y分支集成光学相位调制器7的第一输出端经过 保偏延迟光纤9输入保偏光纤耦合器10的第一输入端，Y分支集成光学相位调制器7的第 二输出端经过保偏光纤17输入保偏光纤耦合器10的第二输入端，保偏光纤耦合器10的任 一输出端输出χ和y两个模式的线偏振光传输至λ/4延迟器11 ；在λ/4延迟器11处，两 束线偏光分别被转换成左旋圆偏光和右旋圆偏光，进人传感光纤12 ；两个光束在围绕导线 的传感光纤12中传播，到达终点时遇到反射镜13，光线沿同样的路径返回。导线中的电流 由于法拉第效应产生磁场，当光纤中的光线环绕导线传播时，由于磁场的作用使得右旋圆 偏光和左旋圆偏光的传输速度不同，从而形成相差，当两束圆偏光传输到传感光纤12末端 时，发生镜面反射，两束圆偏光在模式互换左旋变右旋，右旋变左旋后沿原光路返回，效应 加倍，并且在λ/4延迟器11处再次转变为两束模式正交的线偏振光模式也互换了。在工作过程中，光在本实施例所述的全光纤电流互感器中的路程为(1)7-9-10-11-12-13-12-11-10-17-7 ；(2)7-17-10-11-12-13-12-11-10-9-7 ；由于Y分支集成光学相位调制器7和保偏光纤耦合器10之间是通过保偏延迟光 纤9和保偏光纤17两路光纤连接的，保偏延迟光纤9的长度远大于保偏光纤17的长度，所 以保偏延迟光纤9对光的传输有延迟作用，且延迟时间是固定的。当光按照上述两路途径 传输时，由于是同一光源发出的光，且经过的路程相同，必然会有一部分光在Y分支集成光 学相位调制器7的起偏器14处发生干涉，通过对这部分干涉光的调制解调，可以得到被测 电流导线处的法拉第相位信息。干涉结果由光纤耦合器8进入光接收模块2转变为电信息，然后进入模数转换器3实现模拟量到数字量的转换，模数转换器3的输出接入数字解调器4，数字解调器4把模 数转换器3得到的干涉交流电信号的前后半周期各采多个点，分别作累加，然后相减，得到 解调信息，数字解调器4的输出接入控制驱动器6调制Y分支集成光学相位调制器7，用于 反馈信号相位调制，以提供反馈相移形成闭环监测，同时数字解调器4的输出解调信息进 行微处理器5进行后续信号处理，输出导线中传输的电流值。可以看出，本发明中互感器光 路系统具有良好的互易性，干涉结果只携带了法拉第磁光效应产生的相位信息。最终，经过 光电转换后的信号表达式为Sd = 0. 5KP · L · I0 · (l+cosOF)式中Kp是的光电转换系数，L为光路损耗，I0是光源输出光强，Of = 4NVI是法拉 第效应相移(其中，N是传感光纤匝数，V是传感光纤费尔德(Verdet)常数，I是导线中传 输的电流值。光源1可以是下述中的任一种工作波长是1310nm或1550nm的半导体激光二极 管(LD)，半导体发光二极管(LED)激光器，超辐射发光二极管(SLD)激光器等，本实施例选 用工作波长为1550nm的半导体激光二极管。本发明中，光纤耦合器8选用2X2光纤耦合器、保偏光纤耦合器10选用2X2保 偏光纤耦合器，它们的的光功率是均分的，即它们的光功率分光比是1 I。图2为Y分支集成光学相位调制器7的结构示意图，该装置包括起偏器14、分支器 16及相位调制器15。所述起偏器14将光信号等分为两个正交的线偏振光信号，并分别沿 光纤的χ轴和Y轴传输。所述分支器16的光功率是均分的，即它的光功率分光比是1 I。 所述光相位调制器15利用光纤的双折射特性对两个正交的线偏振光进行同步调制，调制 信号来自调制驱动器6。输入光输入Y分支集成光学相位调制器7后，Y分支集成光学相位 调制器7内部的起偏器14将输入光信号转化为χ和y两个模式的线偏振光，Y分支器将线 偏振光等分为两路输出，两路输出光进入光学相位调制器，其Y分支波导一个用于偏置信 号调制，另一个用于反馈信号相位调制，以提供反馈相移形成闭环监测。所述Y分支集成光学相位调制器7包括一个输入端和两个输出端，所述Y分支集 成光学相位调制器的输入端接收输入光；Y分支集成光学相位调制器的两个输出端分光输 出两束已正交化的线偏光模式光信号。Y分支集成光学相位调制器7利用集成光学技术，使 构成光纤干涉仪最小互易性结构的几种无源光学器件以集成光波导的形式连接在一起，从 而提高了系统工作的可靠性。所述光源1、光接收模块2、2X2光纤耦合器8和Y分支集成光学相位调制器7采 用光纤进行连接。所述Y分支集成光学相位调制器7、2X2保偏光纤耦合器10、λ/4延迟器11、传 感光纤12和反射镜13之间采用保偏光纤进行连接，使单模光保持单偏振状态，从而消除光 纤双折射变化对产品性能的影响。。图1表示的互易性结构是全光纤电流互感器的基本原理结构图，能完全保证全光 纤电流互感器在无磁场状态下正反两方向光波的光程相等。所述传感光纤线圈12为超低双折射光纤或普通低双折射单模光纤，围绕高压电 流母线缠绕若干圈。λ /4延迟器11将来自2X2保偏光纤耦合器10的线偏振光转换为圆 偏振光，即χ轴的线偏振光转换为右旋圆偏振光、Y轴的线偏振光转换为左旋圆偏振光。两个圆偏振光经过传感光纤线圈12到达端面的反射镜13，信号被全反射，并沿着传感光纤线 圈12反向传播，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光、右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光。λ/4 延迟器11将反向传播的圆偏振光转换为线偏振光，即右旋圆偏振光转换为χ轴线偏振光、 左旋圆偏振光转换为y轴线偏振光。所述传感光纤端面采用法拉第旋转平面镜，使得光被反射的同时，光的偏振面旋 转90°，然后再耦合到传感光纤中实现了双倍调制，不但使灵敏度可以提高一倍，而且有效 地抵消圆双折射对光路的影响，尤其能够完全消除相位调制器15中任何互易性的双折射， 系统抗干扰能力更强。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例 中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实 施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明 的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进 行其他变形和改变。
权利要求
一种全光纤电流互感器，包括光源(1)、光接收模块(2)、模数转换器(3)、数字解调器(4)、微处理器(5)、调制驱动器(6)、光纤耦合器(8)，其中光源(1)和光纤耦合器(8)的的输入端相连，光接收模块(2)和光纤耦合器(8)的另一输入端相连，光接收模块(2)、模数转换器(3)、数字解调器(4)、微处理器(5)依次相连，其特征在于还包括Y分支集成光学相位调制器(7)、保偏光纤耦合器(10)、λ/4延迟器(11)、传感光纤(12)和反射镜(13)；数字解调器(4)通过调制驱动器(6)和Y分支集成光学相位调制器(7)相连，光纤耦合器(8)的输出端和Y分支集成光学相位调制器(7)相连，Y分支集成光学相位调制器(7)分别通过保偏延迟光纤(9)和保偏光纤(17)与保偏光纤耦合器(10)的两个输入端相连，保偏光纤耦合器(10)的任一输出端和λ/4延迟器(11)相连、传感光纤(12)从λ/4延迟器(11)处接出，末端安装一个反射镜(13)。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于所述的Y分支集成光 学相位调制器(7)是由起偏器(15)、分支器(16)和光相位调制器(17)组成的。
3.根据权利要求1或2所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于所述Y分支集成光 学相位调制器(7)、保偏光纤耦合器(10)、λ/4延迟器(11)、传感光纤(12)和反射镜(13) 采用保偏光纤进行连接，使单模光保持单偏振状态，从而消除光纤双折射变化对产品性能 的影响。
4.根据权利要求1或2所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于从λ/4延迟器 (11)处接出的传感光纤(12)缠绕在被测电流导线上，形成传感光纤环。
5.根据权利要求1或2所述的一种全光纤电流互感器的工作方法，其特征在于包括 如下步骤a、光源(1)的光通过光纤耦合器(8)进入Y分支集成光学相位调制器(7)中；b、光在Y分支集成光学相位调制器(7)中的起偏器(14)经相位调制后等分为χ和y 两个模式的线偏振光；相位调制器(15)根据来自数字解调器(4)的调制信号对两路正交化 的线偏振光进行同步调制，然后Y分支集成光学相位调制器(7)将线偏振光通过保偏延迟 光纤(9)和保偏光纤(17)输入到保偏光纤耦合器(10)内；c、线偏振光通过保偏光纤进入λ/4延迟器(11)内被转换为圆偏振光，即χ轴的线偏 振光转换为右旋圆偏振光、Y轴的线偏振光转换为左旋圆偏振光；d、两个光束在围绕导线的传感光纤(12)中传播，到达终点时遇到反射镜(13)，光线沿 同样的路径返回，导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，当光纤中的光线环绕导线传播 时，由于磁场的作用使得右旋圆偏光和左旋圆偏光的传输速度不同，从而形成相差，当两束 圆偏光传输到传感光纤末端时，发生镜面反射，两束圆偏光在模式互换左旋变右旋，右旋变 左旋后沿原光路返回，效应加倍，并且在λ /4延迟器处再次转变为两束模拟正交的线偏光 模式也互换了；e、由于保偏延迟光纤的延迟作用，携带法拉第效应相位信息的两束光在返回到Y分支 集成光学相位调制器⑵内的的起偏器(14)处发生干涉，干涉结果由光纤耦合器⑶进入 光接收模块(2)转变为电信息，然后进入模数转换器(3)实现模拟量到数字量的转换，模数 转换器(3)的输出接入数字解调器(4)，数字解调器(4)把模数转换器(3)得到的干涉交 流电信号的前后半周期各采多个点，分别作累加，经过微处理器(5)处理，最终得到解调信 肩、ο
全文摘要
本发明公开了一种全光纤电流互感器及其方法，目的在于解决现有的电磁式电流互感器易受电磁干扰、绝缘结构复杂、存在磁饱和现象等不足。本发明技术方案为光源输出的光在Y分支集成光学相位调制器被解调为X轴和Y轴两路线偏振光，进入λ/4延迟器被转换成左旋和右旋两路圆偏振光，导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，当光纤中的光线环绕导线传播时携带法拉第效应相位信息的两束光在返回到Y分支集成光学相位调制器处发生干涉，干涉结果由光纤耦合器进入后续处理系统得到测量处的法拉第效应相位信息。采用光纤作为传感介质，不存在铁磁共振和磁至饱和的隐患，同时具有检测精度高、环境适应性能好等一系列优点。
文档编号G01R15/24GK101915866SQ20101023180
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者仝芳轩, 周正仙, 席刚, 杨斌, 皋魏 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司