专利名称：全光纤电流传感器及其偏振态调节方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种全光纤电流传感器及其偏振态调节 方法。
背景技术：
在高电压、大电流和强功率的电力系统中，传统的电磁式电流传感器存在易受电 磁干扰、精度低、铁芯共振和滞后效应等一系列缺点，难以满足使用要求。光纤传感器具有 抗电磁干扰能力强、绝缘性好、动态范围大等优点，这为大电流的检测提供了可能，受到了 广泛的关注，已经成为目前电力系统检测高压电流的最流行、最有应用前景的技术。目前开发的光纤电流传感器，大致可以分为功能型光纤传感器(全光纤式)和传 输型光纤传感器两类。在传输型光纤电流传感器中，光纤的作用仅仅是完成对信号的传输， 磁场对于光信号的调制是由其他元件完成，比如环状磁光玻璃，BGO晶体、以及发光二极管 等。图1是一种利用BGO晶体的光纤电流传感器结构，其原理是激光器1发出的连续光经 多模光纤2送至准直透镜3进行准直，然后经过起偏器4变为线偏振光进入BGO晶体5，光 在通过BGO晶体5时，其偏振方向将在磁场的作用下发生旋转，在出射端采用分光棱镜6分 为两束，然后送至两只探测器7进行光强消光比变化的检测。由于磁场正比于外界的电流， 检测到这个磁场也就可以检测出电流。该传感器不受光纤双折射的影响，长期稳定性较高。 但是该种传感器毕竟只是测量了磁场，而没有进行沿长度的积分，存在换算误差。而且磁场 的大小与BGO探头所处位置有关，这个误差难以克服。此外还存在探头的BGO晶体容易受 温度的影响，而且虽然理论上偏振方向的旋转是由磁场所决定，但是由于磁光效应与磁场 方向和光传输方向的夹角有关，从而引起误差。而且BGO晶体长度毕竟有限，很难进一步提 高灵敏度。全光纤式的功能型光纤电流传感器是基于光纤内的Faraday磁光效应实现电流 的检测，光纤既是传感元件又是信号的传输介质。全光纤式的功能型光纤电流传感器是将 光纤缠绕在通电导体周围，通过测量光纤中的Faraday旋转角来测量电流的大小。这个旋 转角是不仅正比于磁场的大小，而且是与沿路径的积分有关，因此真正反映了通过光纤圈 的总电流。由于光纤可以绕制成很多圈，从而大大提高传感器的灵敏度。而且普通石英光纤 非常便宜，每米只有0. 1元左右，不必像集磁式光纤电流传感器需要一个集磁铁芯，制作成 本低，因此很有优势。这类传感器的调制原理主要有两种方案偏振调制型和相位调制型。 偏振调制型的基本原理是基于光纤内的Faraday效应实现偏振态的旋转，如图2所示激光 器8输出的连续光经过光纤起偏器9后输入光纤圈10，输出端采用握拉斯顿棱镜11将光分 为互相垂直的两束，然后采用两个探测器12将光信号转换为电信号送入信号处理单元13。相位调制型光纤电流传感器是利用调制器对光波的相位进行调制，通过检测输出 干涉光的相位差来确定待测电流。此种原理的光纤电流传感器主要是基于Fabry-Perot干 涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪等几种干涉仪实现的。以Sagnac干涉仪为例， 一种反射式Sagnac光纤电流传感器的结构如图3所示，测量原理是激光器14发出的光经单模光纤被传送耦合器15，然后送至起偏器16，成为线偏振光，通过45度熔接点17分成偏 振方向相互垂直的两束光，再经λ/4波片18入射光转换为两个旋向相反(左旋和右旋) 的圆偏振光，进入光纤圈19进行传感。在光纤圈19中经过一次法拉第效应后，到达反射镜 20，发生反射，它们的偏振态在反射时发生了交换，即原左旋光变成了右旋光，原右旋光变 成了左旋光。经过反射后的圆偏振光按原路返回，再次经法拉第效应，然后通过λ/4波片 18转换回线偏振光，经过反射的光携带了相位差信息经过耦合器15被传送至光电探测器 21上述全光纤型电流传感器由于光纤中的双折射效应的存在，而这种双折射易受外 界影响，使得测量误差大大增加，系统稳定性削弱，长期以来没有办法实用。因此人们致力 于寻找低双折射光纤或者低光弹性系数光纤来试图消除光纤自身的双折射效应，以便减少 外界环境的干扰。或者试图找出磁光Faraday效应与光纤自身双折射效应之间的区别，来 抑制光纤自身的双折射，但由于光纤自身的双折射受光纤放置状态的影响，即使是低双折 射光纤，光纤弯曲、收到应力以及温度的影响，都会形成新的双折射，因此上述方法都收效 甚微。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全光纤电流传感器及其偏振态调节方法。一方面，本发明公开了一种全光纤电流传感器，包括顺序设置的激光器、感应电流 磁场变化的光纤圈组件、设置于所述光纤圈组件输入端的第一偏振控制器、设置于所述光 纤圈组件输出端的第二偏振控制器、快速偏振态检测器和高通滤波器。上述电流传感器，优选所述光纤圈组件为光纤圈。上述电流传感器，优选所述光纤圈组件包括顺序设置的光纤环行器、光纤圈和全 反射镜；其中，所述光纤圈组件的输入端为所述光纤环行器的第一端，与所述第一偏振控制 器的输出端相连接；所述光纤圈组件的输出端为所述光纤环行器的第三端，与所述第二偏 振控制器的输入端相连接；所述光纤圈的输入端与所述光纤环行器的第二端连接。上述电流传感器，优选所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器分别连接有伺 服系统。上述电流传感器，优选所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器为手动偏振控 制器或电动偏振控制器。上述电流传感器，优选所述手动偏振控制器为旋转光纤环的偏振控制器或挤压光 纤的偏振控制器。上述电流传感器，优选所述电动偏振控制器为电动旋转光纤环的偏振控制器或利 用压电陶瓷挤压光纤的电动偏振控制器。上述电流传感器，优选所述电动偏振控制器为基于半导体光放大器非线性偏振旋 转效应的电动偏振控制器。上述电流传感器，优选所述快速偏振态检测器由1 X 4耦合器与4个光探测器组 成；或所述快速偏振态检测器由1X4耦合器与4个光探测器，以及3个偏振分束器组成。另一方面，本发明公开了一种上述电流传感器的偏振态调节方法，包括如下步骤 步骤1，所述激光器输出的光经过第一偏振控制器后，使用所述快速偏振态检测器进行检测，这时，在输出邦加球上画出一个圆。步骤2，调节所述第一偏振控制器，使得偏振态所画 出的圆圈越来越小，直至缩小为一个点，所述一个点所处的状态为偏振主态；步骤3，调节 所述第二偏振控制器，使得已经获得的所述偏振主态移动到邦加球的两极中的一个；步骤 4，调节所述第一偏振控制器，使得所画出的圆圈越来越大，直至达到赤道。本发明针对上述偏振调制型全光纤电流传感器存在的缺点，提出了一种基于偏振 主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器，该传感器通过调整输入偏振态，寻找出电流 变化的偏振主态，从而使电流变化时引起的输出偏振态的变化始终绕着偏振主态在邦加球 的赤道上旋转，从而确保磁场方向夹角误差最小；使用高速偏振态检测技术，对偏振态的变 化进行快速检测，由于外界干扰引起的偏振态变化时间在秒级，其频率大大低于交流电的 变化速度，很容易利用滤波器滤除，从而有效的规避了自身双折射的影响，也有效地解决了 温度稳定性问题。
图1为现有技术中基于BGO晶体的光纤电流传感器的结构示意图；图2为现有技术中偏振调制型全光纤电流传感器的结构示意图；图3为现有技术中相位调制型全光纤电流传感器的结构示意图；图4为本发明基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器实施例的结 构示意图；图5为本发明基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器另一实施例 的结构示意图；图6为本发明基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器另一实施例 的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明全光纤电流传感器包括顺序设置的激光器、感应电流磁场变化的光纤圈组 件、设置于所述光纤圈组件输入端的第一偏振控制器、设置于所述光纤圈组件输出端的第 二偏振控制器、快速偏振态检测器和高通滤波器。其中的光纤圈组件用于感受电流场的变 化，可以为单个的光纤圈，也可以包含光纤环行器。下面通过三个实施例加以说明。实施例一参照图4，图4为本发明基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器实 施例的结构示意图，包括顺序连接的激光器22、第一偏振控制器24、光纤圈23，第二偏振控 制器25，快速偏振态检测器26和高通滤波器27。与通常的全光纤电流传感器的区别在于，在光纤圈23的输入端没有了起偏器，而 代之以第一偏振控制器24 ；在光纤圈23输出端也没有检偏器或者偏振分束器(沃拉斯顿 透镜等)，代之以第二偏振控制器25与快速偏振态检测器26。这是一个非常简单的结构， 关键在于偏振态的快速检测与通过调节两个偏振控制器获得偏振主态。其调节步骤如下
5
步骤1激光器输出的连续光经过第一偏振控制器24后，使用快速偏振态检测器26 进行检测，这时，由于电流的法拉第效应，在输出邦加球上将画出一个圆。步骤2，调节第一偏振控制器24，使得电流作用导致输出偏振态在邦加球上所画 出的圆圈越来越小，直至缩小为一点，即为偏振主态。步骤3，调节第二偏振控制器25，使得已经获得的偏振主态(邦加球上的一个点) 移动到邦加球的两极中的一个。步骤4，调节第一偏振控制器24，使得所画出的圆圈越来越大，直至达到赤道。这 时电流的变化总是使输出偏振态在赤道上旋转。任何非赤道旋转或者在赤道上旋转但是速度低于工频的运动，都是干扰信号，可 以用滤波器直接滤除。本实施例的优点在于通过偏振主态和高速偏振态检测方法检测电流变化，该方法 克服了全光纤电流传感器中由于环境引起的偏振态不稳定的问题，而且该方法测量简便， 速度快，结构简单。实施例二参照图5，图5为本发明基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器另 一实施例的结构示意图，该实施例为反射式全光纤电流传感器结构示意图。图中包括激光器28、第一偏振控制器29，第二偏振控制器30，光纤环行器31，光纤 圈32，全反射镜33，高速偏振态检测器34，高通滤波器35。该反射式传感器是在图4的基 础上，在光纤圈32的末端加了一个全反射镜，使得入射到光纤圈32的光经原路返回，从而 增加了磁场对于光信号的调制作用，相当于增加了光纤圈的圈数。返回来的光经过环行器 31与输出偏振控制器30相连接，然后进入高速偏振态检测器34和电的高通滤波器35。偏 振主态的调节的方法同前。在此不再赘述。另外，在具体实施时，在实施例一或者实施例二的第一偏振控制器(24或29)前 面，还可以再加一个偏振控制器、一个耦合器和一个快速偏振态检测器，用以检测输入偏振 态，防止其它由光源侧引起的输入偏振态的变化。在上述两个实施例中，偏振控制器使用手动偏振控制器或者电动偏振控制器；手 动偏振控制器是旋转光纤圈形式或者是挤压光纤的形式；电动偏振控制器是将手动偏振控 制改为电动控制，或者基于其他原理的电动控制器，如半导体偏振控制器等。实施例三参照图6，图6是另外一种基于偏振主态与高速偏振态检测的全光纤电流传感器 的结构，激光器36发出的光是一个脉冲光，第一偏振控制器37为电动的偏振控制器，其与 伺服系统38组成了一个电动偏振态控制系统，当脉冲光经过时可以按照预先设定的要求 精确进行偏振态旋转。第一偏振控制器37的输出光经过光纤环形器39进入光纤圈40，在 光纤圈中在法拉第效应作用下发生偏振态的旋转。光纤圈出射的光到达反射镜41经过反 射后沿着原路返回，再次经过光纤圈40，然后经过光纤环形器39到达第二偏振控制器42， 该偏振控制器也为电动偏振控制器，其与伺服系统43组成了另一个电动偏振态控制系统， 用来精确调节输出偏振态。第二偏振控制器42的输出光最终进入快速光纤偏振态检测器 44变成电信号，该电信号通过电的滤波器45获得电流信息。偏振主态的调节的方法同前。 在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种全光纤电流传感器及其偏振态调节方法进行详细介 绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明 只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本 发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应 理解为对本发明的限制。
权利要求
一种全光纤电流传感器，其特征在于，包括顺序设置的激光器、感应电流磁场变化的光纤圈组件、设置于所述光纤圈组件输入端的第一偏振控制器、设置于所述光纤圈组件输出端的第二偏振控制器、快速偏振态检测器和高通滤波器。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述光纤圈组件为光纤圈。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述光纤圈组件包括顺序设置的光纤环行器、光纤圈和全反射镜；其中，所述光纤圈组件的输入端为所述光纤环行器的第一端，与所述第一偏振控制器 的输出端相连接；所述光纤圈组件的输出端为所述光纤环行器的第三端，与所述第二偏振 控制器的输入端相连接；所述光纤圈的输入端与所述光纤环行器的第二端连接。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，所述第一偏振控制器、所述第二偏 振控制器分别连接有伺服系统。
5.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述第一偏振控制器、所述第二偏 振控制器为手动偏振控制器或电动偏振控制器。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，所述手动偏振控制器为旋转光纤 环的偏振控制器或挤压光纤的偏振控制器。
7.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，所述电动偏振控制器为电动旋转 光纤环的偏振控制器或利用压电陶瓷挤压光纤的电动偏振控制器。
8.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，所述电动偏振控制器为基于半导 体光放大器非线性偏振旋转效应的电动偏振控制器。
9.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述快速偏振态检测器由1X4耦合器与4个光探测器组成；或所述快速偏振态检测器由1X4耦合器与4个光探测器，以及3个偏振分束器组成。
10.一种基于如权利要求1所述的电流传感器的偏振态调节方法，其特征在于，包括如 下步骤步骤1，所述激光器输出的光经过第一偏振控制器后，使用所述快速偏振态检测器进行 检测，这时，在输出邦加球上画出一个圆；步骤2，调节所述第一偏振控制器，使得偏振态所画出的圆圈越来越小，直至缩小为一 个点，所述一个点所处的状态为偏振主态；步骤3，调节所述第二偏振控制器，使得已经获得的所述偏振主态移动到邦加球的两极 中的一个；步骤4，调节所述第一偏振控制器，使得所画出的圆圈越来越大，直至达到赤道。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤电流传感器及其偏振态调节方法。其中，该全光纤电流传感器包括顺序设置的激光器、感应电流磁场变化的光纤圈组件、设置于所述光纤圈组件输入端的第一偏振控制器、设置于所述光纤圈组件输出端的第二偏振控制器、快速偏振态检测器和高通滤波器。与现有技术中的全光纤电流传感器不同的是，本发明没有起偏器和检偏器，而是利用主态原理，直接检测偏振态在邦加球赤道上的变化，并用滤波器滤除温度等环境干扰。
文档编号G01R19/00GK101968508SQ20101028567
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者吴重庆 申请人:北京交通大学