专利名称：全光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤电流传感器，尤其涉及一种全光纤电流传感器。
背景技术：
光纤电流传感器具有体积小、重量轻、无磁饱和铁磁谐振问题、绝缘简单、动态范围大、输出数字化显著优点，必将逐步取代传统的电流传感器而成为电网监测的最主要手段之一。其中全光纤电流传感器是此领域的关注热点，也是光纤电流传感器的必然发展方向。全光纤电流传感器的传输过程中能量损失小、结构简单、体积小、重量轻、通过调节光纤 环数还可以调整系统的测量灵敏度。与有源型光纤电流传感器相比，高压侧无需提供电源，大大简化了结构，降低了成本。与小CT式光纤电流传感器相比，从原理上避免了小CT式的固有问题，如死区、电磁干扰等。与激光供能式光纤电流传感器相比，少了一次光电转换，避免了光供电中的能量损耗，无大功率激光器的寿命问题，且全光纤电路易于检查光源是否正常工作。因而全光纤电流传感器具有明显的应用优势，但面临着一些技术问题急需解决，主要是振动、温度等外界环境因素对其影响较大。国外NxtPhase等公司有全光纤电流传感器产品，采用的是直波导反射式方案，共用传感光纤来解决振动和温度问题，见《光电工程》2006年33(5)卷95页至112页的《全光纤电流互感器检测系统的设计》。但此方案的核心器件直波导(属于相位调制器件，x、y两个方向均可小损耗通光，且可对X、y两个方向光波分别进行相位调制)在我国国内没有成熟产品，严重制约了此方案在我国的实际应用。国内有单位提出采用保偏耦合器耦合两束互相垂直的线偏振光的反射式方案，参见电子科技大学2006年的硕士论文《新型全光纤电流传感器光路结构研究》第45页。此方案光纤光路中采用保偏耦合器进行两束互相垂直的线偏振光的耦合，原理上要求这两束互相垂直的线偏振光分别由光纤的快轴和光纤的慢轴进入保偏耦合器耦合后依然保持偏振角度绝对垂直。这要求保偏耦合器同时保证快慢轴的消光比和分光比，而保偏耦合器的工艺极难实现这种要求，一般对保偏耦合器的性能上只要求保证单个光轴的消光比和分光t匕。此方案原理合理，但难以实现。即使随着技术进步保偏耦合器的生产工艺整体改变实现了快慢轴同时精确分光并保证消光比，此方案光纤光路中的保偏耦合器在此种应用方法时有两次3dB的光强损耗，合计6dB光损，造成整个电流传感器的信噪比较低，降低了传感器系统的精度。中国科学院西安光学精密机械研究所提出一种在传感光纤中点I禹合半波片(ZL200920305200. 2)，双线绕制传感光纤的光纤传感方案。此方案在保证了环境适应性的前提下，避免了采用不成熟的器件，而是全部采用通讯器件，采购畅通，传感器精度高，但对方案中三个波片的制作精度提出了较高的要求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可消除振动和温度问题、器件成熟度高、制作难度较低，精度高，适合实现产业化的全光纤电流传感器。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种全光纤电流传感器，其特殊之处在于所述全光纤电流传感器包括偏振分或合束器、传输光纤、四分之一波片、光纤反射镜以及传感光纤；所述偏振分或合束器通过传输光纤与四分之一波片相连；所述四分之一波片通过传感光纤与光纤反射镜相连。上述偏振分或合束器包括偏振分或合束器的合束端以及偏振分或合束器的分束端；所述偏振分或合束器的合束端与四分之一波片通过传感光纤相连。上述全光纤电流传感器还包括激光光源、光电探测器、第一光纤耦合器以及Y分支多功能集成光学器件；所述激光光源和光电探测器通过第一光纤耦合器耦合后接入Y分支多功能集成光学器件；所述Y分支多功能集成光学器件与偏振分或合束器的分束端相连。上述偏振分或合束器的分束端包括第一分束端以及第二分束端；所述Y分支多功能集成光学器件的两个分支分别与偏振分或合束器的第一分束端、第二分束端相连。 上述全光纤电流传感器还包括激光光源、光电探测器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、起偏器以及相位调制器；所述激光光源和光电探测器通过第一光纤耦合器耦合后接入起偏器；所述起偏器依次通过第二光纤耦合器以及相位调制器接入偏振分或合束器的分束端。上述起偏器经过第二光纤耦合器后分成两个分支；所述相位调制器设置于经过第二光纤耦合器后分成的一个或两个分支上；所述经起偏器形成的两个分支与偏振分或合束器的分束端相连。上述偏振分或合束器的分束端包括第一分束端以及第二分束端；所述经起偏器形成的两个分支分别与偏振分或合束器的第一分束端、第二分束端相连。本发明与采用保偏耦合器耦合两束互相垂直的线偏振光的反射式方案的结构相似，但有着本质的区别。全光纤电流传感器反射式方案中需要合并传播的偏振角度互相垂直的两束线偏振光，保偏耦合器性能在工艺上不能满足此要求，而偏振分或合束器的功能偏振合束和偏振分束完全满足反射式全光纤电流传感器的要求。本发明的优点是本发明中因振动或晃动产生的Sagnac效应在前后两次经过传感器光纤时效果相反而抵消，因电流产生的法拉第磁光效应前后两次经过传感器光纤时效果一致，两束光相遇时的相位差只反映电流大小。本发明中两束干涉光束先后经过完全相同的光路，因而对温度变化不敏感。本发明的光纤电流传感器稍加修改光纤线圈圈数等参数，可用于各种电压下的直流、交流电流传感。与传统电磁式电流传感器相比，体积小、重量轻、无磁饱和铁磁谐振问题、绝缘简单、动态范围大、输出数字化；与一般Sagnac式全光纤电流传感器相比对环境振动和温度变化不敏感；与直波导反射式光纤电流传感器相比选用器件的成熟度高，与保偏耦合器反射式光纤电流传感器相比实用性高，非原理性产品，而且信噪比高，系统精度高；与半波片改进Sagnac式全光纤电流传感器相比器件制作难度较低；综合而言，本发明实用性强，适合实现产业化。
图I是本发明所提供的全光纤电流传感器的结构示意图；图2是本发明所提供的全光纤电流传感器的第一较佳实施例的结构示意图；图3是本发明所提供的全光纤电流传感器的第二较佳实施例的结构示意图；图4是本发明所采用的偏振分或合束器尾纤示意图；其中1_偏振分或合束器；2-四分之一波片；3_传感光纤；4_光纤反射镜；5-激光光源；6_光电探测器；7_第一光纤稱合器；8-Y分支多功能集成光学器件；9_第二光纤率禹合器；10_起偏器；11_相位调制器；12_偏振分或合束器的合束端；13_偏振分或合束器的第一分束端；14-偏振分或合束器的第二分束端。
具体实施例方式参见图1，本发明提供了一种光纤电流传感器，包括偏振分或合束器I、四分之一 波片2、光纤反射镜4以及传感光纤3 ;偏振分或合束器I通过传输光纤与四分之一波片2相连；四分之一波片2通过传感光纤3与光纤反射镜4相连。参见图2，图3以及图4，本发明所提供的光纤电流传感器还包括激光光源5、光电探测器6、第一光纤耦合器7、Υ分支多功能集成光学器件8，当然，该Y分支多功能集成光学器件8也可以采用分离的几个器件组成，比如起偏器10、第二光纤耦合器9和相位调制器11 一起来实现Y分支多功能集成光学器件8的功能。激光光源5和光电探测器6通过第一光纤稱合器7后与Y分支多功能集成光学器件8相连；Υ波导多功能集成光学器件8的两个分支分别与偏振分或合束器的第一分束端13以及偏振分或合束器的第二分束端14相连。本发明的工作原理是本发明的核心部分——光纤传感结构部分，以偏振分或合束器I实现两个互相垂直的线偏振光的交叉对准耦合和分解。两束线偏振光经过偏振分或合束器I后被交叉对准耦合，再经过四分之一波片2时线偏振光被转换成右旋(左旋)圆偏振光，经过传感光纤3后被光纤反射镜4转换旋向为左旋(右旋)圆偏振光，以相反的反向再次经过传感光纤3，再经过四分之一波片2时被转换回线偏振光，但此时偏振态转化为原来的垂直偏振态。偏振分或合束器I的作用按光波的传播方向的不同可分为偏振合束和偏振分束。偏振合束就是将两束分别由偏振分或合束器的第一分束端13以及偏振分或合束器的第二分束端14进入偏振分或合束器的线偏振光保持偏振角度垂直稱合在一起在偏振分或合束器的合束端12合并传播出；偏振分束是将从偏振分或合束器的合束端12进入的一束光波按偏振模态分解为两束线偏振光分别振分/合束器的第一分束端13以及偏振分或合束器的第二分束端14输出。
权利要求
1.一种全光纤电流传感器，其特征在于所述全光纤电流传感器包括偏振分或合束器、传输光纤、四分之一波片、光纤反射镜以及传感光纤；所述偏振分或合束器通过传输光纤与四分之一波片相连；所述四分之一波片通过传感光纤与光纤反射镜相连。
2.根据权利要求I所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述偏振分或合束器包括偏振分或合束器的合束端以及偏振分或合束器的分束端；所述偏振分或合束器的合束端与四分之一波片通过传感光纤相连。
3.根据权利要求I或2所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述全光纤电流传感器还包括激光光源、光电探测器、第一光纤耦合器以及Y分支多功能集成光学器件；所述激光光源和光电探测器通过第一光纤耦合器耦合后接入Y分支多功能集成光学器件；所述Y分支多功能集成光学器件与偏振分或合束器的分束端相连。
4.根据权利要求3所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述偏振分或合束器的分束端包括第一分束端以及第二分束端；所述Y分支多功能集成光学器件的两个分支分别与偏振分或合束器的第一分束端、第二分束端相连。
5.根据权利要求I或2所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述全光纤电流传感器还包括激光光源、光电探测器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、起偏器以及相位调制器；所述激光光源和光电探测器通过第一光纤耦合器耦合后接入起偏器；所述起偏器依次通过第二光纤耦合器以及相位调制器接入偏振分或合束器的分束端。
6.根据权利要求5所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述起偏器经过第二光纤耦合器后分成两个分支；所述相位调制器设置于经过第二光纤耦合器后分成的一个或两个分支上；所述经起偏器形成的两个分支与偏振分或合束器的分束端相连。
7.根据权利要求6所述的全光纤电流传感器，其特征在于所述偏振分或合束器的分束端包括第一分束端以及第二分束端；所述经起偏器形成的两个分支分别与偏振分或合束器的第一分束端、第二分束端相连。
全文摘要
本发明涉及一种全光纤电流传感器，该全光纤电流传感器包括偏振分或合束器、传输光纤、四分之一波片、光纤反射镜以及传感光纤；偏振分或合束器通过传输光纤与四分之一波片相连；四分之一波片通过传感光纤与光纤反射镜相连。本发明提供了一种可消除振动和温度问题、器件成熟度高、制作难度较低，精度高，适合实现产业化的全光纤电流传感器。
文档编号G01R19/00GK102830259SQ20111016442
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者徐金涛, 王嘉, 赵卫, 石念宝, 王英利 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所