一种光纤电流传感器的制作方法

本申请涉及电气技术领域，特别涉及一种光纤电流传感器。

背景技术：

电流传感器作为电网中至关重要的环节，关系着电力系统的安全运行。近百年来，传统电磁式电流互感器由于其成熟的测量技术、简单的结构和不易损坏等优点，已获得广泛应用；随着电网规模的日益增大和运行机制的不断发展，由于其结构和使用条件的特殊性，它在电力系统电压等级不断提高的情况下普遍暴露出安全性低、电磁干扰严重、环境友好性差、存在磁饱和现象影响测量精度、成本高以及装配难度大等突出问题。

传统电流传感器的缺陷促使人们开始探索更先进的电流传感器。二十世纪六十年代出现的半导体集成电路技术、激光技术以及七十年代初出现的光纤通信技术，使光学电流传感技术迅速兴起与发展。光学电流传感器理论上具有传统电磁式电流传感器功能并能克服其上述缺点。

但是,光学材料中存在的线性双折射现象以及其对电流磁场较低的敏感度一直成为制约光学电流传感器的主要原因。而且,对于全光纤电流传感技术的研究主要集中于大电流测量领域，量程一般在10²A-10⁶A，但对于小电流的准确测量还有所欠缺。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种光纤电流传感器，以解决全光纤电流传感技术对于小电流的准确测量还有所欠缺的问题。

根据本申请的实施例，提供了一种光纤电流传感器，包括：反射式光学电流传感头、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、光纤耦合器、格兰棱镜、沃拉斯通棱镜、激光器、第一探测器和第二探测器；

所述第一自聚焦透镜和所述第二自聚焦透镜设在所述反射式光学电流传感头的同一侧；

所述激光器、所述格兰棱镜、所述光纤耦合器和所述第一自聚焦透镜依次并排放置；

所述第一探测器、所述第二探测器、所述沃拉斯通棱镜、所述第三自聚焦透镜和所述第二自聚焦透镜依次并排放置；

所述光纤耦合器与所述第一自聚焦透镜通过光纤连接；

所述第三自聚焦透镜与所述第二自聚焦透镜通过光纤连接；

所述反射式光学电流传感头包括：螺线管和所述螺线管内的圆柱形石英玻璃；

所述圆柱形石英玻璃上下两面都设有反射膜。

可选的，所述螺线管的内径为30mm，所述螺线管的外径为50mm，所述螺线管的长度为270mm。

可选的，所述螺线管上的环形导线的匝数为1500。

可选的，所述圆柱形石英玻璃置于所述螺线管的轴线上。

可选的，所述圆柱形石英玻璃的横截面直径为30mm，所述圆柱形石英玻璃的轴向长度为500mm。

可选的，所述圆柱形石英玻璃内设有与所述圆柱形石英玻璃的轴线平行的圆柱形石英晶体，所述圆柱形石英晶体的直径为0.1mm，所述圆柱形石英晶体的数量为100。

可选的，所述圆柱形石英晶体在所述圆柱形石英玻璃内呈10*10的正方形阵列，所述圆柱形石英晶体之间的最短距离为2mm，最长距离为3.5mm。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供一种光纤电流传感器，由激光器发出的光经由格兰棱镜，变为线偏振光；光纤耦合器连接光纤，使线偏振光最大限度地耦合到光纤中去；接下来的自聚焦透镜将线偏振光平滑且连续地汇聚成柱状光线，然后光线进入到反射式光学电流传感头中；光线在反射式光学电流传感头中发生法拉第效应，使光线的偏振态发生变化，从反射式光学电流传感头中射出后，经由两个自聚焦透镜进入到沃拉斯通棱镜中，变为两条光线射出，分别由探测器接收后转换为电流信号；最后再对两路信号运算，得到光波偏振态夹角的准确值。本申请提供的一种光纤电流传感器，由于设置了反射式光学电流传感头，减小了线性双折射对测量结果的影响，可以得到光波偏振态夹角的准确值，进而可以对小电流进行准确的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例示出的一种光线电流传感器的结构图；

图2为本申请实施例示出的圆柱形石英玻璃的横截面图；

图3为本申请实施例示出的圆柱形石英玻璃的轴向截面图。

图示说明：

其中，1-反射式光学电流传感头；2-第一自聚焦透镜；3-第二自聚焦透镜；4-第三自聚焦透镜；5-光纤耦合器；6-格兰棱镜；7-沃拉斯通棱镜；8-激光器；9-第一探测器；10-第二探测器；11-螺线管；12-圆柱形石英玻璃；13-反射膜；14-圆柱形石英晶体。

具体实施方式

参见图1至图3，其中虚线部分为光线的传播路径。本申请实施例提供的一种光纤电流传感器，包括：反射式光学电流传感头1、第一自聚焦透镜2、第二自聚焦透镜3、第三自聚焦透镜4、光纤耦合器5、格兰棱镜6、沃拉斯通棱镜7、激光器8、第一探测器9和第二探测器10；

所述第一自聚焦透镜2和所述第二自聚焦透镜3设在所述反射式光学电流传感头1的同一侧；

自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能。当光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，利用产生的光程差使光线汇聚成一点。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。由于自聚焦透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中使用。并在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。自聚焦透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，并分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面。

所述激光器8、所述格兰棱镜6、所述光纤耦合器5和所述第一自聚焦透镜2依次并排放置；

激光器8用于发射光线，格兰棱镜6可以将一束无偏振的光线变成偏振光，光纤耦合器5光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。

所述第一探测器9、所述第二探测器10、所述沃拉斯通棱镜7、所述第三自聚焦透镜4和所述第二自聚焦透镜3依次并排放置；

沃拉斯通棱镜7能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光。它是有由两个直角棱镜组成的。

所述光纤耦合器5与所述第一自聚焦透镜2通过光纤连接；

所述第三自聚焦透镜4与所述第二自聚焦透镜3通过光纤连接；

所述反射式光学电流传感头1包括：螺线管11和所述螺线管11内的圆柱形石英玻璃12；

所述圆柱形石英玻璃12上下两面都设有反射膜13。

进一步地，反射膜13可以是法拉第镜式保偏膜，圆柱形石英玻璃12为低折射率石英玻璃，反射膜13还可以消除反射相移对整体过程的影响。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供一种光纤电流传感器，由激光器8发出的光经由格兰棱镜6，变为线偏振光；光纤耦合器5连接光纤，使线偏振光最大限度地耦合到光纤中去；接下来的第一自聚焦透镜2将线偏振光平滑且连续地汇聚成柱状光线，然后光线进入到反射式光学电流传感头1中；光线在反射式光学电流传感头1中发生法拉第效应，使光线的偏振态发生变化，从反射式光学电流传感头1中射出后，经由两个自聚焦透镜进入到沃拉斯通棱镜7中，变为两条光线射出，分别由探测器接收后转换为电流信号；最后再对两路信号运算，得到光波偏振态夹角的准确值。本申请提供的一种光纤电流传感器，由于设置了反射式光学电流传感头1，减小了线性双折射对测量结果的影响，可以得到光波偏振态夹角的准确值，进而可以对小电流进行准确的测量。

可选的，所述螺线管11的内径为30mm，所述螺线管11的外径为50mm，所述螺线管11的长度为270mm。

可选的，所述螺线管11上的环形导线的匝数为1500。

可选的，所述圆柱形石英玻璃12置于所述螺线管11的轴线上。

可选的，所述圆柱形石英玻璃12的横截面直径为30mm，所述圆柱形石英玻璃12的轴向长度为500mm。

可选的，所述圆柱形石英玻璃12内设有与所述圆柱形石英玻璃12的轴线平行的圆柱形石英晶体14，所述圆柱形石英晶体14的直径为0.1mm，所述圆柱形石英晶体14的数量为100。

圆柱形石英晶体14是高折射率的纯石英棒，在光线传输的过程中，是在圆柱形石英晶体14中传输的，反射膜13保证线偏振光由圆柱形石英晶体14传输至端面处反射入相邻的圆柱形石英晶体14中，并消除了反射相移对实验结果的影响。

进一步地，根据法拉第效应的非互易性，通过两面法拉第镜式保偏膜多次反射后法拉第转角将成倍增大。

可选的，所述圆柱形石英晶体14在所述圆柱形石英玻璃12内呈10*10的正方形阵列，所述圆柱形石英晶体14之间的最短距离为2mm，最长距离为3.5mm。

进一步地，本申请实施例提供的一种光纤电流传感器的工作原理基于法拉第效应，法拉第效应主要是由于外磁场对光学材料磁化后，使材料本身具有磁矩，此时在光学材料内部传输的偏振光的电磁场将与材料的磁矩相互作用，从而影响到光波的电场分布，体现在宏观上即为光波的偏振态发生旋转。此偏振态的旋转角度称为法拉第偏转角。通过准确测量法拉第偏转角反映了光波所处的外磁场大小，于是可进一步计算出产生此磁场的电流大小。

光学材料的介电常数ε会在材料具有磁矩后发生变化，而材料所具有的磁矩与材料磁化强度有关，于是介电常数的变化可以用材料的磁化强度M来描述。将介电常数张量ε的变化用M的幂级数展开，根据张量的性质并应用昂萨格关系ε_ij(M)＝ε_ij(-M)，介电常数张量的各个分量可以表示为：

对于光学电流传感器所选用的光学晶体，其对称性高于四方晶系，且设定材料分布均匀，于是有ε₁₁＝ε₂₂，ε₁₂＝-ε₂₁，ε₁₃＝ε₃₁＝ε₂₃＝ε₃₂＝0。式(1)可变为：

式中：设定z轴为光轴方向，xy平面为光学晶体横截面，分别沿x，y，z坐标轴方向的介电常数ε₁₁＝ε₂₂＝ε₃₃＝ε；δ为磁极化系数，与外磁场相关。

偏振光在光纤中传输时满足麦克斯韦方程组。

式中：B为磁感应强度；D为电位移矢量。

入射线偏振光的表达式为：

式中：E₀为光波电场矢量的振幅；s为光波矢方向的单位矢量；H₀为光波磁场矢量的振幅。

真空中光速c的表达式可以写为c²＝(μ₀ε₀)^-1。于是联立式(2)和式(3)可得：

-n²[(E×s)×s]＝ε_rE (5)

将电场强度和介电常数分别用向量和矩阵表示，代入式(5)；且设定光波沿光轴方向传输，有s(0,0,1)：

对式(6)进行矩阵运算可得：

将式(7)带入式(6)第一和第二行系列方程可得：

式(8)代表两旋向相反且以不同的速度c/n₊和c/n_-沿光轴方向传播的圆偏振光，经过一段距离后，两束光之间存在相位差，此时两束圆偏振光合并后依旧是线偏振光，并且相对于初始时的线偏振光的偏振态有一个偏转角。

设线偏振光沿z方向传播l距离，此时偏振态偏转角度为θ。若线偏振光的初始偏振态是沿x轴方向，所以tanθ＝E_y/E_x。

联力式(7)可得：

式中：V为光纤材料的费尔德常数/rad·A^-1。H为测试电流产生的磁场。

利用安培环路定理对式(10)中外磁场与测试电流的关系进行解析，式(10)可简化为：

θ＝Vn₁n₂I (13)

式中：n₁为通电螺线管匝数；n₂为传感头中光通道的数目。

反射式光学电流传感头1与传统直线型结构相比，可提高灵敏度达600倍，从而可提高全光纤电流传感器测量精度与稳定性。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供一种光纤电流传感器，由激光器8发出的光经由格兰棱镜6，变为线偏振光；光纤耦合器5连接光纤，使线偏振光最大限度地耦合到光纤中去；接下来的第一自聚焦透镜2将线偏振光平滑且连续地汇聚成柱状光线，然后光线进入到反射式光学电流传感头1中；光线在反射式光学电流传感头1中发生法拉第效应，使光线的偏振态发生变化，从反射式光学电流传感头1中射出后，经由两个自聚焦透镜进入到沃拉斯通棱镜7中，变为两条光线射出，分别由探测器接收后转换为电流信号；最后再对两路信号运算，得到光波偏振态夹角的准确值。本申请提供的一种光纤电流传感器，由于设置了反射式光学电流传感头1，减小了线性双折射对测量结果的影响，可以得到光波偏振态夹角的准确值，进而可以对小电流进行准确的测量。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。