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一种光纤电流互感器光学结构.pdf

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一种 光纤 电流 互感器 光学 结构
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摘要
申请专利号:

CN201510543050.9

申请日:

2015.08.28

公开号:

CN106483356A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01R 15/24申请日:20150828|||公开
IPC分类号: G01R15/24 主分类号: G01R15/24
申请人: ?#26412;?#28006;丹光电股份有限公司
发明人: 耿凡; 向美华; 薛挺; 毛健
地址: 100176 ?#26412;?#24066;大兴区?#26412;?#32463;济技术开发区经海四路18号1幢、2幢
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#25402;立专利事务所(普通合伙) 11265 代理人: 倪钜芳
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510543050.9

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供了一种光纤电流互感器光学结构,包括光源和MIOC调制器以及第一和第二保偏光纤分束器,所述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连,第一保偏光纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器相连,探测器连接信号处理单元;MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和下?#31181;?#36755;出尾纤分别与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相连接,第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连,保偏光纤依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。本发明克服了采用传统保偏光纤耦合器存在的问题,且光路组装工艺简单,系统可靠性高。

权利要求书

1.一种光纤电流互感器光学结构,包括光源和MIOC调制器,
其特征在于:还包括第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器,所
述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连,第一保偏光纤分束
器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器相连,探
测器连接信号处理单元;MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和下?#31181;?#36755;
出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相
连接,第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连,保偏光纤
依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器光学结构,其特
征在于:所述第一保偏光纤分束器及第二保偏光纤分束器的应力轴均
为0度对准,MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分束器
的下输入尾纤0度熔接,下?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分束器的下
输出尾纤90度熔接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器光学结构,其特
征在于:所述第一保偏光纤分束器的应力轴为0度对准,第二保偏光
纤分束器的应力轴为90度对准,MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和
下?#31181;?#36755;出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输
出尾纤0度熔接。

说明书

一种光纤电流互感器光学结构

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域,特别是一种光纤电流互感器光学
结构。

背景技术

基于法拉第效应的全光纤电流互感器因其原理优势,?#36824;?#35748;为是
传统电磁感应式电流互感器的替代品。与传统的电磁式互感器相比,
光纤电流互感器具有如下优势:

安全优势:绝缘结构简单,绿色环保、无爆炸、无油气、无SF6、
无二次开路危险;

成本优势:220kV以上?#20445;?#37319;用光纤,大幅?#26723;?#32477;缘成本;

性能优势:体积小,重量轻;动态范围大,可测交流/直流,无
磁饱和,频带响应宽,抗干扰能力强,适合数?#21482;?#36755;出;

适应国家智能电网发?#26500;?#21010;要求。

目前常用的2种光纤电流互感器光路结构方案:

1.采用集成光学多功能调制器MIOC为核心的Sagnac干涉型光
学结构,其基于Sagnac干涉仪的光纤陀螺工作原理,理论成熟,但
是其光学结构插入损耗大,温度、振动等环境因素会影响系统性能。

2.采用相位调制器作为偏振方向旋转开关的光学结构,其光学
结构插入损耗小,温度、振动等环境因素基本不影响系统性能,但是
其是基于相位调制器作为的偏振方向旋转开关的工作原理为理论基
础的工作机理,尚不能?#36824;?#27867;理解。因此,目前采用本方案光路结构
的机构虽然很多,但是系统性能仍然不如采用MIOC调制器的系统性
能。

对于基于采用MIOC调制器方案的电流互感器,由于同时采用传
统光纤耦合器的系统插入损耗仍然相对较大,可达>20dB以上,因此
有采用光纤环形器替代与光源连接的传统光纤耦合器,也有同时采用
偏振分/合束器,代替与MIOC连接的传统光纤耦合器的方案。参见
如下电流互感器专利:


这些结构的优点:采用光纤环形器可以?#26723;?#31995;统插入损耗
5~6dB,采用偏振分/合束器也可以?#26723;?#31995;统插入损耗5~6dB,此外,
还可以优化MIOC的检偏功能3dB,二者组合可以?#26723;?#31995;统插入损耗
13~15dB,从而提高输出光功率20~30倍。理论上,根据最小测量电
流与光功率的平方根成正比,这种方案可以提高最小测量电流精度~5
倍。

然而,光纤电流互感器传感系统必须符合以下要求:

1.光源必须是宽带光源;2.系统需要保偏光纤仪保持光波的偏振
特性;3.系统传输的光功率必须稳定;4.组装工艺需要适应批量化的
规模生产。

因此,采用上述2种方案的光纤电流互感器存在不可克服的弱
点:

1.光纤环形器存在弱点:由于工作机理限制,存在较大的波长
相关损耗(WDL),偏振相关损耗(PDL),温度相关损耗(TDL),以及各
种损耗交叉影响,反而会大幅度?#26723;?#31995;统的其他性能,如系统的线性
以及系统的测量误差,所以商业系?#25345;心?#24895;采用传统的光纤耦合器,
而不采用光纤环形器;

2.偏振分/合束器存在弱点:工作机理:基于光波在双折射晶体
中传播,偏离光轴方向传播,o光和e光走离,从而实现2偏振光束
分开;或者采用格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜,偏振分束棱镜等实现2偏
振光束分开。由于体积限制,商业的偏振分束器大多采用双折射晶体
方案,由于光波传播限制,2偏振态光束在空间分离部分仍然有部分
重叠,从而大幅?#26723;?#24615;能,特别是用于模拟的光纤传感系统。此外,
理论方面,光?#20961;?#33021;满足Sagnac效应在物理学观念上的互易原则,
从而会?#26723;?#28201;度、振动相关的性能;所以商业系?#25345;心?#24895;采用传统的
光纤耦合器,也不采用光纤偏振分/合束器;

与光纤环形器、偏振分/合束器相比,采用传统的光纤耦合器,
包括保偏光纤耦合器,能够获得相对较好的WDL,PDL,TDL,以
及满足Sagnac效应物理学客观规律的互易性,所以是传统方案的最
佳选择。

然而,传统方案所制作的保偏光纤耦合器也具有各种不可克服的
弱点。由于必须采用匹配型保偏光纤,与常规的保偏光纤应力区域不
兼容,保偏光纤熔接机几乎不能正确识别匹配型保偏光纤的应力轴,
无论0度对准熔接,还是90度对准熔接,均会大幅度增加光路熔接
的复杂程度,?#26723;?#31995;统性能。除此之外,还具有普通单模耦合器具有
的各种弱点,如与专利的保偏光纤分束器相比,具有较差的波长相关
损耗WDL,温度相关损耗TDL,很差的偏振相关损耗PDL,以及较
差的长期可靠性等。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种光纤电流互感器
光学结构,解决了现有保偏光纤耦合器存在的必须采用匹配型保偏光
纤,光路熔接复杂程度高及长期可靠性差等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

本发明提供一种光纤电流互感器光学结构,包括光源和MIOC调
制器,其特征在于,还包括第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束
器,所述光源与第一保偏光纤分束器的下输入尾纤相连,第一保偏光
纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制器和探测器
相连,探测器连接信号处理单元;MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和
下?#31181;?#36755;出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输
出尾纤相连接,第二保偏光纤分束器的上输出尾纤与保偏光纤相连,
保偏光纤依次连接有λ/4波片、传感光纤及反射镜。

优选的,所述第一保偏光纤分束器及第二保偏光纤分束器的应力
轴均为0度对准,MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分
束器的下输入尾纤0度熔接,下?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分束器
的下输出尾纤90度熔接。

优选的,所述第一保偏光纤分束器的应力轴为0度对准,第二保
偏光纤分束器的应力轴为90度对准,MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾
纤和下?#31181;?#36755;出尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和
下输出尾纤0度熔接。

本发明的积极效果:

1.克服了采用传统保偏光纤耦合器存在的具有较大偏振相关损
耗PDL的弱点,可以提高系统的最小测量电流精度(3~5倍);

2.克服了采用传统光纤耦合器存在的波长相关损耗WDL、温度
相关损耗TDL的弱点,由于该光学结构基于Sagnac效应的光纤陀螺
机理,基于光纤陀螺理论,可以提高系统测量的线性到十万?#31181;?#19968;
(<10ppm);采用传统的耦合器的方案,一般>100ppm;

3.此外,第2个保偏光纤分束器巧妙地解决了偏振合束问题,
而采用传统的保偏光纤耦合器,会引入较大的偏振相关损耗,劣化系
统的性能。采用偏振分束器,不能满足系统的互易原则。

4.光路组装工艺简单,保偏光纤熔接机几乎不能识别用于保偏
光纤耦合器的匹配型保偏光纤,使得光路熔接失败,保偏光纤分束器
的光纤类型与光源、调制器相同,不会存在这种问题;

5.大幅提高系统可靠性,包括器件可靠性,以及光路熔接的可
靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图;

图2是本发明实施例2的结构示意图;

图3是本发明所述保偏光纤分束器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

实施例1

参照图1和图3,本发明优选实施例1提供一种光纤电流互感器
光学结构,包括光源和MIOC调制器2,其特征在于,还包括第一保
偏光纤分束器1和第二保偏光纤分束器3,所述光源与第一保偏光纤
分束器1的下输入尾纤相连,第一保偏光纤分束器1的上输出尾纤和
下输出尾纤分别与MIOC调制器2和探测器相连,探测器连接信号处
理单元;MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和下?#31181;?#36755;出尾纤分别与与
第二保偏光纤分束器3的下输入尾纤和下输出尾纤相连接,第二保偏
光纤分束器3的上输出尾纤与保偏光纤4相连,保偏光纤4依次连接
有1/4λ波片、传感光纤5及反射镜6。

其中所述第一保偏光纤分束器1及第二保偏光纤分束器3的应力
轴均为0度对准,MIOC调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分
束器3的下输入尾纤0度熔接,下?#31181;?#36755;出尾纤与第二保偏光纤分束
器3的下输出尾纤90度熔接。

优选的,所述保偏光纤分束器的结构如图3所示,包括设置在中
间位置的两端开口的粗玻璃管9,粗玻璃管9内左右两侧分别设置有
透镜12,粗玻璃管9左右两端通过胶分别固定连接有细玻璃管10,
细玻璃管10内通过胶固定套接有玻璃毛细管11,所述玻璃毛细管11
轴向中心处设有光纤固定孔;左右两侧的光纤固定孔内分别用胶固定
有定好轴的双光纤尾纤13,其中双光纤尾纤13的应力轴对准角度可
以根据实?#26159;?#20917;选择?#25105;?#35282;度,左右两端的双光纤尾纤的定轴方式可
以相同也可以不同。

本实施例的光学结构,光源发出的光经过第一保偏光纤分束器
后,经Y?#31181;?#27874;导调制器起偏、分束后变成平行的两个线偏振光;
上?#31181;?#30340;线偏振光与保偏光纤分束器0°熔接,下?#31181;?#30340;线偏振光与保
偏光纤分束器90°熔接;两偏振光波经过第二保偏光纤分束器后,变
成一对正交模式合束;而后经过传送光纤进入到λ/4波片之后,分别
变成左旋和右旋圆偏振光;进入传感光纤中,由于法拉第效应,通电
导体产生的磁场引起光波偏振面的旋转,经反射镜反射之后,左旋变
成右旋,右旋变成左旋,并再次返回传感光纤,法拉第效应引起偏转
面旋转同向翻倍;再次经过λ/4波片,圆偏振光转换为线偏振光,同
时将法拉第效应引起的偏振旋转,转变为两正交线偏振光的固有相位
差;而后经过第二保偏分束器的分束,下?#31181;?#30340;线偏振光再次经过
90°焊点导致偏振面的变换为相同方向偏振光;再次经过MIOC调制
器的起偏作用,变成两束带有相移信息的线偏振光在Y?#31181;?#27874;导合
束处光产生干涉,由探测器进行光电转换,由信号处理后得到相移量
的大小,最终解调出对应的待测电流值。

实施例2

参照图2,本发明优选实施例2提供一种光纤电流互感器光学结
构,与实施例不同的是,本实施例的第一保偏光纤分束器1的应力轴
为0度对准,第二保偏光纤分束器8的应力轴为90度对准,MIOC
调制器的上?#31181;?#36755;出尾纤和下?#31181;?#36755;出尾纤分别与与第二保偏光纤
分束器8的下输入尾纤和下输出尾纤0度熔接。

本实施例与实施例1的?#38044;?#22312;于90度对准在保偏光纤分束器内
部进行,光纤熔接仅采用0°对准方式,提高对准精度,从而提高系统
性能,同时简化了操作工艺。

以?#32420;?#36848;的仅为本发明的优选实施例,所应理解的是,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,并不用于限
定本发明的保护范围,凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修
改、等同替换等等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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