专利名称：双光路光学电流传感头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双光路光学电流传感头，可用于光学电流互感器。
背景技术：
利用法拉第磁光效应原理制成的光学电流互感器(OCT)比传统的电磁感应式电流互感器(CT)有许多优点。它的测量频带宽，能正确反映电力系统故障时的一次电流变化状况，绝缘相对简单、抗电磁干扰能力强，是传统CT的替代产品。目前光学电流互感器有两种，一种为传光型即有源式光学电流互感器，另一种为传感型即无源式光学电流互感器，前者用传统的CT取信号，后者用光学材料如火石玻璃等取信号。无源式光学电流互感器大多采用块状火石玻璃做传感头且是单光路的结构，这种结构虽然可获取信号，但信噪比较低，易受干扰。电力系统中导线电流是变化的，互感器除需测量额定电流外；还要测量额定电流的1％及5％，要求满足一定的准确度。如果传感头为单光路结构，测量的灵敏度和信噪比难以满足小量程额定电流情况下的测量要求。
发明内容
本实用新型针对现有单光路传感头在的缺陷，提供了一种双光路光学电流传感器。该传感头可提高测量信噪比及系统抗干扰水平。
本发明提供的一种双光路光学电流传感器，发光二级管发出的光经准直自聚焦透镜变成平行光，平行光经起偏器变成线偏振光，线偏振光入射至敏感元，光在敏感元中围绕中心孔中的被测导体传播一周后射出，使入射的线性偏振光束的偏振面在被测电流的作用下发生偏转；射出的被调制光输出至检偏器，检偏器的透射光输出至第一耦合自聚焦透镜，第一耦合自聚焦透镜将光束聚焦后耦合后由光纤传输至第一光电探测器，其特征在于该传感头还设有第二耦合自聚焦透镜，用于接收检偏器的反射光，第二耦合自聚焦透镜将光束聚焦后耦合后由光纤传输至第二光电探测器。
本实用新型与单光路光学电流传感头的不同之点是单光路的光学电流传感头是将被调制光束经检偏器后只取其中一路光束(一般是透射光束)，另一光束没有利用。而本实用新型利用了被调制后由检偏器分出的反射光和透射光。两路光束各经自聚焦透镜输出至光电探测器变成电信号。这两个电信号幅值相同，相位相差180°，这样通过数据处理，将两信号相减，可得到两倍于单光路的输出信号。具体而言，本实用新型有以下技术效果1、提高了灵敏度和信噪比，对同一被测信号，调制后其输出信号加倍。
2、提高了抗共模干扰能力，当干扰对两光路信号大小、方向一致时，在双光路的被调制的两束光变成电信号后，数据处理时是相减的。这样，可将干扰信号减去，而有用信号是加倍的。
图1为双光路光学电流传感头结构示意图。
图2为光学补偿法的敏感元示意图。
图3为几何补偿法的示意图。
图4为几何补偿法的敏感元示意图。
图5为是采用整块材料制成的敏感元示意图。
图6为数据处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括敏感元1、准直自聚焦透镜2、起偏器4、检偏器5、二个耦合自聚焦透镜6、6’。本实用新型可增设二个90°转角棱镜3、3’，改变光的传播路径，使传感头结构更为紧凑。
敏感元1用于使入射的线性偏振光束的偏振面在被测电流的作用下发生偏转。敏感元的材料采用块状光学玻璃(例如火石玻璃)，在敏感元的中心有一个中心孔，该孔与敏感元的上、下表面垂直，孔的大小应使得被测导体可以穿过，入射光在敏感元中进行多次全反射，光在敏感元中围绕中心孔中的被测导体传播一周后射出。这种结构的敏感元在现有技术中已有报道，其实现方式有多种，下面列举二种方式加以具体说明。
为了入射光在敏感元中全反射后的偏振态保持不变，在设计敏感元时需消除全反射引入的相差，一般有两种方法光学补偿法和几何补偿法。光学补偿法的典型实现方法之一是在各个反射面上镀膜，使得其在反射面上的反射不是全反射而是临界反射状态，以使反射光的线偏振态维持不变。如图2所示，取一正方形火石玻璃材料，中心钻孔，使导体可以从中穿过，将其中四个角的任意三个切去，使得切面与边长成45度夹角，然后在三个切面上镀膜。几何补偿法的原理是让光经过两次全反射，前后两次全反射的入射面相互垂直，经过这样的两次全反射后的光的两个分量之间不会产生相位差。如图3所示，两根长方形的光学玻璃六面体，分别切出一个与底面成45度角的斜面作为反射面，将这两根六面体正交叠置并用光学胶粘牢。线偏振光沿轴线入射，到达第一个反射面后全反射光折过90度后垂直向上，再到达第二个反射面，经过第二次全反射后沿轴线方向出射，两次全反射的入射面垂直。图4是采用几何补偿法的敏感元示意图，由4个光学玻璃平行六面体组成，其中两个的两侧端面都是与边缘方向成45度的平面；另外两个在一端有90度的端面，在另一端有45度的斜面。后两个组成光传输的始端和终端，两个90度端面分别是入射面和出射面。这四个部分如图4所示，粘结成一个整体。该敏感元也可以采用整块光学玻璃材料制成。如图5所示，光在该敏感元中分上下两层路径传播，下层为I、III臂，下层为II、IV臂。在a，b，c角处，光均分别经历了上下两次入射都为45度的全反射。
准直自聚焦透镜2用于将进入的光束转变成平行光。第一90°转角棱镜3改变光束的传播路径，使传感头的结构变得更加紧凑。起偏器的作用是将入射进敏感元的光转变成线性偏振光。检偏器用于将从敏感元出射的线性偏振光的偏振面的变化变换成光束光强的变化，并分成反射光和透射光二路输出。耦合自聚焦透镜是将光束聚焦后耦合进入光纤并传输至光电探测器。光电探测器的作用是将光信号转换成电信号，以便进行数据处理。
当发光二级管7发出的光束进入准直自聚焦透镜2变成平行光，经第一90°转角棱镜3，再进入起偏器4，变成线偏振光，进入传感元1后，被被测载流导体8上的电流调制后，输出至检偏器5，经检偏器5后，被调制后的光束分成两路光束，其中一路透射光经第二90°转角棱镜3’进入第一耦合自聚焦透镜6，经光纤传至第二光电探测器10将光信号转换成电信号后进行数据处理。另一路反射光进入第二耦合自聚焦透镜6’，经光纤至数据处理中第一光电探测器9。
根据法拉第磁光效应，被测电流的磁场与光作用使被调制的线偏振光旋转一个θ角。
θ=V∫LH→·dl→...(1)]]>V-火石玻璃传感元1的Verdet常数H-被测电流i所激励的磁场强度L-光束在传感元1中通过的路径根据安培环路定律θ=V∫LH→·dl→=Vi...(2)]]>式中v为敏感元的Verdet常数，θ角与被测电流成正比。又根据马吕斯定律，旋转角θ经检偏器检偏后的透射、反射输出光强分别为 I0为经过检偏器前恒定初始光强I1为透射光路经检偏器5后的输出光强I2为反射光路经检偏器5后的输出光强I1、I2两光路信号经光纤至数据处理单元的光电探测器PIN110、PIN29，用数据处理单元对电信号进行处理，交直流分离后可得IAC1=-I02sin2θ,IDC1=I02...(4)]]>i1′=IAC1IDC1-sin2θ...(5)]]>IAC2=-I02sinθ,IDC2=I02...(6)]]>i2′=IAC2IDC2sin2θ...(7)]]>i2、i1经减法器16后输出则得到i′＝i2′-i1′＝2sin2θ(8)在θ很小时，i′＝i′2-i′1＝4θ(9)其中，IAC1、IDC1是透射光路交直流分离后得到的交流量和直流量，IAC2、IDC2是反射光路交直流分离后得到的交流量和直流量。这样便可以求得θ，再通过与标准电流的比对和标定得到θ与被测电流之间的比例系数的大�。佣玫奖徊獾缌鱥的大小。由此可看出若只用单光路只能得到正比于2θ的电流大小。数据处理流程参见图6。
权利要求1.一种双光路光学电流传感头，发光二级管发出的光经准直自聚焦透镜(2)变成平行光，平行光经过起偏器(4)变成线偏振光，线偏振光入射至敏感元(1)，光在敏感元(1)中围绕中心孔中的被测导体传播一周后射出，使入射的线性偏振光束的偏振面在被测电流的作用下发生偏转；射出的被调制光输出至检偏器(5)，检偏器(5)的透射光输出至耦合自聚焦透镜(6)，第一耦合自聚焦透镜(6)将光束聚焦后耦合后由光纤传输至第一光电探测器(10)，其特征在于该传感头还设有第二耦合自聚焦透镜(6’)，用于接收检偏器(5)的反射光，第二耦合自聚焦透镜(6’)将光束聚焦后耦合后由光纤传输至第二光电探测器(9)。
2.根据权利要求1所述的传感头，其特征在于准直透镜(2)与起偏器(4)之间设置有第一90°转角棱镜(3)，改变光的传播路径。
3.根据权利要求1或2所述的传感头，其特征在于在检偏器(5)与第一耦合自聚焦透镜(6)之间设置有第二90°转角棱镜(3’)，改变光的传播路径。
专利摘要本实用新型公开的一种双光路光学电流传感头。发光二级管发出的光经准直自聚焦透镜变成平行光，平行光经起偏器变成线偏振光，线偏振光入射至敏感元，光在敏感元中围绕中心孔中的被测导体传播一周后射出，使入射的线性偏振光束的偏振面在被测电流的作用下发生偏转；射出的被调制光输出至检偏器，检偏器的反射光和透射光输出至二个耦合自聚焦透镜，耦合自聚焦透镜将光束聚焦后耦合由光纤传输至光电探测器。本实用新型利用了被调制后由检偏器分出的反射光和透射光，提高了灵敏度和信噪比，对同一被测信号，调制后其干扰信号相减、有用信号加倍，提高了抗共模干扰能力。
文档编号G01R19/00GK2762147SQ200420057830
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者刘延冰, 董增平, 李红斌, 毛立新, 张明明 申请人:华中科技大学, 江苏省如高高压电器有限公司, 上海思源电气股份有限公司
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