一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统的制作方法

本发明涉及光纤传感和光电子器件，并且更具体地，涉及一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统。

背景技术：

1、随着电力系统的发展，电流互感器作为电力系统中重要的电气设备，其性能的稳定性和精确度直接影响到电力系统的安全运行及经济效益。传统的电磁式电流互感器虽然能够满足交流电流测量的基本需求，但是无法测量直流电流的变化。近年来，基于法拉第效应的全光纤电流互感器，直接测量通过光纤敏感环横截面的电流，既可以测量交流电流，也可以测量直流电流，而且其抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等优点，受到了广泛关注，已经实现了工业应用。

2、然而，现有的光纤电流互感器在测量精度和稳定性方面仍存在一定的问题。目前的光纤电流互感器使用椭圆偏振态保持光纤作为传感元件，其圆双折射与线双折射之比是决定传感光纤工作点稳定的关键因素；也就说，当圆双折射与线双折射之比不够大的时候，微小的温度或者其他环境因素的变化，都会导致工作点剧烈变化，为此，需要采取一系列措施来稳定工作点。为了增大圆双折射与线双折射之比，只能通过减小椭圆偏振态保持光纤的扭转节距实现，但是，受到光纤制作工艺的限制，扭转节距不可能太小，所以椭圆偏振态保持光纤，总会存在一定的残余线双折射。这是一个固有的、本质的限制。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统，包括：径向矢量光场光源、光环行器、光纤延迟线、光纤敏感环、反射镜和径向矢量光场探测单元；

2、所述径向矢量光场光源用于根据被测电流产生的电场，产生径向矢量光场，所述径向矢量光场经所述光环行器输入至光纤延迟线，所述光纤延迟线将所述径向矢量光场输入至所述光纤敏感环，所述径向矢量光场在所述光纤敏感环中偏振态发生旋转后，经所述反射镜反射至所述光环行器，所述光环行器将所述反射镜反射的径向矢量光场输入至所述径向矢量光场探测单元，所述径向矢量光场探测单元用于探测出反射的径向矢量光场的旋转角度，根据旋转角度，计算出被测电流值。

3、可选的，径向矢量光场光源通过非简并矢量光场光纤连接到光环行器的第一端口，所述光环行器的第二端口通过光纤延迟线连接到光纤敏感环的一端，所述光纤敏感环的另一端连接反射镜，所述光环行器的第三端口通过非简并矢量光场光纤连接到径向矢量光场探测单元；

4、所述光纤延迟线为非简并矢量光场光纤。

5、可选的，光环行器的第一端口用于接收径向矢量光场，将所述径向矢量光场经所述光环行器的第二端口输出至光纤延迟线，所述光环行器的第二端口还用于接收反射镜反射的径向矢量光场，将反射的径向矢量光场经第三端口传输至径向矢量光场探测单元。

6、可选的，径向矢量光场光源，包括：光纤激光器，模式转换器与偏振控制器；

7、所述光纤激光器用于产生基模的激光振荡，所述光纤激光器的输出端连接所述模式转换器，所述模式转换器用于对所述基模的激光偏振进行模式转换，通过偏振控制器选出激光的特定模式后，得到所述径向矢量光场。

8、可选的，光纤激光器为一个光纤环形腔结构或线型腔结构的激光器。

9、可选的，模式转换器通过两根三模光纤拉锥靠近并熔融制成。

10、可选的，非简并矢量光场光纤的各个矢量模式具有大的传输常数差。

11、可选的，非简并矢量光场光纤的tm01模式、te01模式和he21模式不会发生简并。

12、可选的，径向矢量光场的探测单元，包括：扩束透镜，检偏器和ccd摄像头；

13、所述扩束透镜使反射的径向矢量光场的光斑变大，通过旋转检偏器，并使用ccd摄像头对所述径向矢量光场在、不同旋转角度下的光斑拍摄图像；

14、所述ccd拍摄的图像经数据处理后，用于计算所述径向矢量光场的旋转角度。

15、可选的，扩束透镜是一个自聚焦透镜。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、本发明提供了一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统，包括：径向矢量光场光源、光环行器、光纤延迟线、光纤敏感环、反射镜和径向矢量光场探测单元；所述径向矢量光场光源用于根据被测电流产生的电场，产生径向矢量光场，所述径向矢量光场经所述光环行器输入至光纤延迟线，所述光纤延迟线将所述径向矢量光场输入至所述光纤敏感环，所述径向矢量光场在所述光纤敏感环中偏振态发生旋转后，经所述反射镜反射至所述光环行器，所述光环行器将所述反射镜反射的径向矢量光场输入至所述径向矢量光场探测单元，所述径向矢量光场探测单元用于探测出反射的径向矢量光场的旋转角度，根据所述旋转角度，计算出被测电流值。本发明通过以径向矢量光场光纤作为光纤电流传感器的传感元件，从而避开了椭圆偏振态保持光纤在制作过程中由于扭转节距不能太小而导致的残余线双折射问题，从源头上解决了工作点稳定问题。

技术特征：

1.一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统，其特征在于，包括：径向矢量光场光源、光环行器、光纤延迟线、光纤敏感环、反射镜和径向矢量光场探测单元；

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述径向矢量光场光源通过非简并矢量光场光纤连接到光环行器的第一端口，所述光环行器的第二端口通过光纤延迟线连接到光纤敏感环的一端，所述光纤敏感环的另一端连接反射镜，所述光环行器的第三端口通过非简并矢量光场光纤连接到径向矢量光场探测单元；

3.根据权利要求2所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述光环行器的第一端口用于接收径向矢量光场，将所述径向矢量光场经所述光环行器的第二端口输出至光纤延迟线，所述光环行器的第二端口还用于接收反射镜反射的径向矢量光场，将反射的径向矢量光场经第三端口传输至径向矢量光场探测单元。

4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述径向矢量光场光源，包括：光纤激光器，模式转换器与偏振控制器；

5.根据权利要求4所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述光纤激光器为一个光纤环形腔结构或线型腔结构的激光器。

6.根据权利要求4所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述模式转换器通过两根三模光纤拉锥靠近并熔融制成。

7.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述非简并矢量光场光纤的各个矢量模式具有大的传输常数差。

8.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述非简并矢量光场光纤的tm01模式、te01模式和he21模式不会发生简并。

9.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述径向矢量光场的探测单元，包括：扩束透镜，检偏器和ccd摄像头；

10.根据权利要求9所述的全光纤电流互感器系统，其特征在于，所述扩束透镜是一个自聚焦透镜。

技术总结本发明公开了一种基于径向矢量光场光纤的全光纤电流互感器系统，属于光纤传感和光电子器件技术领域。本发明系统，包括：径向矢量光场光源、光环行器、光纤延迟线、光纤敏感环、反射镜和径向矢量光场探测单元；所述径向矢量光场光源用于根据被测电流产生的电场，产生径向矢量光场，经光环行器、光纤延迟线和光纤敏感环后，经反射镜反射，所述径向矢量光场探测单元用于探测出反射的径向矢量光场的旋转角度，根据所述旋转角度，计算出被测电流值。本发明通过以径向矢量光场光纤作为光纤电流传感器的传感元件，从而避开了椭圆偏振态保持光纤在制作过程中由于扭转节距不能太小而导致的残余线双折射问题，从源头上解决了工作点稳定问题。技术研发人员：周峰,殷小东,黄俊昌,徐玲铃,张民,陈争光,郭贤珊,胡浩亮,岳长喜,刁赢龙,陈昱卓,李建光,周玮,李嘉鑫,江宇舟,徐子立,潘瑞,聂琪,李小飞,曾非同,王翰,熊前柱,刘京,杨春燕,赵磊受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4