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专利名称：一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202111346247.5

专利申请（专利权）人：西安交通大学,国家电网有限公司,合肥工业大学,国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
权利人地址：陕西省西安市咸宁西路28号

专利发明（设计）人：文韬,李佳讯,陈维江,张乔根,边凯,靳铭凯,董冰冰,赵毅,张广金,傅中,吴正阳

专利摘要：本公开揭示了一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器，包括：第一保偏光纤，所述第一保偏光纤的输出端连接第一光纤准直器，所述第一光纤准直器的输出端通过第一偏振片连接磁光晶体，所述磁光晶体的输出端通过第二偏振片连接直角反射棱镜，所述直角反射棱镜的输出端连接石英镀膜干涉腔，所述石英镀膜干涉腔的输出端连接第二光纤准直器，所述第二光纤准直器的输出端连接第二保偏光纤。

主权利要求：
1.一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器，包括：
第一保偏光纤，所述第一保偏光纤的输出端连接第一光纤准直器，所述第一光纤准直器的输出端通过第一偏振片连接磁光晶体，所述磁光晶体的输出端通过第二偏振片连接直角反射棱镜，所述直角反射棱镜的输出端连接石英镀膜干涉腔，所述石英镀膜干涉腔的输出端连接第二光纤准直器，所述第二光纤准直器的输出端连接第二保偏光纤；
由第一保偏光纤入射的激光经第一光纤准直器准直后经第一偏振片透射形成第一线偏振光，所述第一线偏振光在磁光晶体内由法拉第效应引起的偏振方向旋转角正比于磁场平行于光传输方向的分量；
所述第一线偏振光经所述磁光晶体旋转偏振方向后经所述第二偏振片透射形成第二线偏振光，所述第二线偏振光经所述直角反射棱镜反射后进入所述石英镀膜干涉腔发生干涉形成透射光；
当所述透射光光强随环境温度变化发生漂移时，所述石英镀膜干涉腔通过对所述透射光光强进行修正实现温度补偿；
对所述透射光光强进行修正由以下函数实现：
；
其中， 为参考光信号强度， 为透射光强度， 为反射膜对光的振幅反射率， 为干涉腔长度， 为光的波长， 为石英的热光系数， 为石英的线膨胀系数， 为温度的变化量， 为初始温度下干涉腔光程所决定的初始相位。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁光晶体为TGG晶体。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一偏振片和第二偏振片的透振方向夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器还包括光纤激光器和光电探测器，所述光纤激光器连接所述第一保偏光纤的输入端，所述光电探测器连接所述第二保偏光纤的输出端。
5.根据权利要求1?4任一所述的传感器，其中，所述传感器通过硅胶进行封装。 说明书 : 一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器技术领域[0001] 本公开属于磁场测量技术领域，具体涉及一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器。背景技术[0002] 磁场(或电流)传感器是用于电力设备状态检测的重要传感设备，在电力设备在线监测以及电力设备相关实验测量中被广泛运用。目前，对磁场(或电流)进行测量主要是采用线圈式传感器，但该类设备存在以下缺点：1.测量线圈为导体，在测量高压电力设备磁场(或电流)时，需要采取严格的绝缘措施，造成测量设备体积大，重量大，安装位置受限，使用灵活性差；2.当测量对象存在强交变磁场时，必须考虑线圈内部感应电流引起的发热，特别是对于油浸式互感器，过热可能引起严重事故；3.由于测量原理限制，线圈式传感器只能测量交流磁。杂诳赡艽嬖诘闹绷鞔懦∥薹ń杏行Р饬浚4.线圈式传感器测量信号在传输过程中易受复杂电磁环境干扰，产生测量误差。[0003] 因此，提出一种具备良好绝缘性能，体积小巧，无发热效应，可同时测量交、直流磁场且抗电磁干扰的光学磁场传感器显得十分必要。发明内容[0004] 针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器，该传感器不需要额外安装温度传感器即可实现温度补偿，从而确保传感器在复杂环境下的测量精度。[0005] 为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：[0006] 一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器，包括：[0007] 第一保偏光纤，所述第一保偏光纤的输出端连接第一光纤准直器，所述第一光纤准直器的输出端通过第一偏振片连接磁光晶体，所述磁光晶体的输出端通过第二偏振片连接直角反射棱镜，所述直角反射棱镜的输出端连接石英镀膜干涉腔，所述石英镀膜干涉腔的输出端连接第二光纤准直器，所述第二光纤准直器的输出端连接第二保偏光纤。[0008] 优选的，由第一保偏光纤入射的激光经第一光纤准直器准直后经第一偏振片透射形成第一线偏振光，所述第一线偏振光在磁光晶体内由法拉第效应引起的偏振方向旋转角正比于磁场平行于光传输方向的分量。[0009] 优选的，所述第一线偏振光经所述磁光晶体旋转偏振方向后经所述第二偏振片透射形成第二线偏振光，所述第二线偏振光经所述直角反射棱镜反射后进入所述石英镀膜干涉腔发生干涉形成透射光。[0010] 优选的，当所述透射光光强随环境温度变化发生漂移时，所述石英镀膜干涉腔通过对所述透射光光强进行修正实现温度补偿。[0011] 优选的，对所述透射光光强进行修正由以下函数实现：[0012][0013] 其中，I0为参考光信号强度，I2为透射光强度，r为反射膜对光的振幅反射率，L为干涉腔长度，λ为光的波长， 为石英的热光系数， 为石英的线膨胀系数，ΔT为温度的变化量， 为初始温度下干涉腔光程所决定的初始相位。[0014] 优选的，所述磁光晶体为TGG晶体。[0015] 优选的，所述第一偏振片和第二偏振片的透振方向夹角为45°。[0016] 优选的，所述传感器还包括光纤激光器和光电探测器，所述光纤激光器连接所述第一保偏光纤的输入端，所述光电探测器连接所述第二保偏光纤的输出端。[0017] 优选的，所述传感器通过硅胶进行封装。[0018] 与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：[0019] 本公开无需安装额外的温度传感器，也无需查阅光强?温度对照表即可确定传感器所在环境的温度，既节约了成本，又省时省力。附图说明[0020] 图1是本公开一个实施例提供的光纤磁场传感器的结构示意图；[0021] 图2是本公开另一个实施例提供的光强与温度变换的关系示意图；[0022] 附图中的标记说明如下：[0023] 1、第一保偏光纤；2、第一光纤准直器；3、第一偏振片；4、磁光晶体；5、第二偏振片；6、直角反射棱镜；7、石英镀膜干涉腔；8、第二光纤准直器；9、第二保偏光纤。具体实施方式[0024] 下面将参照附图1至图2详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。[0025] 需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。[0026] 为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。[0027] 一个实施例中，本公开提供一种基于法拉第效应的反射式光纤磁场传感器，包括：[0028] 第一保偏光纤1，所述第一保偏光纤1的输出端连接第一光纤准直器2，所述第一光纤准直器2的输出端通过第一偏振片3连接磁光晶体4，所述磁光晶体4的输出端通过第二偏振片5连接直角反射棱镜6，所述直角反射棱镜6的输出端连接石英镀膜干涉腔7，所述石英镀膜干涉腔7的输出端连接第二光纤准直器8，所述第二光纤准直器8的输出端连接第二保偏光纤9。[0029] 本实施例中，激光由护套外径为1mm的第一保偏光纤入射，通过直径2.5mm，长度10mm的第一光纤准直器准直后经尺寸为2.8mm*2.8mm*0.2mm的第一偏振片透射形成第一线偏振光，且所述第一线偏振光在尺寸为3mm*3mm*3mm的磁光晶体内由法拉第效应引起的偏振方向旋转角正比于磁场平行于光传输方向的分量。所述第一线偏振光经所述磁光晶体旋转偏振方向后经尺寸为2.8mm*2.8mm*0.2mm的第二偏振片透射形成第二线偏振光，所述第二线偏振光经斜面尺寸为6mm*3mm的直角反射棱镜反射后进入尺寸为2.5mm*2.5mm*0.3mm的石英镀膜干涉腔后，部分偏振光光直接透过反射膜离开干涉腔，其余部分偏振光在干涉腔的反射膜间往复反射后再透射离开干涉腔，在此往复反射过程中积累了一定相位差。光的反射次数不同，所积累的相位差也不同，具有不同相位差的偏振光发生干涉形成透射光。当温度变化引起干涉腔光程变化时，偏振光的相位差也发生变化，从而使得透射光光强发生漂移。[0030] 另一个实施例中，对所述透射光光强进行修正由以下函数实现：[0031][0032] 其中，I0为参考光信号强度，I2为透射光强度，r为反射膜对光的振幅反射率，L为干涉腔长度，λ为光的波长， 为石英的热光系数， 为石英的线膨胀系数，ΔT为温度的变化量， 为初始温度下干涉腔光程所决定的初始相位。[0033] 本实施例中，当透射光光强随温度变化发生漂移时，石英镀膜干涉腔可对其光强进行修正，从而减小透射光光强受温度变化的影响，实现传感器的温度补偿，进而确：笮酝干涔夤馇康牟饬烤。[0034] 由于石英镀膜干涉腔可通过对透射光光强进行修正以实现温度补偿的效果，因此不需要额外配置温度传感器，从而使得本公开不需要同时封装两个传感器，从而在低成本实现温度补偿的同时又减小了磁场探头的体积，使得本传感器能够安装于任何尺寸大于5mm×8mm的狭窄缝隙中。[0035] 在一个具体实施例中，当L＝1.5mm，r＝0.4， 时，透射光强与温度的关系如图2所示。[0036] 另一个实施例中，所述传感器还包括光纤激光器和光电探测器，所述光纤激光器连接所述第一保偏光纤的输入端，所述光电探测器连接所述第二保偏光纤的输出端。[0037] 另一个实施例中，所述传感器通过硅胶进行封装。[0038] 本实施例中，硅胶封装极大地提高了磁场探头的结构强度，解决了光学探头脆弱易损的问题；硅胶在固化后无明显体积收缩，内应力极。杞悍庾安灰鸫懦√酵沸阅苌系牧踊。[0039] 尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

专利地区：陕西

专利申请日期：2021-11-12

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114384450B