專利名稱：一種光學(xué)電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于電流計量的光學(xué)電流傳感器。
目前國內(nèi)用于電力工業(yè)電流計量與線路故障防護的電流互感器均為傳統(tǒng)的油浸電磁式電流互感器，用于其它行業(yè)的除電磁電流互感器外還有霍爾效應(yīng)電流互感器。而普遍用于110KV以上電力開關(guān)(變電)站的油浸電磁式電流互感器有著嚴(yán)重的缺點隱藏由爆炸引起災(zāi)難性事故的潛在危險；由于大故障電流會導(dǎo)致鐵芯磁飽和而無法記錄故障電流的實際數(shù)值及變化過程；存在鐵磁共振效應(yīng)；鐵芯大電感會導(dǎo)致相位滯后且頻響受限而無法記錄故障電流高頻分量，不利于故障分析；當(dāng)輸出端開路時會產(chǎn)生高壓危險；且體積、重量均大及價格貴?；魻栃?yīng)電流互感器則僅適用于中小電流計量，而且容易受外部電磁場的干擾。
本實用新型的目的就是解決上述兩種電流互感器自身無法克服的缺點，提供一種新型的光學(xué)電流傳感器，其優(yōu)點是無爆炸危險隱患；無磁飽和發(fā)生；幾乎無滯后效應(yīng)；由于采用光路輸出，無開路產(chǎn)生的高壓危險；不易受電磁干擾；且體積小、重量輕、價格低。
本實用新型的構(gòu)成包括光學(xué)玻璃傳感頭[1]、光學(xué)入射透鏡[2]、起偏器[3]、偏振分束棱鏡[4]、輸入光纖[5]、信號輸出光纖[6]、傳感組件殼體[7]、支撐結(jié)構(gòu)[8]、電子線路組件[9]和電子線路機箱[10]，光學(xué)玻璃傳感頭[1]的作用是，依據(jù)法拉第效應(yīng)及偏振光學(xué)理論，當(dāng)偏振光和被測電流載體通過光學(xué)玻璃傳感頭[1]，根據(jù)其內(nèi)部發(fā)生的物理過程，可推導(dǎo)出該光學(xué)電流傳感器輸出電壓Uout≈2VI，式中V是光學(xué)玻璃傳感頭[1]所采用的玻璃材料的菲爾德常數(shù)，I是被測載體電流強度，可見由于光學(xué)玻璃傳感頭[1]的物理作用，使輸出電壓信號與輸入的被測電流信號成正比例關(guān)系，該實用新型可實現(xiàn)對被測電流的測量，光學(xué)傳感頭[1]以光學(xué)玻璃為原料，加工成中心帶有圓孔并具有三個45度反射表面的正方形扁平六面體形狀，在三個反射表面鍍上單層介質(zhì)保偏反射膜，以提高溫度穩(wěn)定性及對外磁場的抗干擾能力，光學(xué)入射透鏡[2]可選用普通光學(xué)玻璃透鏡，其作用是它將由輸入光纖[5]傳入的發(fā)散光匯聚成平行光，起偏器[3]選用普通光學(xué)起偏元件，它的作用是把光學(xué)入射透鏡[2]傳來非偏振光變?yōu)榫€偏振光，送入光學(xué)玻璃傳感頭[1]中，偏振分束棱鏡[4]也是光學(xué)材料制成，其作用是把由光學(xué)玻璃傳感頭[1]射出的一束線偏振光變?yōu)閮墒駪B(tài)互相正交的光，分別傳入兩條信號輸出光纖[6]，輸入光纖[5]和信號輸出光纖[6]均采用大口徑光纖并外加防護材料護套[11]進行保護，傳感組件殼體[7]用來安裝固定光學(xué)玻璃傳感頭[1]、光學(xué)入射透鏡[2]、起偏器[3]和偏振分束棱鏡[4]，并對這些組件起保護作用，其制作的材料可選用環(huán)氧玻璃絲板，支撐結(jié)構(gòu)[8]選用環(huán)氧玻璃絲板材制作，對已裝配好的傳感組件殼體[7]起支撐固定作用，并組成一體安裝在電力行業(yè)原有電流互感器一次電流導(dǎo)體罩內(nèi)，取代舊式電流互感器，對電力行業(yè)原有電流互感器相應(yīng)配套的固定設(shè)備均可利用，電子線路組件[9]包括光源驅(qū)動電路[13]、光電探測器[14]、信號處理電路[15]、光源—光纖耦合器[16]、探測器—光纖耦合器[17]、光源[18]和通用電源[19]，光源驅(qū)動電路[13]采用了穩(wěn)流技術(shù)其作用是，保證電源電壓波動時，提供給光源[18]的驅(qū)動電流不發(fā)生改變。光電探測器[14]是由一對互相匹配的PIN組件實現(xiàn)，其作用是將信號輸出光纖[6]輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并將其輸入到信號處理電路[15]，信號處理電路[15]分別采用了直流(光強)補償與放大，正交檢測、帶通濾波技術(shù)、使其輸出的電壓信號Uout與被測電網(wǎng)電流載體[21]的電流信號I成正比關(guān)系，并將該電壓輸出信號Uout送電力網(wǎng)站總控室的電壓表[20]，實現(xiàn)電力網(wǎng)路的電流測量，光源—光纖耦合器[16]用來實現(xiàn)光源[18]與輸入光纖[5]間的光耦合，探測器—光纖耦合器[17]用來實現(xiàn)光電探測器[14]同信號輸出光纖[6]間的光耦合，光源—光纖耦合器[16]用Q9插頭[25]及插座[26]將中間鉆空制成并裝配在電子線路機箱[10]上，探測器—光纖耦合器[17]用Q9插頭[25]及插座[26]將中間鉆空制成，并將Q9插座[26]焊接于用銅板制成的探測器屏蔽盒上蓋板[22]上，上蓋板[22]中央鉆有與Q9插座[26]外徑相同直徑的圓孔，用于焊接Q9插座[26]，屏蔽盒四框[23]用長方體銅塊掏空中心制成，屏蔽盒下蓋板[24]用銅板制成其中央留有直徑3mm的過線孔，上蓋板[22]，四框[23]及下蓋板[24]間用螺絲固定并裝配于電子線路機箱[10]上，光源[18]采用了LED，電子線路機箱[10]用來裝配電子線路組件[9]，并在其面板上裝有電流表[27]，用來監(jiān)測通過光源[18]的驅(qū)動電流，電阻旋鈕[28]用來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小，電源開關(guān)[29]用來控制電子線路組件[9]供電電源的通斷，另有一個輸出電壓調(diào)整器電阻[30]用來調(diào)整滿幅輸入電流時的輸出電壓大小。當(dāng)光學(xué)電流傳感器開始工作時，通過電子線路機箱[10]上電流表[27]可以觀察到光源驅(qū)動電路[13]進入正常工作狀態(tài)，光源[18]發(fā)出的光通過光源—光纖耦合器[16]耦合入輸入光纖[5]并通過光學(xué)入射透鏡[2]轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?，該平行光又通過起偏器[3]變?yōu)榫€偏振光進入光學(xué)玻璃傳感頭[1]內(nèi)，該偏振光在被測電網(wǎng)電流載體[21]所載電流產(chǎn)生的電磁場作用下，偏振角發(fā)生偏轉(zhuǎn)(根據(jù)法拉第效應(yīng))，由光學(xué)玻璃傳感頭[1]出射的光經(jīng)偏振分束棱鏡[4]分束和檢偏后分別耦合進兩根信號輸出光纖[6]，再經(jīng)過探測器—光纖耦合器[17]進入光電探測器[14]轉(zhuǎn)換成兩個互相正交的電信號送入信號處理電路[15]，經(jīng)差除和運算并適當(dāng)放大，濾波后，輸出的電壓信號Uout與被測電流載體[21]中的電網(wǎng)電流成正比例關(guān)系，將該電壓輸出信號Uout送入電力網(wǎng)站總控室內(nèi)的電壓表[20]，就將測量值顯示出來，從而完成了光學(xué)電流傳感器的測量任務(wù)，其電流測量范圍為0～600A或0～1200A，因此該實用新型可適用于國內(nèi)各種電力工業(yè)、大型工礦企業(yè)用電的電流測量。
附

圖1光學(xué)電流傳感器的系統(tǒng)原理圖附圖2光學(xué)電流傳感器的電子線路組件的線路圖附圖3光學(xué)傳感器的傳感組件殼體[7]及支撐結(jié)構(gòu)[8]裝配示意圖附圖4光學(xué)電流傳感器的電子線路機箱[10]的裝配示意圖附圖5光源—光纖耦合器示意圖附圖6探測器—光纖耦合器示意圖該實用新型最佳實施例，當(dāng)將該光學(xué)電流傳感器安裝在110KV以上電力開關(guān)(變電)站內(nèi)時，其處于工作狀態(tài)時，如附圖1所示，被測電網(wǎng)電流載體[21]穿過光學(xué)玻璃傳感頭[1]中心孔，電流產(chǎn)生電磁場，同時由光源[18]發(fā)出的光經(jīng)光源—光纖耦合器[16]耦合進入輸入光纖[5]經(jīng)光學(xué)入射透鏡[2]和起偏器[3]進入光學(xué)玻璃傳感頭[1]中，該線偏振光在電流產(chǎn)生的磁場的作用下，其偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)(依據(jù)法拉第效應(yīng))，自光學(xué)玻璃傳感頭[1]出射的光經(jīng)偏振分束棱鏡[4]分束和檢偏后分別耦合進兩根信號輸出光纖[6]，再分別經(jīng)過探測器—光纖耦合器[17]進入光電探測器[14]，轉(zhuǎn)換成兩個互相正交的電信號送入信號處理電路[15]進行信號差除和運算、放大、濾波處理后，輸出的電壓信號Uout與被測電網(wǎng)電流信號成正比例，實現(xiàn)電網(wǎng)電流的測量。由于該實用新型中不必采用絕緣油絕緣，因此本實用新型用在110KV以上的電網(wǎng)計量中無爆炸危險，由于不需要鐵芯，故無磁飽和問題，由光速傳播幾乎無滯后效應(yīng)，由于采用光纖實現(xiàn)光路輸出，無開路的高壓危險，安全性能好。光學(xué)玻璃傳感頭[1]采用ZF-7光學(xué)玻璃材料，用長寬為90mm，厚度為10mm光學(xué)玻璃材料加工成中心園孔直徑Φ70mm，具有三個45度反射面的正方形扁平六面體形狀，在三個45度反射表面上鍍的單層介質(zhì)保偏反射膜采用氟化鈣單層真空鍍膜工藝制作，然后加工完的光學(xué)玻璃傳感頭[1]用環(huán)氧103膠粘在傳感器組件殼體[7]內(nèi)，傳感組件殼體[7]用M8螺絲固定在支撐結(jié)構(gòu)[8]上，支撐結(jié)構(gòu)[8]采用環(huán)氧玻璃絲板材料制成。一根輸入光纖[5]和兩根信號輸出光纖[6]采用400μm芯徑的大口徑光纖。一根輸入光纖[5]光的出射端和兩根信號輸出光纖[6]的光的入射端用環(huán)氧103膠分別粘在三個帶孔的環(huán)氧樹脂塊[31]上，并將樹脂塊[31]用緊固螺絲牢固的固定在傳感組件殼體[7]內(nèi)，三根光纖外面套有塑料材質(zhì)的護套[11]進行保護，防止損壞。三根光纖的另一端分別與相應(yīng)安裝在電子線路機箱[10]上的光源—光纖耦合器[16]及探測器—光纖耦合器[17]連接，光纖與二耦合器間有熱塑管[12]保護，光源[18]采用LED(發(fā)光二極管)，LED用環(huán)氧103膠粘牢在光源—光纖耦合器[16]中的Q9插座[26]上，保證實現(xiàn)其相互間光的耦合，光電探測器[14]選用OPT101，OPT101各腳及接線用一層絕緣綢布與屏蔽盒下蓋板[24]絕緣，下蓋板[24]上事先留出的過線孔供導(dǎo)線通過與信號處理電路[15]連線，兩根信號輸出光纖[6]的出射光端同樣用環(huán)氧103膠灌封在探測器—光纖耦合器[17]的Q9插頭[25]上，保證實現(xiàn)信號輸出光纖[6]與光電探測器[14]間的光耦合并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，光學(xué)入射透鏡[2]選用直徑10mm，焦距6mm的光學(xué)透鏡，起偏器[3]選用普通光學(xué)偏振片，偏振分束棱鏡[4]選用格蘭—泰勒棱鏡。光源驅(qū)動電路[13]采用集成運放OP07[32]做電壓比較器，將恒流管3DG12[33]發(fā)射集電阻上電壓與集成穩(wěn)壓電路7809[34]輸出電壓比較后，用比較器輸出電壓控制恒流管3DG12[33]的基極電流，實現(xiàn)穩(wěn)定光源驅(qū)動電流的目的，信號處理電路[15]采用儀表運算放大器INA106[35]做模擬減法器及模擬加法器，用DIV100模擬除法器[36]實現(xiàn)差除和運算，并放大，由此實現(xiàn)光強補償，用OP07及電阻電容構(gòu)成50Hz帶通濾波電路[37]，實現(xiàn)帶通濾波，隨后將信號電壓輸出。通用電源[19]采用4N1C-K一體化集成穩(wěn)壓電源。
該光學(xué)電流傳感器具有工藝簡單，加工成本低，其重量僅為原有油浸電磁式互感器的1/4，使用安全等特點，可以廣泛應(yīng)用于國內(nèi)電力工業(yè)及大型工礦企業(yè)，特別是高壓電網(wǎng)的用電測量上。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)電流傳感器，其特征在于它包括光學(xué)玻璃傳感頭[1]、光學(xué)入射透鏡[2]、起偏器[3]、偏振分束棱鏡[4]、輸入光纖[5]、信號輸出光纖[6]、傳感組件殼體[7]、支撐結(jié)構(gòu)[8]、電子線路組件[9]和電子線路機箱[10]；其中電子線路組件[9]包括光源驅(qū)動電路[13]、光電探測器[14]、信號處理電路[15]、光源—光纖耦合器[16]、探測器—光纖耦合器[17]、光源[18]和通用電源[19]；而光學(xué)玻璃傳感頭[1]、光學(xué)入射透鏡[2]、起偏器[3]和偏振分束棱鏡[4]組裝在傳感頭組件殼體[7]內(nèi)并與支撐結(jié)構(gòu)[8]相連接，輸入光纖[5]光的入射端通過光源—光纖耦合器[16]與光源[18]耦合相連，實現(xiàn)光耦合，其出射光端固定在傳感組件殼體[7]上，信號輸出光纖[6]光的出射端通過探測器—光纖耦合器[17]與光電探測器[14]相連實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，而其入射光端固定在傳感組件殼體[7]上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)電流傳感器，其特征在于其光學(xué)玻璃傳感頭[1]加工成中心帶有圓孔具有三個45度反射面的正方形扁平六面體形狀，并在三個反射表面上鍍有單層介質(zhì)保偏反射膜。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)電流傳感器，其特征在于其光源—光纖耦合器[16]采用Q9插頭[25]及Q9插座[26]經(jīng)中心鉆孔制成，Q9插座[26]與光源[18]間用環(huán)氧103膠粘牢，Q9插頭[25]與輸入光纖[5]的入射端間除用環(huán)氧103膠粘牢外，還用熱塑管[12]保護。
4.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)電流傳感器，其特征在于其探測器—光纖耦合器[17]系由Q9插頭[25]、Q9插座[26]、上蓋板[22]、框[23]、下蓋板[24]制成，Q9插頭[25]中央鉆孔供粘接光纖之用，信號輸出光纖[6]與Q9插頭[25]間除用環(huán)氧103膠粘牢外，還用熱塑管[12]保護，上蓋板[22]中心鉆有與Q9插座[26]相同直徑的圓孔供與Q9插座[26]焊接之用，上述Q9插座[26]四框[23]、上蓋板[22]、下蓋板[24]之間用螺絲固定并裝配于電子線路機箱[10]上。
專利摘要一種光學(xué)電流傳感器,包括光學(xué)玻璃傳感頭、光學(xué)入射透鏡、起偏器、偏振分束棱鏡、輸入光纖、信號輸出光纖、傳感組件殼體、支撐結(jié)構(gòu)、電子線路組件和電子線路機箱;其用于對高壓電網(wǎng)電流測量時,具有無爆炸危險,無磁飽和滯后效應(yīng);由于是光路輸出,無開路的高壓危險和不易受電磁干擾,且體積小、重量輕、價格成本低和安全可靠的優(yōu)點,廣泛適用于電力工業(yè)及大型工礦企業(yè)電網(wǎng)電流的測量。
文檔編號G01R15/24GK2403033SQ9925469
公開日2000年10月25日 申請日期1999年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月2日
發(fā)明者王政平, 康崇, 黃宗軍, 孫偉民, 阮順齡, 梁藝軍 申請人:哈爾濱工程大學(xué)