新一代全光纤电流传感器(互感器)

FOCT的发展史和现状
5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
5.2 摘自2012年电子互感器检测结果报告-北京通报会 on page 38 of 48 total.
实际上，问题主要出在光纤环上，这和西方国家20年前做的结果是一样的。
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é0 ù E+ = ê ú = E y ë1û
二个正交线偏振态
é1ù E- = ê ú = E x ë0 û
x (z) ® x (M)
二个正交椭圆偏振态
E+ =
x ( z) ® ¥
1 é1ù ê ú = EL 2 ë- i û
E- =
1 é1ù ê ú = ER 2 ëi û
二个正交园偏振态
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
５．５ 均匀螺旋结构高双折射光纤（实际就是保椭圆光纤）
Pitch （2 to 10mm之间）
COMCORE
由于本地的线双折射和合成的（椭圆）双折射都很高，外界的影响， 不论是微观的扰动（如微弯），还是宏观的扰动（如外应力和缠绕）， 所引起的双折射都将被高的、内在的双折射所抑制。这就使得这种光 纤在架设和缠绕时，不必加以严格的限制。
http://kjfw.cec.org.cn/jiandingtongbao/jiandingtongbao/2014-01-26/116227.html
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
5.4 A 摘自中国科技大学钱景仁教授论文
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.2A 摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利
物理理论模型
线偏振态从慢轴输入时， 产生右旋椭圆偏振光
分 布 式 变 换
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
数据采集单元
反射镜
IVG-CTO Viatcheslav G. Izraelian MU
Df
F
传感光纤环（保园偏振光纤）
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3. 二种不同光纤 的保线偏振光特性比较
SLD光源
用安捷伦偏振态分析仪
PM光纤熔接机
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.2A 摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利
物理理论模型
b ± ( z) = bx + by
2 Db 2 ± x ( z) + 4
2
x (z) ® 0
1 é ê 2 ê ì Db Db 2 ü ) ý ± 1+ ( ê 1+ í 2 ( z ) 2 ( z ) x x ê þ î E± = ê Db Db 2 ê ) ± 1+ ( 2 ( ) 2 ( ) z z x x ê ê- i 2 ì Db ê Db 2 ü 1+ í ) ý ± 1+ ( ê 2 ( z ) 2 ( z ) x x ê þ î ë ù ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú û
y x y y
[ ] E ( z + Dz ) = [- E ( z ) sin(DW) + E ( z ) cos(DW)]exp(- b Dz )
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.2A 摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利 理论模型
新一代电流传感光纤特点
1. 0 新一代FOCT传感光纤的结构特征（用于反射式结构） （已获多项实用和发明专利）
递增螺旋结构双折射段 均匀螺旋结构双折射段
螺旋速率
光纤长度坐标 （meter）
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
５．６ 均匀螺旋结构高双折射光纤生产工艺
高 速 旋 转
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
5.4 C 摘自英国南安普顿大学D.N.Payne教授论文
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
50 Turns /s Spin
５．１ 低双折射单模光纤（Ｓｐｕｎ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＳＭ Ｆｉｂｅｒ）
2011年以前，我们国内做FOCT的厂家几乎都用这类光纤
Preform
Helix Frozen into Fiber within MeltZone
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.2A 摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利
物理理论模型
y (z) y (z+Δz) Ein
x (z+Δz) ΔΩ x (z)
变螺旋光纤的模型坐标系
E x ( z + Dz ) = E x ( z ) cos(DW) + E y ( z ) sin(DW) exp(- b x Dz )
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
5.3 国内仍有研究单位使用（低双折射）单模光纤
（摘自某单位2014年1月23日召开的互感器鉴定会报告）
产品结构合理，技术先进，具有自主知识产权。采用了全光纤互感器的闭 环反馈控制策略，提出了光纤传感三闭环控制方法，降低了温度、振动、 光源功率不稳定等因素对电流互感器测量准确度的影响；发明了由两种不 同温度系数的高双折射光纤熔接而成的温度不敏感的光学1/4波片，可在 全温范围内有效降低温度对延迟相位的影响；采用了圆偏振光稳定技术， 在光纤周围敷设导热弹性缓冲层，有效减小线性双折射。产品具有测量 准确度高，测量精度稳定性好等优点。
无固有定向内应 力， Fi趋向于无 穷小。 Fe是一个随机有 限量
Fe/Fi to Zero
Fe/Fi to Infinite
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3.二种不同光纤的保线偏振光特性比较
3.2保偏能力的比喻模型
玻璃球代表一个线偏振态
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4.2-B 摘自美国国家标准与技术研究院光电子部科学家Allen Rose的论文（现任Alstom FOCT CTO）
本论文主要希望通过一段4-5cm的递增spun光纤来实现四分之一波片功能.
实际螺距是10mm左右
3.3 康阔均匀spun双折射光纤的纵向图像 （螺旋结构双折射光纤）
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5.4 E A White Paper from Fibercore, Contributed by Dr Chris Emslie
本文主要总结了过去使用Lo-Bi单模光纤的失败经历，认为使 用螺旋结构 Hi-Bi光纤是实用FOCT成功的秘诀。
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.1 切割一段1/4拍长的线双折射光纤 （传统工艺）
Hale Waihona Puke Baidu
集中式变换
保椭圆偏振光纤
制作波片的困难： 重复性问题
1.涉及光纤性能本身 一致性
保线偏振光纤
2.每次切割的一致性 3.熔接机每次放电的 一致性 4.熔接机在不同时候 使用时的一致性
多年来，人们在探索适合用于电流传感的新的功能光 纤。将具有适量线性双折射的普通单模光纤预制棒在
Fiber
拉丝过程中熔融状态下旋转，使其具有极低的线双折 射。虽然内在的线双折射不存在，但外面的影响，诸 如弯曲、外应力等引起的随机线双折射将起主导作用， 因此在架设和缠绕这种光纤时必须特别小心。
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4. 目前国内外关于四分之一波片的实现方案
4.2A 摘自中科院资深院士黄宏嘉教授1990年申请的专利
定向双折射分布光纤 （线保偏光纤）
螺旋结构双折射分布光纤
递增螺旋结构双折射分布
本专利主要为了解决四分之一波片制作的重复性问题，希望通过一段3040cm的递增spun光纤来实现（新技术工艺）。
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3. 二种不同光纤 的保线偏振光特性比较
3.1 线偏振光稳定性测试 (已在光纤陀螺中的应用查过30年了）
抖动光纤，观察偏振态在帮加球表面的轨迹变化
高线双折射光纤（保线偏振光纤） 低双折射单模光纤
偏振态轨迹
偏振态轨迹
存在巨大固有定 向内应力， Fi 趋 向于无穷大。 Fe是一个随机有 限量
E x ( z + Dz ) = E x ( z ) cos(DW) + E y ( z ) sin(DW) exp(- b x Dz )
y x y y
[ ] E ( z + Dz ) = [- E ( z ) sin(DW) + E ( z ) cos(DW)]exp(- b Dz )
dW x ( z) = dz
5.7 黄宏嘉院士专利 （2001年11月5日申请）
COMCORE
COMCORE
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新一代全光纤电流互感器
• FOCT的发展史和现状 • 新一代电流传感光纤的特点 • 新一代FOCT的关键特性 • 总结
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新一代全光纤电流互感器
黄 勇 博士
Cell: 13917999108， email: yong.huang@comcore.com
上海康阔光通信技术有限公司 上海康阔光传感技术股份有限公司
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新一代全光纤电流互感器
• FOCT的发展史和现状 • 新一代电流传感光纤的特点 • 新一代FOCT的关键特性 • 总结
根据该论文的详细内容，这里指的就是螺旋双折射结构的光纤
实际就是指螺旋结构双折射分布光纤
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5 电流传感光纤的基本结构(Sensing Fiber)
5.4 B 摘自中国科技大学钱景仁教授论文
实际就是指螺旋结构 双折射分布光纤
dE x = -b xE x + x ( z) E y dz dE y = -b y E y - x ( z) E x dz
耦合模方程：
dE x dW = - b xE x + Ey dz dz dE y dW = -b yE y Ex dz dz
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新一代全光纤电流互感器
• FOCT的发展史和现状 • 新一代电流传感光纤的特点 • 新一代FOCT的关键特性 • 总结
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1. 电子式电流互感器（传感器）分类
电子式有源电流互感器 （例如罗氏线圈） 电子式电流互感器 电子式无源电流互感器 全光纤型 （FOCT)
磁光晶体型
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FOCT的发展史和现状
2. 电子式反射式全光纤电流互感器的基本原理
光路结构
Y
保线偏振光纤 正交线偏振光
X
四分之一波片 右旋/左旋园偏振光 Current Conductor