RU2433414C1 - Fibre-optic current sensor - Google Patents
Fibre-optic current sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2433414C1 RU2433414C1 RU2010115761/28A RU2010115761A RU2433414C1 RU 2433414 C1 RU2433414 C1 RU 2433414C1 RU 2010115761/28 A RU2010115761/28 A RU 2010115761/28A RU 2010115761 A RU2010115761 A RU 2010115761A RU 2433414 C1 RU2433414 C1 RU 2433414C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- signal
- input
- processing unit
- modulator
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных устройств, в частности к волоконно-оптическому датчику тока, реализующему интерференционный принцип измерения.The invention relates to the field of fiber optic measuring devices, in particular to a fiber optic current sensor that implements the interference principle of measurement.
В основу работы волоконно-оптического датчика тока положен эффект Фарадея, который заключается в том, что циркулярно поляризованные световые волны при своем прохождении по оптическому волокну, окружающему проводник с током, приобретают фазовые сдвиги, зависящие от величины тока и числа витков оптического волокна. Преобразуя определенным образом выходные световые волны, например формируя с помощью призмы Волластона ортогонально поляризованные волны, и далее анализируя их, можно получить информацию о величине тока, протекающего по проводнику, см., например, патенты США: [1] - US 4255018, G01R 15/24, G01R 15/07, 10.03.1981; [2] - US 5051577, G01R 15/24, H01J 5/16, 24.09.1991; [3] - US 5500909, G01R 15/24, G02B 6/255, G02B 6/00, G01R 31/00, G01J 4/00, 19.03.1996. Достоинством таких волоконно-оптических датчиков тока является электроизолированность, недостатком - высокая степень зависимости от внешних условий, низкая чувствительность, а также необходимость расчленения/сочленения элементов оптического тракта при монтаже датчика на токопроводе.The operation of the fiber-optic current sensor is based on the Faraday effect, which consists in the fact that circularly polarized light waves, when passing through the optical fiber surrounding the current conductor, acquire phase shifts depending on the current value and the number of turns of the optical fiber. Transforming the output light waves in a certain way, for example, forming orthogonally polarized waves using the Wollaston prism, and then analyzing them, we can obtain information on the magnitude of the current flowing through the conductor, see, for example, US patents: [1] - US 4255018, G01R 15 / 24, G01R 15/07, 03/10/1981; [2] - US 5051577, G01R 15/24, H01J 5/16, 09.24.1991; [3] - US 5500909, G01R 15/24, G02B 6/255, G02B 6/00, G01R 31/00, G01J 4/00, 03/19/1996. The advantage of such fiber-optic current sensors is electrical insulation, the disadvantage is a high degree of dependence on external conditions, low sensitivity, and the need to disassemble / joint elements of the optical path when mounting the sensor on the current lead.
Более удобным с точки зрения монтажа на токопроводе и более перспективным для широкого практического использования за счет большей чувствительности является волоконно-оптический датчик тока с сенсорной головкой отражательного типа, реализующий интерференционный принцип измерения. В таком датчике промодулированные по фазе циркулярно-поляризованные световые волны проходят по оптическому волокну сенсорной головки в двух направлениях - сначала в прямом направлении, а затем в обратном направлении за счет отражения от зеркального конца волокна, после чего интерферируют, см., например, патент США [4] - US 6563589, G01C 19/72, G01R 15/24, G01B 9/02, 13.05.2003. Результат интерференции преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодетектора. Сигнал фотодетектора демодулируется (синхронно детектируется) с формированием выходного сигнала, несущего в себе информацию о величине тока, протекающего по токопроводу. Демодулирование (синхронное детектирование) осуществляется относительно опорного сигнала, формируемого опорным генератором. Этот же опорный сигнал одновременно является управляющим сигналом для фазового модулятора.More convenient from the point of view of mounting on the current lead and more promising for wide practical use due to greater sensitivity is a fiber-optic current sensor with a reflective type sensor head that implements the interference measurement principle. In such a sensor, phase-modulated circularly polarized light waves travel in the optical fiber of the sensor head in two directions - first in the forward direction and then in the opposite direction due to reflection from the mirror end of the fiber, after which they interfere, see, for example, US patent [4] - US 6563589, G01C 19/72, G01R 15/24, G01B 9/02, 05/13/2003. The result of the interference is converted into an electrical signal using a photo detector. The photodetector signal is demodulated (synchronously detected) with the formation of an output signal that carries information about the magnitude of the current flowing through the current lead. Demodulation (synchronous detection) is carried out relative to the reference signal generated by the reference generator. The same reference signal is also a control signal for the phase modulator.
Этот же интерференционный принцип измерения реализован в волоконно-оптическом датчике тока, представленном в работе [5] - J. Blake, P. Tantaswadi, R.T. de Carvalho. In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor. IEEE Transaction on Power delivery. Vol.11, No. 1, January 1996, p.116-121, Fig. 2, принятом в качестве прототипа.The same interference measurement principle is implemented in the fiber-optic current sensor presented in [5] - J. Blake, P. Tantaswadi, R.T. de Carvalho. In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor. IEEE Transaction on Power delivery. Vol. 11, No. 1, January 1996, p. 116-121, Fig. 2, adopted as a prototype.
Датчик-прототип содержит оптически соединенные источник светового излучения, Х-разветвитель, волоконный деполяризатор, волоконный поляризатор, волоконный фильтр, модулятор, например, реализованный в виде пьезомодулятора двулучепреломления, волоконную линию задержки, четвертьволновую пластину и охватывающую токопровод сенсорную головку (чувствительную катушку) отражательного типа.The prototype sensor contains an optically coupled light source, an X-coupler, a fiber depolarizer, a fiber polarizer, a fiber filter, a modulator, for example, implemented as a birefringent piezoelectric modulator, a fiber delay line, a quarter-wave plate, and a reflective type sensor head (sensitive coil) covering the current lead .
Чувствительным элементом сенсорной головки является оптическое волокно, поддерживающее циркулярную поляризацию, например волокно, в котором оси двулучепреломления скручены вдоль направления распространения света. Это волокно охватывает проводник с измеряемым током.The sensitive element of the sensor head is an optical fiber that supports circular polarization, for example, a fiber in which the birefringence axes are twisted along the direction of light propagation. This fiber covers the current-carrying conductor.
Управляющий вход модулятора соединен с управляющим выходом блока обработки сигнала, вход которого через фотодетектор соединен со вторым входом X-разветвителя.The control input of the modulator is connected to the control output of the signal processing unit, the input of which through the photodetector is connected to the second input of the X-splitter.
Блок обработки сигнала содержит демодулятор, реализованный в виде синхронного детектора, и опорный генератор, выход которого соединен с опорным входом демодулятора. Сигнальный вход демодулятора (сигнальный вход синхронного детектора) образует вход блока обработки сигнала, соединенный с выходом фотодетектора. Выход демодулятора (выход синхронного детектора) образует информационный выход блока обработки сигнала, являющийся выходом датчика. Выход опорного генератора образует управляющий выход блока обработки сигнала, соединенный с управляющим входом модулятора.The signal processing unit comprises a demodulator implemented as a synchronous detector, and a reference generator, the output of which is connected to the reference input of the demodulator. The signal input of the demodulator (signal input of the synchronous detector) forms the input of the signal processing unit connected to the output of the photodetector. The demodulator output (synchronous detector output) forms the information output of the signal processing unit, which is the sensor output. The output of the reference generator forms the control output of the signal processing unit, connected to the control input of the modulator.
Датчик-прототип работает следующим образом. Свет от источника светового излучения проходит через Х-разветвитель и поступает в волоконный деполяризатор, который снимает остаточную поляризацию излучения. Далее свет поступает в волоконный поляризатор. Волоконный поляризатор преобразует деполяризованный свет в линейно-поляризованный и разделяет его на две равные по амплитуде волны, направляемые по «быстрой» и «медленной» оптическим осям двулучепреломляющего волокна. Далее эти волны проходят через волоконный фильтр и поступают в модулятор. В волоконном фильтре волны разводятся во времени для того, чтобы образованные в модуляторе паразитные волны после прохождения всей цепи интерферометра не интерферировали с волнами, несущими информацию о токе. В модуляторе волны модулируются по фазе в соответствии с управляющим сигналом, поступающим на управляющий вход модулятора с управляющего выхода блока обработки сигнала, т.е. с выхода опорного генератора. Далее волны проходят через волоконную линию задержки и поступают на вход четвертьволновой пластины. В четвертьволновой пластине волны преобразуются в противоположно циркулярно-поляризованные (левоциркулярную и правоциркулярную волны) и далее поступают в сенсорную головку, оптическое волокно которой поддерживает циркулярную поляризацию. Под действием магнитного поля, образующегося в результате протекания тока по токопроводу, левоциркулярная и правоциркулярная волны получают относительный фазовый сдвиг. Отразившись от зеркального конца сенсорной головки, левоциркулярная и правоциркулярная волны проходят через сенсорную головку в обратном направлении, в результате чего фазовый сдвиг между ними удваивается. Результирующий фазовый сдвиг ΔФф определяется выражением:The prototype sensor works as follows. The light from the light source passes through the X-splitter and enters the fiber depolarizer, which removes the residual polarization of the radiation. Next, the light enters the fiber polarizer. A fiber polarizer converts depolarized light to linearly polarized light and splits it into two waves of equal amplitude, guided along the "fast" and "slow" optical axes of the birefringent fiber. Then these waves pass through the fiber filter and enter the modulator. In a fiber filter, the waves are separated in time so that the parasitic waves formed in the modulator after passing through the entire interferometer circuit do not interfere with waves that carry current information. In the modulator, the waves are phase-modulated in accordance with the control signal received at the control input of the modulator from the control output of the signal processing unit, i.e. from the output of the reference generator. Then the waves pass through the fiber delay line and enter the input of the quarter-wave plate. In the quarter-wave plate, the waves are converted into oppositely circularly polarized (left-circular and right-circular waves) and then enter the sensor head, the optical fiber of which supports circular polarization. Under the influence of the magnetic field generated as a result of the current flowing through the current lead, the left-circular and right-circular waves receive a relative phase shift. Reflected from the mirror end of the sensor head, the left-circular and right-circular waves pass through the sensor head in the opposite direction, as a result of which the phase shift between them doubles. The resulting phase shift ΔF f is determined by the expression:
ΔФф=4VNI,ΔF f = 4VNI,
где: V - постоянная Верде;where: V - Verdet constant;
N - количество витков оптического волокна вокруг токопровода,N is the number of turns of the optical fiber around the current lead,
I - величина тока, протекающего по токопроводу.I is the magnitude of the current flowing through the current lead.
Пройдя через четвертьволновую пластину в обратном направлении, указанные волны вновь преобразуются в линейно-поляризованные, при этом та волна, которая проходила по «быстрой» оси двулучепреломляющего волокна, направляется по «медленной» оси, и наоборот. Тем самым достигается взаимность распространения двух волн в датчике, т.е. они проходят одинаковые пути. Пройдя далее по оптическому тракту в обратном направлении, эти волны интерферируют на входе волоконного поляризатора. Результат интерференции, наблюдаемый на втором входе Х-разветвителя, фиксируется фотодетектором, а затем путем синхронного детектирования, осуществляемого в блоке обработки сигнала, преобразуется в выходной сигнал датчика, по которому судят о величине тока I, протекающего по токопроводу.Having passed through the quarter-wave plate in the opposite direction, these waves are again converted into linearly polarized ones, while the wave that passed along the “fast” axis of the birefringent fiber is directed along the “slow” axis, and vice versa. Thereby, the reciprocity of the propagation of two waves in the sensor is achieved, i.e. they go the same way. Passing further along the optical path in the opposite direction, these waves interfere at the input of the fiber polarizer. The result of interference observed at the second input of the X-splitter is recorded by a photodetector, and then, by synchronous detection carried out in the signal processing unit, it is converted into the output signal of the sensor, which judges the magnitude of the current I flowing through the current lead.
Основным недостатком датчика-прототипа является малый диапазон измерений и невысокая точность, обусловленные нелинейным характером зависимости выходного сигнала от измеряемого тока, а также отсутствием контроля работы модулятора, который по-разному модулирует фазу световой волны в зависимости от внешних условий.The main disadvantage of the prototype sensor is its small measurement range and low accuracy, due to the non-linear nature of the dependence of the output signal on the measured current, as well as the lack of control of the modulator, which modulates the phase of the light wave in different ways depending on external conditions.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и расширение диапазона измерений.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is to increase accuracy and expand the measurement range.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Волоконно-оптический датчик тока содержит оптически соединенные источник светового излучения, разветвитель, волоконный поляризатор, волоконный фильтр, модулятор, волоконную линию задержки, четвертьволновую пластину и охватывающую токопровод сенсорную головку, выполненную на основе оптического волокна, поддерживающего циркулярную поляризацию, а также фотодетектор, вход которого соединен со вторым входом разветвителя, а выход - с входом блока обработки сигнала, информационный выход которого является выходом датчика тока, а управляющий выход соединен с управляющим входом модулятора, причем блок обработки сигнала содержит демодулятор и опорный генератор, соединенный своим выходом с опорным входом демодулятора. В отличие от прототипа, блок обработки сигнала дополнительно содержит аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, блок сравнения, сумматор, формирователь прямоугольного сигнала и формирователь ступенчатого пилообразного сигнала. При этом сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя образует вход блока обработки сигнала, соединенный с выходом фотодетектора, выход цифро-аналогового преобразователя образует управляющий выход блока обработки сигнала, соединенный с управляющим входом модулятора, информационный выход формирователя ступенчатого пилообразного сигнала образует информационный выход блока обработки сигнала, являющийся выходом датчика тока, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с сигнальным входом демодулятора и сигнальным входом блока сравнения, стробирующий вход блока сравнения соединен со стробирующим выходом формирователя ступенчатого пилообразного сигнала, сигнальный выход которого соединен с первым входом сумматора, а сигнальный, корректирующий и опорный входы соединены соответственно с выходом демодулятора, выходом блока сравнения и выходом опорного генератора, при этом выход сумматора соединен с сигнальным входом цифро-аналогового преобразователя, а его второй вход - с выходом блока сравнения, опорный и корректирующий входы которого соединены соответственно с выходом опорного генератора и выходом блока сравнения.The essence of the claimed invention is as follows. The fiber-optic current sensor contains optically coupled light source, a splitter, a fiber polarizer, a fiber filter, a modulator, a fiber delay line, a quarter-wave plate and a sensor head enclosing the current lead, made on the basis of an optical fiber that supports circular polarization, as well as a photodetector, the input of which connected to the second input of the splitter, and the output to the input of the signal processing unit, the information output of which is the output of the current sensor, and the control the th output is connected to the control input of the modulator, and the signal processing unit comprises a demodulator and a reference generator connected by its output to the reference input of the demodulator. Unlike the prototype, the signal processing unit further comprises analog-to-digital and digital-to-analog converters, a comparison unit, an adder, a rectangular signal shaper and a stepped sawtooth signal shaper. In this case, the signal input of the analog-to-digital converter forms the input of the signal processing unit connected to the photodetector output, the output of the digital-to-analog converter forms the control output of the signal processing unit connected to the control input of the modulator, the information output of the step sawtooth signal shaper forms the information output of the signal processing unit, which is the output of the current sensor, the output of the analog-to-digital converter is connected to the signal input of the demodulator and the signal input comparison gate, the gating input of the comparison unit is connected to the gating output of the stepped sawtooth signal shaper, the signal output of which is connected to the first input of the adder, and the signal, correction, and reference inputs are connected respectively to the output of the demodulator, the output of the comparison unit, and the output of the reference generator, while the output of the adder connected to the signal input of the digital-to-analog converter, and its second input is connected to the output of the comparison unit, the reference and correction inputs of which are connected respectively with the output of the reference generator and the output of the comparison unit.
В преимущественных вариантах выполнения источник светового излучения выполнен в виде источника деполяризованного светового излучения, а модулятор выполнен в виде модулятора двулучепреломления на основе канального волновода в кристалле ниобата лития.In preferred embodiments, the light radiation source is made in the form of a depolarized light radiation source, and the modulator is made in the form of a birefringence modulator based on a channel waveguide in a lithium niobate crystal.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются представленной на чертеже структурной схемой волоконно-оптического датчика тока в варианте использования в нем, как и в прототипе, в качестве разветвителя Х-разветвителя, а в качестве сенсорной головки - сенсорной головки отражательного типа.The essence of the invention and the possibility of its implementation are illustrated by the structural diagram of a fiber-optic current sensor shown in the drawing, using it as a prototype as an X-splitter splitter, and a reflective type sensor head as a sensor head.
Волоконно-оптический датчик тока в рассматриваемом примере выполнения содержит оптически соединенные источник 1 светового излучения, представляющий собой источник деполяризованного светового излучения, Х-разветвитель 2, волоконный поляризатор 3, волоконный фильтр 4, модулятор 5, представляющий собой модулятор двулучепреломления на основе канального волновода в кристалле ниобата лития, волоконную линию задержки 6, четвертьволновую пластину 7 и сенсорную головку 8 отражательного типа, выполненную на основе оптического волокна, поддерживающего циркулярную поляризацию, охватывающую токопровод 9, по которому протекает измеряемый ток.The fiber-optic current sensor in this embodiment contains optically coupled light source 1, which is a depolarized light source, an X-coupler 2, a fiber polarizer 3, a fiber filter 4, a modulator 5, which is a birefringence modulator based on a channel waveguide in a crystal lithium niobate, a delay fiber line 6, a quarter-wave plate 7, and a reflective type sensor head 8 made on the basis of an optical fiber, supporting circular polarization, covering the conductor 9, through which the measured current flows.
Второй вход Х-разветвителя 2 соединен с входом фотодетектора 10. Выход фотодетектора 10 соединен с входом блока 11 обработки сигнала, управляющий выход которого соединен с управляющим входом модулятора 5, а информационный выход является выходом датчика.The second input of the X-splitter 2 is connected to the input of the photodetector 10. The output of the photodetector 10 is connected to the input of the signal processing unit 11, the control output of which is connected to the control input of the modulator 5, and the information output is the output of the sensor.
Блок 11 обработки сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь 12, блок 13 сравнения, демодулятор 14, опорный генератор 15, формирователь 16 прямоугольного сигнала, формирователь 17 ступенчатого пилообразного сигнала, цифро-аналоговый преобразователь 18 и сумматор 19.The signal processing unit 11 comprises an analog-to-digital converter 12, a comparison unit 13, a demodulator 14, a reference generator 15, a square-wave signal shaper 16, a step-like sawtooth signal shaper 17, a digital-to-analog converter 18, and an adder 19.
Сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 12 образует вход блока 11 обработки сигнала, соединенный с выходом фотодетектора 10. Выход цифро-аналогового преобразователя 18 образует управляющий выход блока 11 обработки сигнала, соединенный с управляющим входом модулятора 5. Информационный выход формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала образует информационный выход блока 11 обработки сигнала, являющийся выходом датчика тока. Выход аналого-цифрового преобразователя 12 соединен с сигнальным входом блока 13 сравнения и сигнальным входом демодулятора 14, опорный вход которого соединен с выходом опорного генератора 15. Выход демодулятора 14 соединен с сигнальным входом формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала. Выход блока 13 сравнения соединен с корректирующим входом формирователя 16 прямоугольного сигнала и корректирующим входом формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала. Опорный вход формирователя 16 прямоугольного сигнала и опорный вход формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала соединены с выходом опорного генератора 15. Стробирующий выход формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала соединен со стробирующим входом блока 13 сравнения. Сигнальный выход формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала соединен с первым входом сумматора 19, второй вход которого соединен с выходом формирователя 16 прямоугольного сигнала, а выход соединен с сигнальным входом цифро-аналогового преобразователя 18.The signal input of the analog-to-digital converter 12 forms the input of the signal processing unit 11 connected to the output of the photodetector 10. The output of the digital-to-analog converter 18 forms the control output of the signal processing unit 11 connected to the control input of the modulator 5. The information output of the step-like sawtooth signal generator 17 forms the information the output of the signal processing unit 11, which is the output of the current sensor. The output of the analog-to-digital Converter 12 is connected to the signal input of the comparison unit 13 and the signal input of the demodulator 14, the reference input of which is connected to the output of the reference generator 15. The output of the demodulator 14 is connected to the signal input of the driver 17 of the sawtooth-shaped signal. The output of the comparison unit 13 is connected to the correcting input of the shaper 16 of the rectangular signal and the correcting input of the shaper 17 of the stepped sawtooth signal. The reference input of the rectangular signal shaper 16 and the reference input of the step-shaped sawtooth signal generator 17 are connected to the output of the reference generator 15. The gate output of the step-shaped sawtooth signal generator 17 is connected to the gate input of the comparison unit 13. The signal output of the shaper 17 step sawtooth signal is connected to the first input of the adder 19, the second input of which is connected to the output of the shaper 16 of the rectangular signal, and the output is connected to the signal input of the digital-to-analog converter 18.
Сумматор 19, формирователь 16 прямоугольного сигнала, формирователь 17 ступенчатого пилообразного сигнала, блок 13 сравнения и демодулятор 14 могут быть выполнены в виде отдельных цифровых устройств. Также возможна их реализация, например, в составе специализированной большой интегральной схемы (СБИС) или на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).The adder 19, the shaper 16 of the rectangular signal, the shaper 17 of the stepped sawtooth signal, the block 13 comparison and the demodulator 14 can be made in the form of separate digital devices. Their implementation is also possible, for example, as part of a specialized large integrated circuit (VLSI) or based on a programmable logic integrated circuit (FPGA).
Заявляемый волоконно-оптический датчик тока работает следующим образом.The inventive fiber optic current sensor operates as follows.
Свет от источника 1 светового излучения проходит через Х-разветвитель 2 и поступает в волоконный поляризатор 3, который преобразует деполяризованный свет в линейно-поляризованный и разделяет его на две равные по амплитуде волны, направляемые по «быстрой» и «медленной» оптическим осям двулучепреломляющего волокна, соединяющего волоконный поляризатор 3 с последующими элементами оптического тракта.The light from the light source 1 passes through an X-splitter 2 and enters a fiber polarizer 3, which converts the depolarized light to linearly polarized and splits it into two waves of equal amplitude, directed along the “fast” and “slow” optical axes of the birefringent fiber connecting the fiber polarizer 3 with subsequent elements of the optical path.
Далее указанные световые волны проходят через волоконный фильтр 4 и поступают в модулятор 5.Next, these light waves pass through a fiber filter 4 and enter the modulator 5.
В волоконном фильтре 4 указанные волны разводятся во времени для того, чтобы образованные в модуляторе 5 паразитные волны после прохождения всей цепи интерферометра не интерферировали с волнами, несущими информацию о токе.In the fiber filter 4, these waves are separated in time so that the stray waves formed in the modulator 5, after passing through the entire interferometer circuit, do not interfere with waves that carry current information.
В модуляторе 5 осуществляется прямоугольная фазовая модуляция проходящих через него световых волн с одновременным внесением относительного фазового сдвига ΔФос в соответствии со скоростью нарастания во времени ступенчатого пилообразного управляющего сигнала, поступающего на управляющий вход модулятора 5 с управляющего выхода блока 11 обработки сигнала (с выхода цифро-аналогового преобразователя 18). Модулятор 5 в рассматриваемом случае выполнен в виде модулятора двулучепреломления на основе канального волновода в кристалле ниобата лития, частотные свойства которого обеспечивают возможность выполнения указанной функции.In the modulator 5, a rectangular phase modulation of the light waves passing through it is carried out with the simultaneous introduction of a relative phase shift ΔΦ os in accordance with the rate of rise in time of the step-like sawtooth control signal received at the control input of the modulator 5 from the control output of the signal processing unit 11 (from the digital analog converter 18). The modulator 5 in this case is made in the form of a birefringence modulator based on a channel waveguide in a lithium niobate crystal, whose frequency properties provide the ability to perform this function.
С выхода модулятора 5 световые волны поступают в волоконную линию задержки 6, проходят ее и далее поступают на вход четвертьволновой пластины 7, где преобразуются в противоположно циркулярно-поляризованные волны (левоциркулярную и правоциркулярную волны).From the output of the modulator 5, the light waves enter the fiber delay line 6, pass it, and then go to the input of the quarter-wave plate 7, where they are converted into oppositely circularly polarized waves (left-circular and right-circular waves).
С выхода четвертьволновой пластины 7 эти волны поступают в охватывающую токопровод 9 сенсорную головку 8, представляющую собой в рассматриваемом случае сенсорную головку отражательного типа.From the output of the quarter-wave plate 7, these waves enter the sensor head 8 covering the current lead 9, which in this case is a reflective type sensor head.
Пройдя через сенсорную головку 8 в прямом и обратном направлениях, лево-циркулярная и правоциркулярная волны приобретают дополнительный относительный фазовый сдвиг ΔФф, зависящий от измеряемого тока, протекающего через токопровод 9. Величина дополнительного относительного фазового сдвига ΔФф характеризуется представленным выше выражением ΔФф=4VNI.Passing through the sensor head 8 in the forward and reverse directions, the left-circular and right-circular waves acquire an additional relative phase shift ΔF f , depending on the measured current flowing through the conductor 9. The value of the additional relative phase shift ΔF f is characterized by the above expression ΔF f = 4VNI .
В результате общий приобретенный относительный фазовый сдвиг ΔФ, обусловленный воздействием модулятора 5 и сенсорной головки 8 на световые волны, определяется выражением ΔФ=ΔФф-ΔФос.As a result, the overall acquired relative phase shift ΔF due to the influence of the modulator 5 and the sensor head 8 on the light waves is given by ΔF = ΔF f -ΔF axes.
Пройдя далее в обратном направлении через четвертьволновую пластину 7, световые волны вновь преобразуются в линейно-поляризованные, при этом та волна, которая проходила по «быстрой» оси двулучепреломляющего волокна, направляется по «медленной» оси, и наоборот. Тем самым достигается взаимность распространения этих двух волн в датчике тока, т.е. они проходят одинаковые пути.Passing further in the opposite direction through the quarter-wave plate 7, the light waves are again converted into linearly polarized ones, while the wave that passed along the “fast” axis of the birefringent fiber is directed along the “slow” axis, and vice versa. Thereby, the reciprocity of the propagation of these two waves in the current sensor, i.e. they go the same way.
Пройдя далее по оптическому тракту в обратном направлении, эти волны интерферируют на входе волоконного поляризатора 3. Результат интерференции, наблюдаемый на втором входе Х-разветвителя 2, фиксируется фотодетектором 10.Passing further along the optical path in the opposite direction, these waves interfere at the input of the fiber polarizer 3. The result of the interference observed at the second input of the X-splitter 2 is recorded by the photodetector 10.
Выходной сигнал фотодетектора 10 поступает на вход блока 11 обработки сигнала, где оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 12 и далее преобразуется в демодуляторе 14 в сигнал ошибки, зависящий от величины и знака разности между фазовым сдвигом ΔФф, обусловленным измеряемым током, протекающим через токопровод 9, и компенсирующим фазовым сдвигом ΔФос, вносимым модулятором 5. При этом минимальное значение сигнала ошибки имеет место при равенстве ΔФф=ΔФос.The output signal of the photodetector 10 is fed to the input of the signal processing unit 11, where it is digitized in an analog-to-digital converter 12 and then converted in the demodulator 14 into an error signal, which depends on the magnitude and sign of the difference between the phase shift ΔF f due to the measured current flowing through the current conductor 9 and compensating a phase shift ΔF axes introduced by the modulator 5. In this case, the minimum value of the error signal occurs at equal ΔF = ΔF f axes.
Сигнал ошибки, формируемый в демодуляторе 14, поступает на сигнальный вход формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала, где интегрируется с получением управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющего скорость нарастания во времени формируемого ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину компенсирующего фазового сдвига ΔФос, вносимого модулятором 5. Изменение скорости нарастания во времени формируемого ступенчатого пилообразного сигнала продолжается до тех пор, пока сигнал ошибки, снимаемый с выхода демодулятора 14, не станет равным нулю, т.е. когда компенсирующий фазовый сдвиг ΔФос, вносимый модулятором 5, не сравняется с фазовым сдвигом ΔФф, обусловленным измеряемым током, протекающим через токопровод 9.The error signal generated in the demodulator 14 is fed to the signal input of the step-shaped sawtooth signal former 17, where it is integrated to obtain a control signal of compensating feedback, which determines the slew rate in time of the step-shaped sawtooth signal and, accordingly, the value of the compensating phase shift ΔF os introduced by the modulator 5. The change in the slew rate in time of the generated step-like sawtooth signal continues until the error signal is removed output from the demodulator 14 will not be equal to zero, i.e. when compensating phase shift ΔF axes introduced by modulator 5 is not equal to the phase shift ΔF f caused by the measured current flowing through the conductor 9.
В установившемся режиме величина указанного управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющего скорость нарастания во времени ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину компенсирующего фазового сдвига ΔФос, вносимого модулятором 5 для компенсации фазового сдвига ΔФф, обусловленного измеряемым током, пропорциональна величине I этого тока, что позволяет использовать данный сигнал в качестве выходного информационного сигнала датчика тока. Этот сигнал снимается с информационного выхода формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала и поступает на информационный выход блока 11 обработки сигнала, являющийся выходом датчика тока.In the steady state value of said control signal compensating feedback, determining a time rate of rise of the stepped ramp signal and accordingly the magnitude of the offset phase shift ΔF axes introduced by the modulator 5 for the compensation of phase shift ΔF f caused by the measured current is proportional to the magnitude I of the current, which allows you to use this signal as the output information signal of the current sensor. This signal is removed from the information output of the shaper 17 of the sawtooth-shaped signal and fed to the information output of the signal processing unit 11, which is the output of the current sensor.
Использование в качестве выходного информационного сигнала указанного управляющего сигнала компенсирующей обратной связи обеспечивает линейность, а также увеличенные, по сравнению с прототипом, точность и динамический диапазон измерений. Объясняется это, в частности, тем, что примененная компенсационная схема измерений, поддерживающая разностный сигнал (ΔФф-ΔФос) в нуле, обеспечивает работу датчика тока в точке с максимальной чувствительностью. Кроме этого в такой схеме, в отличие от прототипа, выходной сигнал, несущий информацию об измеряемом токе, не зависит от коэффициента усиления фотодетектора 10 и уровня поступающей на него оптической мощности.Using as an output information signal of the specified control signal compensating feedback provides linearity, as well as increased, compared with the prototype, accuracy and dynamic range of measurements. This is explained, in particular, in that the applied compensation measuring scheme supporting difference signal (ΔF f -ΔF axes) at the origin and provides a current sensor in operation with the point of maximum sensitivity. In addition, in such a scheme, in contrast to the prototype, the output signal carrying information about the measured current does not depend on the gain of the photodetector 10 and the level of optical power supplied to it.
Скорость нарастания во времени ступенчатого пилообразного сигнала, снимаемого с сигнального выхода формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала, определяющая величину компенсирующего фазового сдвига ΔФос, вносимого модулятором 5, в свою очередь определяется высотой ступеней модуляции и их шириной, т.е. длительностью по времени. Ширина ступеней модуляции постоянна и определяется длительностью ΔТ, соответствующей времени прохождения световых волн по световому тракту датчика тока. Высота ступеней модуляции является регулируемым параметром и задается рассмотренным выше управляющим сигналом компенсирующей обратной связи. В установившемся режиме приведенная к выходу модулятора 5 высота ступеней модуляции соответствует значению фазы ΔФос=ΔФф, а глубина, на которую периодически осуществляется сброс пилы модуляции, соответствует значению фазы 2π.The rate of rise in time of the step-like sawtooth signal taken from the signal output of the step-by-step sawtooth signal shaper 17, which determines the amount of the compensating phase shift ΔΦ os introduced by the modulator 5, in turn, is determined by the height of the modulation steps and their width, i.e. time duration. The width of the modulation steps is constant and is determined by the duration ΔТ corresponding to the time of passage of light waves along the light path of the current sensor. The height of the modulation steps is an adjustable parameter and is set by the compensating feedback control signal considered above. In the steady state, the height of the modulation steps reduced to the output of the modulator 5 corresponds to the phase value ΔF os = ΔF f , and the depth to which the modulation saw is periodically reset corresponds to the value of phase 2π.
Ступенчатый пилообразный сигнал, снимаемый с сигнального выхода формирователя 17, дополнительно модулируется для осуществления в модуляторе 5 прямоугольной фазовой модуляции проходящих через него световых волн. Модуляция ступенчатого пилообразного сигнала осуществляется прямоугольным сигналом, например типа «меандр», формируемым в формирователе 16 прямоугольного сигнала на основе опорного сигнала, поступающего на его сигнальный вход с выхода опорного генератора 15. Модуляция осуществляется в сумматоре 19 путем суммирования сигналов, поступающих на его первый и второй входы с выходов формирователей 17 и 16. При этом суммируемые сигналы синхронизированы друг относительно друга за счет синхронной работы формирователей 16 и 17, обеспечиваемой опорным сигналом, поступающим на их опорные входы с выхода опорного генератора 15.The step-like sawtooth signal taken from the signal output of the driver 17 is additionally modulated to effect rectangular modulation of the light waves passing through it in the modulator 5. The step-like sawtooth signal is modulated by a square-wave signal, for example, of a meander type, which is generated in a square-wave signal former 16 based on a reference signal supplied to its signal input from the output of the reference generator 15. Modulation is performed in the adder 19 by summing the signals received at its first and the second inputs from the outputs of the shapers 17 and 16. In this case, the summed signals are synchronized relative to each other due to the synchronous operation of the shapers 16 and 17 provided by the reference signal applied to their reference inputs from the reference oscillator 15 output.
Промодулированный таким образом ступенчатый пилообразный сигнал, снимаемый с выхода сумматора 19, поступает на сигнальный вход цифро-аналогового преобразователя 18, который формирует из него аналоговый управляющий сигнал для модулятора 5, замыкая тем самым по сигналу цепь компенсирующей обратной связи.The step-like sawtooth signal thus modulated, taken from the output of the adder 19, is fed to the signal input of the digital-to-analog converter 18, which forms an analogue control signal from it for the modulator 5, thereby closing the compensating feedback circuit by the signal.
В реальных условиях эксплуатации параметры модулятора 5 могут изменяться под воздействием возмущающих внешних факторов. В ряде случаев это может приводить к изменению соотношения между подаваемым на модулятор 5 управляющим сигналом и оказываемым им воздействием на свет, что, в свою очередь, будет приводить к ошибкам в модуляции и, соответственно, к ошибкам измерения.Under real operating conditions, the parameters of the modulator 5 can change under the influence of disturbing external factors. In some cases, this can lead to a change in the ratio between the control signal supplied to the modulator 5 and the effect it exerts on the light, which, in turn, will lead to modulation errors and, accordingly, to measurement errors.
Для уменьшения ошибок, обусловленных нестабильностью работы модулятора, в заявляемом датчике предусмотрена дополнительная корректирующая обратная связь, работающая следующим образом.To reduce errors caused by the instability of the modulator, in the inventive sensor provides additional corrective feedback, which operates as follows.
Изменение соотношения между подаваемым на модулятор 5 управляющим сигналом и оказываемым им воздействием на свет приводит, в частности, к отклонению сброса пилы модуляции от 2π, что, в свою очередь, приводит к возникновению скачкообразных изменений сигналов на выходе аналого-цифрового преобразователя 12 в моменты, соответствующие сбросу пилы модуляции. Эти скачки выявляются с помощью блока 13 сравнения, который сравнивает между собой две выборки выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя 12 на коротких промежутках времени непосредственно перед сбросом пилы модуляции и сразу после сброса. Для этого на сигнальный вход блока 13 сравнения подается сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 12, а на стробирующий вход - соответствующие стробы со стробирующего выхода формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала. Результат сравнения - выходной сигнал блока 13 сравнения - содержит информацию, насколько вносимый модулятором при сбросе пилы фазовый сдвиг отличается от 2π, а значит, и текущее состояние соотношения между любым подаваемым на модулятор 5 управляющим сигналом и вносимым при этом модулятором 5 фазовым сдвигом. Выходной сигнал блока 13 сравнения подается на корректирующие входы формирователя 16 прямоугольного сигнала и формирователя 17 ступенчатого пилообразного сигнала, и на его основании сигнал в формирователях пропорционально увеличивается или уменьшается по амплитуде с целью того, чтобы вносимые модулятором 5 фазовые сдвиги соответствовали требуемым значениям.A change in the ratio between the control signal supplied to the modulator 5 and the effect of light on it leads, in particular, to a deviation of the modulation saw reset from 2π, which, in turn, leads to jump-like changes in the signals at the output of the analog-to-digital converter 12 at times corresponding to modulation saw reset. These jumps are detected using the comparison unit 13, which compares with each other two samples of the output signal of the analog-to-digital Converter 12 for short periods of time immediately before the reset of the modulation saw and immediately after the reset. To this end, the signal from the output of the analog-to-digital converter 12 is supplied to the signal input of the comparison unit 13, and the corresponding gates from the strobe output of the shaper 17 of the sawtooth-shaped signal are supplied to the gate input. The result of the comparison — the output signal of the comparison unit 13 — contains information on how much the phase shift introduced by the modulator when the saw is reset differs from 2π, and therefore the current state of the relationship between any control signal supplied to the modulator 5 and the phase shift introduced by the modulator 5. The output signal of the comparison unit 13 is supplied to the correction inputs of the rectangular signal shaper 16 and the step-like sawtooth signal shaper 17, and based on it, the signal in the shapers is proportionally increased or decreased in amplitude so that the phase shifts introduced by modulator 5 correspond to the required values.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и расширении диапазона измерений.Thus, the above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of a technical result, which consists in increasing accuracy and expanding the measurement range.
Указанный технический результат обеспечивается и при других возможных реализациях разветвителя 2 и сенсорной головки 8, например при использовании в качестве разветвителя Y-разветвителя или оптического циркулятора, а в качестве сенсорной головки - сенсорной головки замкнутого типа.The specified technical result is also provided with other possible implementations of the splitter 2 and the sensor head 8, for example, when using a Y-splitter or an optical circulator as a splitter, and a closed-type sensor head as a sensor head.
Источники информации:Information sources:
1. US 4255018, G01R 15/24, G01R 15/07, опубл. 10.03.1981.1. US 4255018, G01R 15/24, G01R 15/07, publ. 03/10/1981.
2. US 5051577, G01R 15/24, H01J 5/16, опубл. 24.09.1991.2. US 5051577, G01R 15/24, H01J 5/16, publ. 09/24/1991.
3. US 5500909, G01R 15/24, G02B 6/255, G02B 6/00, G01R 31/00, G01J 4/00, опубл. 19.03.1996.3. US 5500909, G01R 15/24, G02B 6/255, G02B 6/00, G01R 31/00, G01J 4/00, publ. 03/19/1996.
4. US 6563589, G01C 19/72, G01R 15/24, G01B 9/02, опубл. 13.05.2003.4. US 6563589, G01C 19/72, G01R 15/24, G01B 9/02, publ. 05/13/2003.
5. J. Blake, P.Tantaswadi, R.T. de Carvalho. In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor. IEEE Transaction on Power delivery. Vol.11, No.1, January 1996, p.116-121, Fig.2.5. J. Blake, P. Tantaswadi, R.T. de Carvalho. In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor. IEEE Transaction on Power delivery. Vol.11, No.1, January 1996, p. 116-121, Fig. 2.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010115761/28A RU2433414C1 (en) | 2010-04-20 | 2010-04-20 | Fibre-optic current sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010115761/28A RU2433414C1 (en) | 2010-04-20 | 2010-04-20 | Fibre-optic current sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2433414C1 true RU2433414C1 (en) | 2011-11-10 |
Family
ID=44997335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010115761/28A RU2433414C1 (en) | 2010-04-20 | 2010-04-20 | Fibre-optic current sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2433414C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023158335A1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" | Fibre-optic sensor for sensing megaampere range electric currents |
-
2010
- 2010-04-20 RU RU2010115761/28A patent/RU2433414C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023158335A1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" | Fibre-optic sensor for sensing megaampere range electric currents |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4046243B2 (en) | Optical fiber apparatus and method for precision current sensing | |
| CN105051551B (en) | Fibre optic current sensor with spun optical fiber and temperature-compensating | |
| CN105992934B (en) | Interferometric sensor | |
| US7786719B2 (en) | Optical sensor, optical current sensor and optical voltage sensor | |
| CN106017333B (en) | Double excitation single-frequency interference nano displacement measuring device and method based on phase-modulation | |
| JPS5918923A (en) | Birefringence measuring device | |
| RU2444704C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
| CN107655599B (en) | Method for measuring micro stress of optical element | |
| Zhang et al. | A PGC-DCDM demodulation scheme insensitive to phase modulation depth and carrier phase delay in an EOM-based SPM interferometer | |
| JPH0670653B2 (en) | Light temperature / electric quantity measuring device | |
| US11444690B2 (en) | Timing measurement apparatus | |
| RU2589756C1 (en) | System for adjustment of perimeter of zeeman laser gyroscope | |
| EP2145194B1 (en) | Adaptive filters for fiber optic sensors | |
| CN106062506B (en) | Interferometric sensor | |
| CN101520323B (en) | Extensive angle measuring method for inclination angle of plane moving mirror in Fourier spectrometer | |
| Zhang et al. | Improved DFB-FL sensor interrogation with low harmonic distortion based on extended Kalman filter | |
| US3707329A (en) | Apparatus for electronically analyzing modulated light beams | |
| US20180246175A1 (en) | System and method for a cavity magnetometer using a pound-drever-hall detector | |
| RU2433414C1 (en) | Fibre-optic current sensor | |
| US5737082A (en) | Method of electro-optical measurement for vector components of electric fields and an apparatus thereof | |
| US11885841B2 (en) | Electric field sensor | |
| WO2019120588A1 (en) | Polarization optical detection with enhanced accuracy in the high-signal regime | |
| RU2682981C1 (en) | Demodulation method of fiber optic current sensor signal | |
| EP2715375B1 (en) | Fiber-optic voltage sensor | |
| KR100452301B1 (en) | The Apparatus and Method for Simultaneous Measurement of Current and Voltage Using Optic Fiber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200421 |