CN101762795B - 光纤磁光探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤磁光探测系统和方法，属于光学应用领域。所述系统包括：参考装置，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；磁光探头，用于检测测量点的磁场信号，将磁场信号转变为光信号，并承载在接收到的激光上发送；光纤装置，用于传输激光并将磁光探头发送的光信号传送到电源和信号处理模块；电源和信号处理模块，用于发激光及接收到光信号后，将光信号转变为电信号，对电信号进行解调和分析，得到测量点自身的磁场信息和/或电流信息。本发明在所述系统中安装了参考装置，通过该参考装置产生的参考磁场信号可以校正测量到的信号，来去除环境因素对测量的影响，进而得到准确的测量数据，提高了系统的测量精度。

Description

光纤磁光探测系统和方法

技术领域

本发明涉及光学应用领域，具体而言，涉及光纤磁光探测系统和方法。

背景技术

法拉第效应等磁光效应广泛应用于电流和磁场的测量，法拉第效应可由磁光玻璃、磁光晶体、或光纤等材料来实现。

如图1所示，为相关技术中的光纤磁光测量系统，该系统由电源和信号处理模块400、磁光探头100和传导的光纤装置200构成。电源和信号处理模块400发出的激光通过光纤装置200传导到磁光探头100中，磁光探头根据一定的光学原理，如法拉第磁光效应，设计来感知磁光探头100所处环境的磁场，并把磁场信号转变成光信号，光信号载在上述激光中通过光纤装置200传回电源和信号处理模块400，电源和信号处理模块400根据收到的光信号，经过数据处理，得到测量点的有关磁场信息。

在图1的测量过程中，各种材料，光学机构等都会受到温度、应力等环境因素或被测磁场的强度影响，这种影响导致测量不准，测量的精度有时难以满足使用的要求。

发明人在发明过程中发现各种材料应用来进行磁光测量，都会受到温度、应力等环境因素或被测磁场的强度影响，这种影响导致测量不准确。特别是，发明人发现石榴石磁光晶体等材料，在一定强度的直流或交变外磁场作用下，其微观磁畴会产生不规律的扰动，进而影响光学特性，使测量出现不确定性。并且，针对这些问题目前尚未提出合理的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种光纤磁光探测系统和方法，能够通过实时校正的方法来去除环境因素的影响而得到准确的测量数据等。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种光纤磁光探测系统，该系统包括：参考装置，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头，用于检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在接收到的激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置，用于传输激光，并将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

电源和信号处理模块，用于发送激光，以及接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供了一种光纤磁光探测方法，所述方法包括：

参考装置在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

所述电源和信号处理模块接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点的自身磁场信息和/或电流信息。

因为在测量系统中安装了参考装置，通过该参考装置产生的参考磁场信号可以校正测量到的信号，来去除环境因素对测量的影响，进而得到准确的测量数据，提高了系统的测量精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了相关技术中光纤磁光探测系统的结构框图；

图2示出了本发明实施例1提供的光纤磁光探测系统的结构框图；

图3示出了本发明实施例2提供的光纤磁光探测系统的结构框图；

图4示出了本发明实施例3提供的光纤磁光探测系统的结构框图；

图5示出了本发明实施例4提供的光纤磁光探测方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种光纤磁光探测系统，该系统包括：磁光探头100、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，其中，磁光探头100和参考装置300被至于测量点周围，测量点的位置可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全的近地低电势的地方，它们之间通过电绝缘的传导光纤装置200连接；

参考装置300，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头100，用于检测上述测量点的磁场信号，将该磁场信号转变为光信号，并承载在接收到的激光上发送，其中，该磁场信号为参考磁场信号和测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置200，用于传输激光，将磁光探头100发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块400；

电源和信号处理模块400，用于发送激光，以及接收到上述光信号后，将光信号转变为电信号，根据参考磁场信号对电信号进行解调和分析，得到测量点自身磁场信息和/或电流信息。参考装置300产生的参考磁场信号不受环境因素变化，该磁场信号与被测磁场信号线性叠加后被磁光探头100感知，通过光纤装置200传送到电源和信号处理模块400中。电源和信号处理模块400解调两组信号。由于被测信号和参考磁场信号通过完全相同的路径被磁光探头100检测，所以所有环境对它们的影响都是一样的。这样，由于参考磁场信号是已知的，通过对两者进行比较就可以去除环境因素的影响，从而得到准确的测量数据。当本系统中的磁光探头100置与载流体周围时，通过上述过程可以准确地测量磁场，进而可以准确地测量电流。

本实施例在光纤磁光探测系统加入参考装置300，可以产生信息已知的参考磁场信号，通过参考磁场信号的变化可以去除环境因素对测量点产生的被测磁场信号的影响，得到准确的测量结果，进而提高了测量的准确度，保证了该系统的可靠性。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种光纤磁光探测系统，该系统包括：磁光探头100、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，该系统与实施例1提供的系统类似，磁光探头100和参考装置300被至于测量点周围，测量点的位置可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全的近地低电势的地方，它们之间通过电绝缘的传导光纤装置200连接；

其中，磁光探头100有两个，为第一磁光探头100a和第二磁光探头100b，分别对称地置于测量点的两侧；

相应地，电源和信号处理模块400包括：

探测激光器41，用于通过光纤装置200向第一磁光探头100a和第二磁光探头100b发送激光信号；

参考激光器43，用于在指定时间通过光纤装置200向参考装置300发送指定强度的参考激光信号；

光电探测器，本实例中光电探测器包括两个，分别为光电探测器42a和光电探测器42b，用于接收来自第一磁光探头100a和第二磁光探头100b的光信号，将光信号转变为电信号，发送该电信号；

控制和信号处理模块44，用于接收光电检测器42a和42b发送的电信号，根据参考磁场信号对电信号进行解调和分析，得到测量点的自身磁场信息和/或电流信息；

参考装置300包括：

光电转换模块32，用于通过传导光纤接收来自电源和信号处理模块400的参考激光信号，将参考激光信号转变为电流信号输出；以及

套在第一磁光探头100a外面的第一线圈34a和套在第二磁光探头100b外面的第二线圈34b，第一线圈34a和第二线圈34b通过导线串联，并接到光电转换模块32的电流输出端以接收上述电流信号，用以产生幅值和形状已知的参考磁场信号。

本实施例的测量源为载流导体800，第一磁光探头100a和第二磁光探头100b用来感应载流导体800中电流产生的磁场，其中，载流导体800中的电流方向是与示意的纸面垂直。

优选地，第一线圈34a和第二线圈34b之间串接有温度补偿器35，用于补偿由于温度变化造成第一线圈34a和第二线圈34b的电阻变化。

优选地，光纤装置200中除了传导信号的光纤31外，还可以包括：

分光器21，用于将探测激光器41发送的激光分成两路，将两路激光通过光纤31分别发送至第一磁光探头100a和第二磁光探头100b，用以使第一磁光探头100a和第二磁光探头100b将转变后的光信号承载在接收的激光上，并通过光纤31将携带载流导体800光信号的激光返回给电源和信号处理模块400。

本实施例中光纤31从电源和信号处理模块400中把激光引入分光器21中，激光被均分成两束，分别被传导到第一磁光探头100a和第二磁光探头100b来感应磁场，然后再通过光纤31传导回电源和信号处理模块400进行分析和数据处理。

本实例中光电探测器42a和光电探测器42b分别接收来自第一磁光探头100a和第二磁光探头100b的光信号，并把它们转变成电信号交由控制和信号处理模块44，进行信号调理和数据分析，参考激光器43可根据控制和信号处理模块44的指令在指定的时刻发出指定强度的参考激光。指定强度是一个预先指定的光强度，能使参考装置300产生高精度、高重复性的磁场信号。

本实施例提供的参考装置300中的光电转换模块32接收到光纤31传输的参考激光信号后，将参考激光信号转变成参考电流信号；第一线圈34a和第二线圈34b及温度补偿器35通过导线33串联，并连接到光电转换模块32的电流输出端，第一线圈34a和第二线圈34b分别套在第一磁光探头100a和第二磁光探头100b的外面；参考激光信号产生的光电流经过第一线圈34a和第二线圈34b产生已知恒定的参考磁场信号，参考磁场信号和测量点自身的磁场信号线性叠加后被第一磁光探头100a和第二磁光探头100b检测；温度补偿器件35的作用是补偿由于温度变化造成线圈光电管电阻变化而造成参考电流的漂移。

本实施例提供的系统，使电源和信号处理模块400检测到的信号同时包括参考磁场和被测磁场，由于参考磁场是接受电源和信号处理模块400的指令产生的，电源和信号处理模块400很容易将参考磁场信号从测到的信号中分离出来，由于参考磁场、被测磁场是通过完全相同的路径传输的，所有的干扰都是相同的，所以通过比较分析电源和信号处理模块400可以去除干扰信号，从而实现对载体上电流的正确测量，提高了测量的准确度。

实施例3

如图4所示，本实施例提供了一种光纤磁光探测系统，该系统包括：磁光探头100、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，该系统与实施例1提供的系统类似，磁光探头100和参考装置300被至于测量点周围，测量点的位置可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全的近地低电势的地方，它们之间通过电绝缘的传导光纤装置200连接；

与实施例2提供的系统的不同之处在于，本实施例的参考装置300包括：采电模块36、参考信号调理模块37(替换了图3中的光电转换模块32)、导线33、第一线圈34a和第二线圈34b、温度补偿器35；其中，采电模块36从被测的载体中采集指定大小(例如，一小部分)的电能输给参考信号调理模块37，参考信号调理模块37将其转换成易于从被测信号中解调并有固定幅值的参考电流。其他部分功能与实施例2基本相同，这里不再赘述。

本实施例提供的系统，使电源和信号处理模块400检测到的信号同时包括参考磁场和被测磁场，由于参考磁场是根据采电模块35从测量点采集的电能解调的参考电流得到的，电源和信号处理模块400很容易将参考磁场信号从测到的信号中分离出来，由于参考磁场、被测磁场是通过完全相同的路径传输的，所有的干扰都是相同的，所以通过比较分析电源和信号处理模块400可以去除干扰信号，从而实现对载体上电流的正确测量，提高了测量的准确度。

实施例4

如图5所示，本实施例提供了一种光纤磁光探测方法，该方法以在实施例1提供的系统上实现为例进行说明，该方法包括：

步骤501，参考装置300在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

步骤502，磁光探头100检测测量点的磁场信号，将磁场信号转变为光信号，并承载在激光上发送，磁场信号为参考磁场信号和测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

步骤503，光纤装置200将磁光探头100发送的承载在上述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块400；

步骤504，电源和信号处理模块400接收到光信号后，将光信号转变为电信号，根据参考磁场信号对电信号进行解调和分析，得到测量点自身磁场信息和/或电流信息。

本实施例提供的方法通过在被测磁场信号上叠加参考磁场信号，使电源和信号处理模块400检测到的信号同时包括参考磁场信号和测量点的自身磁场信号，由于参考磁场信号已知的，电源和信号处理模块400很容易将参考磁场信号从测到的信号中分离出来，由于参考磁场、被测磁场是通过完全相同的路径传输的，所有的干扰都是相同的，所以通过比较分析电源和信号处理模块400可以去除干扰信号，从而实现对载体上电流的正确测量，提高了测量的准确度。

以上实施例中的磁光探头100中感知磁场的材料，可以是磁光玻璃，也可以是磁光晶体，也可以是光纤本身。磁光探头100在测量中的数量可以是一个也可以是多个。电源和信号处理模块400中可以设置一套光电探测器，也可以是多套，用于检测是否有光或电信号传输过来，该光电探测器可以应用差分等各种技术。所有这些变项，都不妨碍本实施例提供的系统的实施。尽管在上述实施例中采用磁光晶体测量系统进行描述，但并不妨碍对采用本发明精髓的各种应用的涵盖。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤磁光探测系统，其特征在于，所述系统包括：

参考装置，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头，用于检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在接收到的激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置，用于传输激光，并将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

电源和信号处理模块，用于发送激光，以及接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述磁光探头有两个，为第一磁光探头和第二磁光探头，分别对称地置于所述测量点的两侧；相应地，所述电源和信号处理模块包括：探测激光器，用于通过所述光纤装置向所述第一磁光探头和第二磁光探头发送激光；光电探测器，用于接收来自所述第一磁光探头和第二磁光探头的并承载在所述激光上的光信号，将所述光信号转变为电信号，并发送所述电信号；控制和信号处理模块，用于接收所述光电探测器发送的电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述电源和信号处理模块包括：参考激光器，用于在指定时间通过所述光纤装置向所述参考装置发送指定强度的参考激光信号；相应地，所述参考装置包括：光电转换模块，用于通过传导光纤接收来自所述电源和信号处理模块的参考激光信号，将所述参考激光信号转变为电流信号输出；以及套在所述第一磁光探头外面的第一线圈和套在所述第二磁光探头外面的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈通过导线串联，并接到所述光电转换模块的电流输出端以接收所述电流信号，用以产生幅值和形状已知的参考磁场信号。

2.一种光纤磁光探测系统，其特征在于，所述系统包括：

参考装置，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头，用于检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在接收到的激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置，用于传输激光，并将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

电源和信号处理模块，用于发送激光，以及接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述磁光探头有两个，为第一磁光探头和第二磁光探头，分别对称地置于所述测量点的两侧；相应地，所述电源和信号处理模块包括：探测激光器，用于通过所述光纤装置向所述第一磁光探头和第二磁光探头发送激光；光电探测器，用于接收来自所述第一磁光探头和第二磁光探头的并承载在所述激光上的光信号，将所述光信号转变为电信号，并发送所述电信号；控制和信号处理模块，用于接收所述光电探测器发送的电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述参考装置包括：采电模块，用于从所述测量点采集预设大小的电能，并输出采集的电能；参考信号调理模块，用于将所述采电模块输出的电能转换成幅值已知的参考电流；以及套在所述第一磁光探头外面的第一线圈和套在所述第二磁光探头外面的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈通过导线串联，并连接到所述参考信号调理模块的电流输出端以接收所述参考电流，用以产生幅值和形状已知的参考磁场信号。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述第一线圈和所述第二线圈之间串接有温度补偿器，用于补偿由于温度变化造成所述第一线圈和所述第二线圈的电阻变化。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光纤装置包括：

分光器，用于将所述探测激光器发送的激光分成两路，将两路激光分别发送至所述第一磁光探头和第二磁光探头。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述磁光探头中感知磁场的材料是磁光玻璃、磁光晶体或光纤。

6.一种光纤磁光探测方法，其特征在于，所述方法包括：

参考装置在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

所述电源信号和处理模块接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述磁光探头有两个，为第一磁光探头和第二磁光探头，分别对称地置于所述测量点的两侧；相应地，所述电源和信号处理模块包括：探测激光器，用于通过所述光纤装置向所述第一磁光探头和第二磁光探头发送激光；光电探测器，用于接收来自所述第一磁光探头和第二磁光探头的并承载在所述激光上的光信号，将所述光信号转变为电信号，并发送所述电信号；控制和信号处理模块，用于接收所述光电探测器发送的电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述电源和信号处理模块包括：参考激光器，用于在指定时间通过所述光纤装置向所述参考装置发送指定强度的参考激光信号；相应地，所述参考装置包括：光电转换模块，用于通过传导光纤接收来自所述电源和信号处理模块的参考激光信号，将所述参考激光信号转变为电流信号输出；以及套在所述第一磁光探头外面的第一线圈和套在所述第二磁光探头外面的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈通过导线串联，并接到所述光电转换模块的电流输出端以接收所述电流信号，用以产生幅值和形状已知的参考磁场信号。

7.一种光纤磁光探测方法，其特征在于，所述方法包括：

参考装置在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场信号；

磁光探头检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，并承载在激光上发送，所述磁场信号为所述参考磁场信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；

光纤装置将所述磁光探头发送的承载在所述激光上的光信号传送到电源和信号处理模块；

所述电源信号和处理模块接收到所述光信号后，将所述光信号转变为电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述磁光探头有两个，为第一磁光探头和第二磁光探头，分别对称地置于所述测量点的两侧；相应地，所述电源和信号处理模块包括：探测激光器，用于通过所述光纤装置向所述第一磁光探头和第二磁光探头发送激光；光电探测器，用于接收来自所述第一磁光探头和第二磁光探头的并承载在所述激光上的光信号，将所述光信号转变为电信号，并发送所述电信号；控制和信号处理模块，用于接收所述光电探测器发送的电信号，根据所述参考磁场信号对所述电信号进行解调和分析，得到所述测量点自身磁场信息和/或电流信息；

所述参考装置包括：采电模块，用于从所述测量点采集预设大小的电能，并输出采集的电能；参考信号调理模块，用于将所述采电模块输出的电能转换成幅值已知的参考电流；以及套在所述第一磁光探头外面的第一线圈和套在所述第二磁光探头外面的第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈通过导线串联，并连接到所述参考信号调理模块的电流输出端以接收所述参考电流，用以产生幅值和形状已知的参考磁场信号。

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