CN102929323A - 全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法 - Google Patents

全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法，包括光电信号处理单元、串接在光电信号处理单元中的光纤延迟线后的两个传感光纤环，其中一个传感光纤环为参考电流传感光纤环，另一个传感光纤环为被测电流传感光纤环，所述参考电流传感光纤环串接在光纤延迟线和被测电流传感光纤环之间，所述参考电流传感光纤环上绕有电流导线，电流导线的两端连接在一标准参考电流发生器上，所述标准参考电流发生器与光电信号处理单元进行通讯连接。本发明可以补偿系统因长期老化、高温变化引起的测量误差。

Description

全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法
技术领域
本发明与电力传输系统的智能化电流传感器或互感器有关，具体属于一种用于精密测量电流和动态监控电网安全的全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法。
背景技术
光纤电流传感器是未来智能电网的核心设备之一，自上世纪80年代初到现在，国内外很多高校、研究所及相关企业已经投入大量的人力、物力和财力对其进行研究开发，但迄今为止，还没有真正地形成大规模的推广和应用，其中核心问题是其精度或长期稳定性不能满足或无法达到电力工业的标准。光纤电流传感器的基本原理是利用法拉第效应，其具体技术是基于目前相对比较成熟的光纤陀螺技术，而二者之间的主要差别是传感光纤的特性不一样。在光纤陀螺中，传感光纤使用的是线保偏光纤，这种光纤目前在国内已经大量生产，并能满足陀螺产业的需求；而在光纤电流传感器中，传感光纤需要使用工艺复杂的保椭圆光纤，这种光纤做成的电流传感环，经远程温度补偿，精度可达到正负万分之四以内。我们知道，光纤电流传感器的结构主要由图1所示的两个核心部分组成，一是电流传感光纤；二是光电信号处理单元，二者缺一不可，互为核心部件。其中，光电信号处理单元包括光源、光电探测单元、信号处理单元、光纤耦合器、调制器、温度传感单元、数字输出单元和光纤延迟线（或者光纤延迟环，为线保偏光纤），光纤延迟线与电流传感光纤连接。尽管各研究单位已经做了很大的努力，但目前光电信号处理单元的稳定性还存在相当大的问题，特别是在低温情况下，问题还是相当的严重，单单确保光电信号处理单元的稳定性在正负千分之二内都很困难，更何况对整个传感器而言。传感器性能的不稳定主要由各类光器件长期使用性能变差、高低温情况的性能不稳定以及激光器波长的漂移等因素引起的，尽管可以采用保温或温控等措施，但仍然无法有效地抑制上述性能的不确定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全光纤电流传感器及电流闭环反馈校正方法，可以补偿光器件和光路因长期老化和温度变化引起的测量误差。
为解决上述技术问题，本发明的全光纤电流传感器，包括光电信号处理单元、串接在光电信号处理单元中的光纤延迟线后的两个传感光纤环，其中一个传感光纤环为参考电流传感光纤环，另一个传感光纤环为被测电流传感光纤环，所述参考电流传感光纤环串接在光纤延迟线和被测电流传感光纤环之间，所述参考电流传感光纤环上绕有电流导线，电流导线的两端连接在一标准参考电流发生器上，所述标准参考电流发生器与光电信号处理单元进行通讯连接。
在上述结构中，所述全光纤电流传感器为反射式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片、参考电流传感光纤、四分之一波片和线保偏光纤，被测电流传感光纤环包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片和被测电流传感光纤，被测电流传感光纤的末端镀有反射膜。
或者，所述全光纤电流传感器为直通式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环均包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片、电流传感光纤、四分之一波片和线保偏光纤。
进一步的，所述四分之一波片也可由光偏振态变换波片或其它分数波片（如十六分之三或十六分之五波片等）代替。
更优选的，所述全光纤电流传感器为反射式光纤电流传感器，参考电流传感光纤环依次包含一螺旋速率上升段光纤、一螺旋速率匀速段光纤和一螺旋速率下降段光纤，其中螺旋速率上升段光纤和螺旋速率下降段光纤为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤；所述螺旋速率上升段光纤起点和螺旋速率下降段光纤起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤终点与螺旋速率下降段光纤终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合；所述被测电流传感光纤环依次包含一线保偏光纤、一变速螺旋段光纤和一匀速螺旋段光纤，其中变速螺旋段光纤向线保偏光纤过渡的一端的螺旋速率为零，向匀速螺旋段光纤过渡的一端的螺旋速率为设定最高值，匀速螺旋段光纤为螺旋速率为设定最高值的对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤，其末端镀有反射膜；所述变速螺旋段光纤位于一磁场屏蔽管中，所述匀速螺旋段光纤的末端紧靠磁场屏蔽管的外侧，且反射膜与磁场屏蔽管的末端面对齐。其中，磁场屏蔽管的长度大于等于变速螺旋段光纤的长度。
或者优选的，所述全光纤电流传感器为直通式光纤电流传感器，参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环均依次包含一螺旋速率上升段光纤、一螺旋速率匀速段光纤和一螺旋速率下降段光纤，其中螺旋速率上升段光纤和螺旋速率下降段光纤为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤；所述螺旋速率上升段光纤起点和螺旋速率下降段光纤起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤终点与螺旋速率下降段光纤终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合。
本发明还提供一种全光纤电流传感器的电流闭环反馈校正方法，其中：
标准参考电流发生器产生穿过参考电流传感光纤环的参考电流IR，通过光电信号处理单元和参考电流传感光纤环测得的参考电流传感信号为VR；
所述被测电流传感光纤环环内有电流通过时，通过光电信号处理单元和被测电流传感光纤环测得的被测电流传感信号为VT，则通过被测电流传感光纤环的被测电流IT可表示为IT＝IR×(VT/VR)。
本发明中的全光纤电流传感器抗干扰性增强，并且可以补偿光器件和光路因长期老化、高温变化所引起的测量误差，通过闭环反馈实现被测电流的实时校正。
附图说明
图1是传统的反射式光纤电流传感器的结构示意图；
图2是本发明的反射式光纤电流传感器的结构示意图；
图3是本发明的直通式光纤电流传感器的结构示意图；
图4是反射式或直通式光纤电流传感器的参考电流传感光纤环的一种结构示意图，同时也是直通式光纤电流传感器中被测电流传感光纤环的结构示意图；
图5是本发明中反射式光纤电流传感器的被测电流传感光纤环的一种结构示意图；
图6是反射式或直通式光纤电流传感器的参考电流传感光纤环的另一种结构示意图，同时也是直通式光纤电流传感器中被测电流传感光纤环的结构示意图；
图7是制成图6中传感光纤环的传感光纤的结构示意图；
图8是本发明中反射式光纤电流传感器的抗干扰被测电流传感光纤环的另一种结构示意图；
图9是制成图8中传感光纤环的传感光纤的结构示意图。
其中附图标记说明如下：
A1为第一线保偏光纤；B1为第一四分之一波片；C1为参考电流传感光纤；D1为第二四分之一波片；E1为第二线保偏光纤；A2为第三线保偏光纤；B2为第三四分之一波片；C2为被测电流传感光纤；A3为螺旋速率上升段光纤；B3为螺旋速率匀速段光纤；C3为螺旋速率下降段光纤；A4为线保偏光纤；B4为变速螺旋段光纤；C4为匀速螺旋段光纤。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种全光纤电流传感器，包括光电信号处理单元，包括与光电信号处理单元中的光纤延迟线串接的两个传感光纤环，其中一个传感光纤环为参考电流传感光纤环，另一个为被测电流传感光纤环，所述参考电流传感光纤环串接在光纤延迟线和被测电流传感光纤环之间，其始端与光电信号处理单元的光纤延迟线末端相熔接，末端与被测电流传感光纤环的始端相熔接。参考电流传感光纤环上绕有电流导线，电流导线的两端连接在一标准参考电流发生器上，所述标准参考电流发生器与光电信号处理单元进行通讯连接。
图2所示为本发明的一种反射式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环，如图4所示，包括依次相熔接的第一线保偏光纤A1、第一四分之一波片B1、参考电流传感光纤C1、第二四分之一波片D1和第二线保偏光纤E1，参考电流传感光纤C1的长度通常根据实际需要来决定。被测电流传感光纤环，如图5所示，包括依次相熔接的第三线保偏光纤A2、第三四分之一波片B2和被测电流传感光纤C2，被测电流传感光纤C2的长度也是根据实际需要来决定。第一线保偏光纤A1的始端与光电信号处理单元的光纤延迟线的末端熔接，第二线保偏光纤E1的末端与第三线保偏光纤A2的始端熔接，被测电流传感光纤C2的末端镀有反射膜。前述三个四分之一波片B1、D1和B2也可由光偏振态变换波片或其它分数波片（如十六分之三或十六分之五波片等）代替。
从图2中的反射式光纤电流传感器中我们发现，总共包含了三个四分之一波片（这三个四分之一波片可以将线偏振光变换成圆偏振光或椭圆偏振光，反之亦然；当它能把一个线偏振光变换成圆偏振光时，我们称它为四分之一波片，在实际情况下都是变换成椭圆，或是将椭圆偏振变态换成线偏振态，所以这类波片可统称为分数波片），这比图1中传统结构多了两个四分之一波片，众所周知的，四分之一波片是非常难以制作的，主要是难以控制其工艺重复性和一致性。因此，较佳的实施方式中，参考电流传感光纤环由一传感光纤绕制而成，如图7所示，该传感光纤依次包含一线保偏光纤、一螺旋速率上升段光纤A3、一螺旋速率匀速段光纤B3、一螺旋速率下降段光纤C3和一线保偏光纤，其中螺旋速率上升段光纤A3和螺旋速率下降段光纤C3为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤B3为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤，其长度可根据实际需要来确定。在构成参考电流传感光纤环时，如图6所示，螺旋速率上升段光纤A3的起点和螺旋速率下降段光纤C3的起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤A3的终点与螺旋速率下降段光纤C3的终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合，以避免外部磁场的干扰，该结构和性能已在申请号为201110331241.0的发明专利申请“传感光纤、传感光纤环及直通型全光纤电流传感器”中详细描述。被测电流传感光纤环由一传感光纤绕制而成，如图9所示，该传感光纤依次包含一线保偏光纤A4、一变速螺旋段光纤B4和一匀速螺旋段光纤C4，变速螺旋段光纤B4向线保偏光纤A4过渡的一端的螺旋速率为零（或者接近于零），向匀速螺旋段光纤C4过渡的一端的螺旋速率为设定最高值；匀速螺旋段光纤C4为螺旋速率为设定最高值的对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤，其末端镀有反射膜,长度可根据实际需要来确定。构成被测电流传感光纤环时，如图8所示，变速螺旋段光纤B4位于一磁场屏蔽管中，以防止外磁场的干扰，匀速螺旋段光纤C4的末端紧靠磁场屏蔽管的外侧，且反射膜与磁场屏蔽管的末端面对齐，通常磁场屏蔽管的长度大于等于变速螺旋段光纤B4的长度。该结构和性能已在申请号为201220273939.1的实用新型专利申请“抗干扰传感光纤及具有该传感光纤的传感光纤环”中详细描述。
图3所示为本发明的一种直通式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环的结构相同，如图4所示，包括依次相熔接的第一线保偏光纤A1、第一四分之一波片B1、参考电流传感光纤C1、第二四分之一波片D1和第二线保偏光纤E1，参考电流传感光纤C1的长度通常根据实际需要来决定。所述四个四分之一波片也可由光偏振态变换波片或其它分数波片（如十六分之三或十六分之五波片等）代替。
当然，较佳的实施方式，参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环由一传感光纤绕制而成，如图7所示，该传感光纤依次包含一线保偏光纤、一螺旋速率上升段光纤A3、一螺旋速率匀速段光纤B3、一螺旋速率下降段光纤C3和一线保偏光纤，其中螺旋速率上升段光纤A3和螺旋速率下降段光纤C3为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤B3为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤，其长度可根据实际需要来确定。构成参考电流传感光纤环时，如图6所示，螺旋速率上升段光纤A3的起点和螺旋速率下降段光纤C3的起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤A3的终点与螺旋速率下降段光纤C3的终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合，以避免外部磁场的干扰。
如图2所示，将一个标准参考电流发生器的导线穿过参考电流传感光纤环，如需提高通过其中的电流值，只要增加穿过电流导线的匝数，就可形成所谓的电流螺线管。输入恒定的参考电流，该参考电流可以通过一个精密电阻被精确测得（即为已知的参考电流IR），当输入的参考电流不变时，通过光电信号处理单元和参考电流传感光纤环所测得的已知参考电流的参考电流传感信号VR也应该是不变的，如果VR有变化，就说明由光路中的器件性能或其它综合性能变化引起的。当有被测电流IT通过被测电流传感光纤环时，通过光电信号处理单元和被测电流传感环测得的被测电流传感信号为VT，因此通过闭环反馈可得被测电流IT＝IR·(VT/VR)，这样就可以实现被测电流的实时或动态测量校正，实际校正的时间间隔可以在一分钟以上。当被测电流传感光纤环有被测电流通过时，其测量结果只受被测电流传感光纤环的温度特性影响，而这一影响目前可以用温度补偿来实现。由于参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环是共享一个光电信号处理单元的，因而光电信号处理单元引起的误差被实时校正，这个功能可以通过电路信号处理简单实现。
以上通过具体实施例对本发明的内容进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。对本领域的技术人员来说，本发明的保护范围还包括那些在不脱离本发明原理的情况下所作出的各种变形和改进。

Claims (8)

1.一种全光纤电流传感器，包括光电信号处理单元，其特征在于，包括在光电信号处理单元中的光纤延迟线后串接的两个传感光纤环，其中一个传感光纤环为参考电流传感光纤环，另一个传感光纤环为被测电流传感光纤环，所述参考电流传感光纤环串接在光纤延迟线和被测电流传感光纤环之间，所述参考电流传感光纤环上绕有电流导线，电流导线的两端连接在一标准参考电流发生器上，所述标准参考电流发生器与光电信号处理单元进行通讯连接。
2.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述全光纤电流传感器为反射式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片、参考电流传感光纤、四分之一波片和线保偏光纤，被测电流传感光纤环包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片和被测电流传感光纤，被测电流传感光纤的末端镀有反射膜。
3.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述全光纤电流传感器为直通式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环均包括依次熔接的线保偏光纤、四分之一波片、电流传感光纤、四分之一波片和线保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述全光纤电流传感器为反射式光纤电流传感器；其中
参考电流传感光纤环依次包含一螺旋速率上升段光纤、一螺旋速率匀速段光纤和一螺旋速率下降段光纤，其中螺旋速率上升段光纤和螺旋速率下降段光纤为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤；所述螺旋速率上升段光纤起点和螺旋速率下降段光纤起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤终点与螺旋速率下降段光纤终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合；
被测电流传感光纤环依次包含一线保偏光纤、一变速螺旋段光纤和一匀速螺旋段光纤，其中变速螺旋段光纤向线保偏光纤过渡的一端的螺旋速率为零，向匀速螺旋段光纤过渡的一端的螺旋速率为设定最高值，匀速螺旋段光纤为螺旋速率为设定最高值的对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤，其末端镀有反射膜；所述变速螺旋段光纤位于一磁场屏蔽管中，所述匀速螺旋段光纤的末端紧靠磁场屏蔽管的外侧，且反射膜与磁场屏蔽管的末端面对齐。
5.根据权利要求4所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述磁场屏蔽管的长度大于等于变速螺旋段光纤的长度。
6.根据权利要求1所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述全光纤电流传感器为直通式光纤电流传感器，其中参考电流传感光纤环和被测电流传感光纤环均依次包含一螺旋速率上升段光纤、一螺旋速率匀速段光纤和一螺旋速率下降段光纤，其中螺旋速率上升段光纤和螺旋速率下降段光纤为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同，螺旋速率匀速段光纤为对磁场敏感的保椭圆偏振光纤或保圆光纤；所述螺旋速率上升段光纤起点和螺旋速率下降段光纤起点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，螺旋速率上升段光纤终点与螺旋速率下降段光纤终点位于参考电流传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合。
7.根据权利要求2或3所述的全光纤电流传感器，其特征在于，所述四分之一波片由光偏振态变换波片代替。
8.如权利要求1所述的全光纤电流传感器的电流闭环反馈校正方法，其特征在于，
标准参考电流发生器产生穿过参考电流传感光纤环的参考电流IR，通过光电信号处理单元和参考电流传感光纤环测得的参考电流传感信号为VR；
所述被测电流传感光纤环环内有被测电流通过时，通过光电信号处理单元和被测电流传感光纤环测得的被测电流传感信号为VT，则通过被测电流传感光纤环的被测电流IT可表示为IT＝IR×(VT/VR)。
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