CN102967747A - 双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免温度补偿的电流测量方法，利用调制解调时分复用技术，对具有两个不同温度特性的光纤传感环的传感支路同时进行调制解调，获得两个传感环的测量值，再根据该两个传感环的温度模型进行数字计算获得最终测量值。本发明还公开了实现上述方法的装置，包括光源、光纤耦合器、双通道相位调制器、线双折射光纤延迟线、两个具有不同温度特性的传感光纤环、探测器以及电气信号解调单元，双通道相位调制器的两调制通道分别与一双折射光纤延迟线、一传感光纤环构成两传感支路。本发明利用两个不同温度性能光纤环对应的测试电流解调值计算得出消除了环温度影响的测量电流值，保证了全温范围内的精确性、可靠稳定性。

Description

双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域与光电技术领域，特别是涉及一种双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器及方法。

背景技术

在智能电网与数字化变电站建设的背景下，用作电力线电流测量的电子式电流互感器是重要的设备之一。当前电子式互感器主要分为有源式电子式互感器和无源式电子式互感器，其中无源式电子式互感器采用光学传感原理进行电流测量，具有无电磁干扰、动态范围大、可测直流等有源式电子式互感器无法比拟的优点，因此受到工业界广泛的重视。

无源式的光学电流互感器主要有两种方案，一种是偏振检测方案，一种是塞格纳克（Sagnac）干涉型检测方案。比较其他方案，基于反射式Sagnac干涉型数字闭环检测方案的光学电流互感器，具有检测精度高，稳定性强等优点，是目前成功投用的主要的无源式电子式互感器。NxtPhase公司与ABB在此方面进行了大量基本问题以及实际工程研究，如James N.Blake等人制作的光纤电流互感器已经实现了挂网应用（Applications ofHigh-Voltage Fiber Optic current sensor，Power Engineering Society GeneralMeeting,2006.IEEE）。南瑞航天电气与南瑞继保电气也推出了基于干涉检测型的光纤电流互感器，并在高压输电网与智能网获得了一定程度得实际应用。

基于干涉型数字闭环检测方案的光学电流互感器，目前其核心部件光纤传感环主要采用光纤λ/4波片和低双折射光纤的制作方案。λ/4波片采用截取四分之一拍长的高双折射保偏光纤制作，其中，采用椭圆芯高双折射制作非精确的λ/4波片可以实现对传感光纤磁光效应的温度补偿，从而制成全温度范围内满足测量要求的光纤传感环（Temperature and vibrationinsensitive fiber-optic current sensor，JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.20,NO.2,FEBRUARY2002）。但是，由于制作波片采用的高双折射光纤拍长与熔接时熔接机放电电弧功率的均匀性，很难获得所需要的波片延迟度；其次，采用该方案的电流传感环传感强度比易受应力双折射的影响，并且这种应力双折射受外部环境温度的影响，在实际的应用场景中，恶劣的外部环境给系统的精度以及温度性能稳定性造成了隐患。根据实际投入使用该类型电流互感器故障调查显示，主要表现为传感环的精度漂移与温度性能故障。

公开号为CN201589873U的中国实用新型专利公开了一种光纤电流传感环用传感光纤，该光纤采用为一种特殊的旋转高双折射保偏光纤，由不旋转部分、匀变速旋转部分以及匀速旋转部分三个部分组成，其中匀变速旋转中的最高旋转率与匀速旋转率相同。该光纤可以替换λ/4波片和低双折射光纤方案，匀变速旋转部分起到类似于光偏振态转变的作用。采用该光纤制作的传感环具有良好的抗应力双折射作用和稳定的温度特性，其不足之处在于全温范围内，该光纤的传感效应比的变化量大于电子式互感器测量要求精度范围，无法满足电子式互感器的测量要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种免温度补偿的电流测量方法，其在全温度范围内具有高精度的特点。

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种具有双传感支路，采用干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器，其在全温度范围内具有高精度的特点。

一种免温度补偿的电流测量方法，具体为：

光源发出的光经分别进入两传感支路，两传感支路中的传感光纤环具有不同的温度特性，且在光纤末端均镀有金属反射膜；

在每一传感支路中，将光变成两束等强度且相互正交的线偏振光，并通过调制驱动信号对两线偏振光的相位差进行调制；调制得到的两线偏振光进入传感光纤环，传感光纤环将两线偏振光分别转换为左旋与右旋椭圆偏振光，在探测电流磁场的作用下左旋与右旋椭圆偏振光产生电流作用的相位差，并经过光纤末端的金属反射膜反射使得相位差加倍后再变回两束正交线偏振光，带有电流作用的相位差信息的两束正交线线偏振光发生干涉产生后两光强度信号；

将两光强度信号转换为两电信号，对两电信号进行信号预处理和解调得到两电流相对强度值；依据两电流信息相对强度值生成两传感支路的调制驱动信号，并对两电流信息相对强度值进行滤波、比例系数调整以及测试电流值计算得到电流测量值。

进一步地，所述电流测量值

其中，I₁＝I·k₁·(T-T₀)+I，I₂＝I·k₂·(T-T₀)+I，k₁，k₂分别为两传感光纤环的磁光感应强度关于温度的变化率，I为传感光纤环无温度效应对应的电流测量值，T₀为标定温度。

一种双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器，包括光源、光纤耦合器、双通道相位调制器、线双折射光纤延迟线、两个具有不同温度特性的传感光纤环、探测器以及电气信号解调单元；

光源连接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的两输出端分别与双通道相位调制器的两输入端相连，双通道相位调制器的两输出端分别相连第一，二双折射光纤延迟线，第一，二延迟环分别连接光纤传感环中的第一，二传感光纤环，两传感光纤环末端均镀有金属反射膜；双通道相位调制器的第一调制通道与第一双折射光纤延迟线、第一传感光纤环构成传感支路一，双通道相位调制器的第二调制通道与第二双折射光纤延迟线、第二传感光纤环构成传感支路二；光纤耦合器与输入端同侧的另一端口连接探测器的输入端；探测器的输出端连接电气信号解调单元的输入端；电气信号解调单元的两调制驱动信号输出端分别一一连接双通道相位调制器的两调制通道电控制端口。

进一步地，所述传感光纤环由特殊旋转熊猫型高双折射光纤、电磁屏蔽管和金属反射膜构成，特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分以及匀速旋转率三部分，匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同，匀变旋转率部分套在电磁屏蔽管中；两传感光纤环的匀变旋转率部分感应光纤的法拉第感应强度关于温度的变化率不相同。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用的传感光纤环，无需光纤四分之一波片，通过光纤自身的偏振特性实现偏振态的转变，并且其偏振转换特性取决于光纤的结构特征，具有温度稳定性好抗应力性等优点，从而保证了光纤互感器温度性能与长期稳定性。在系统控制与信号处理方面，采用时分复用的数字闭环调制解调技术可以有效的实现对两个不同温度特性的传感光纤环的感应电流（即待测试电流）精确解调，并且可利用两个不同温度性能光纤环对应的测试电流解调值计算得出消除了环温度影响的测量电流值。这些特点有效的保证了本发明提出的光纤电流互感器在全温范围内的精确性、可靠稳定性。

附图说明

图1为本发明双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器的结构示意图；

图2为本发明具体实施提供的电气信号调制解调单元示意图；

图3为本发明具体实施提供的相位调制器一调制信号波形图；

图4为本发明具体实施提供的相位调制器二调制信号波形图；

图5为本发明具体实施的数字计算原理图。

具体实施方式

本发明的技术原理是：本发明光纤电流互感器的本质是利用调制解调时分复用技术，对互感器中具有两个不同温度特性的光纤传感环的传感支路同时进行调制解调，获得两个传感环的测量值，再根据该两个传感环的温度模型进行数字计算处理获得最终的测量值。

下面结合附图对本发明进行具体实施说明。

如图1所示，为本发明双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器的结构示意图。包括SLED光源1、2×2光纤耦合器2、双通道相位调制器3、线双折射光纤延迟线4、具有两个不同温度特性的传感光纤环的光纤传感环5、探测器6以及电气信号解调单元7；SLED光源1接到光纤耦合器2的输入端；光纤耦合器2两输出端分别与双通道相位调制器3的两输入端相连，双通道相位调制器3的两输出端分别相连两个双折射光纤延迟线41和42，两个延迟环41和42分别连接光纤传感环5中的两根传感光纤51和52，两个传感光纤末端分别镀反射膜53和54；双通道相位调制器（3）的一个通道与双折射光纤延迟线41、传感光纤环51构成传感支路一，双通道相位调制器3的另一个通道与双折射光纤延迟线42、传感光纤环52构成传感支路二，传感支路一与传感支路二具有相同光渡越时间τ；光纤耦合器2与输入端同侧的另一端口连接到探测器6的输入端；探测器6的输出端将电信号输出给电气信号解调单元7；电气信号解调单元7输出的两路电信号分别输入到双通道相位调制器3的电控制端口。

本发明所述的双通道相位调制器3具有两路调制通道，每一路通道分别具有独立的输入、偏振、调制及输出功能，且对应一对调制驱动信号电输入端口。在任一个通道中，偏振方向与调制器轴向成45°角度，进入调制部分后，光以等强度且相互正交的两种模式进行传播，并且通过调制驱动信号可对两种传播模式的相位差进行调制。

传感光纤环51由特殊旋转熊猫型高双折射光纤、电磁屏蔽管、金属反射膜构成，特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分以及匀速旋转率三部分，匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同，匀变旋转率部分套在电磁屏蔽管中，匀变旋转率部分感应光纤的法拉第感应强度关于温度的变化率为k1；传感光纤环52由特殊旋转椭圆芯型高双折射光纤、电磁屏蔽管、金属反射膜构成，特殊旋转椭圆芯型线双折射光纤依次包括不旋转部分、匀变速旋转率部分以及匀速旋转率三部分，匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同，匀变旋转率部分套在电磁屏蔽管中，匀变旋转率部分感应光纤的法拉第感应强度关于温度的变化率为k₂；k₁≠k₂；其金属反射膜可为金、银、铜等。

所述的电气信号调制解调单元7包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、两路调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块。光电信号调理与模数转换模块完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变；信号解调模块完成传感支路一与传感支路二中所感应的电流值解调；两路调制驱动模块分别完成传感支路一与传感支路二的调制信号生成与输出；数字计算模块对两路光纤环的电流解调值进行滤波、比例系数调整以及测试电流值计算。

下面结合上述对该实施结构特性对该发明的实施机制进行具体描述。

所述的光源发出的光经过耦合器分别进入调制器的两个通道，即分别进入两个传感支路。在调制器的任一通道内，光经过起偏后转变成线偏振光，且以偏振方向与相位调制器中调制晶体轴向成45°角度，进入调制波导部分时变成了两束相互正交的线偏振光，在对应的调制信号驱动下，光经过调制区域中时其两相互正交的线偏振光的相位差得到调制，偏振光出调制器后经过线双折射延迟线后进入传感光纤环中。其中传感光纤环的变速旋转线性双折射光纤部分，将两正交线偏振光分别转换成左旋与右旋椭圆偏振光，且左旋与右旋椭圆偏振光具有相同的椭圆度，其椭圆度由未旋转线性双折射光纤的拍长与变速旋转过程的特征决定。左右旋椭圆偏振光进入匀速旋转率线性双折射光纤部分，在这部分光纤的传播过程中，左旋与右旋椭圆偏振光的传播速度受到探测电流磁场的作用，使左旋与右旋圆偏振光产生一定的相位差，左旋与右旋圆偏振光达到反射镜即金属膜后发生反射，并且交换传输通道，回传到匀速旋转率部分，其产生的相位差加倍。再次经过匀变旋转率部分两束光变回相互正交的线偏振光。其回传输至起偏处时，带有电流产生的相位差信息的两束正交线性偏振光发生干涉，其干涉产生后的光强度进入到探测器中。两个传感支路的光传输特性具有相同的性质。

在本实施中，SLED光源1为低偏SLED光源，功率为500uW；2×2光纤耦合器2为分光比是1:1的单模光纤耦合器，实际分光比偏离1:1对本实施功能没有影响，记进入传感支路一的功率为A，记进入传感支路二的功率为B。该实施光路系统中进入探测器的光可用如下公式表示：

L₁，L₂分别为传感支路一与传感支路二损耗系数与探测器响应系数乘积；

分别为传感支路一与传感支路二相位调制器产生的相位值，具体由偏置调制相位与反馈调制相位叠加合成，

为支路一偏置调制相位，

为支路一反馈调制相位，

为支路二偏置调制相位，为支路二反馈调制相位;

分别对应的调制电压分别为V_Ms1，V_Mi1，V_Ms2，V_Mi2，参见图3和图4；

分别为传感支路一与传感支路二在测试电流磁场的法拉第效应作用下产生的相位。

如图2，为本发明电气信号调制解调单元原理框图。探测器信号进入光电信号调理与模数转换模块，完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变；然后在信号解调模块完成对传感支路一与传感支路二中所感应的电流值进行解调，获得电流信息的相对强度值；电流信息的相对强度值分别给两路调制驱动模块与数字计算模块，根据所获得的电流信息相对强度值在两路调制驱动模块调制下分别完成传感支路一与传感支路二的调制信号生成与输出；数字计算模块对两路感应环的电流解调值进行滤波、比例系数调整以及测试电流值计算；最终，计算所得的测试电流值进入输出模块控制输出。

如图3、图4，对具体实施的信号解调模块与调制驱动模块功能实现原理与技术手段进行说明。为实现对两个传感支路的闭环调制解调，以光路的渡越时间的两倍2τ作为调制解调周期，具体信号特每周期分四个区间内0-τ/2，τ/2-τ，τ-3τ/2，3τ/2-2τ，调制驱动模块一的驱动信号强度的偏置调制部分分别为

0，

0，调制驱动模块二的驱动信号强度分别为0，

0，

经过闭环调制后，获得周期为2τ的待解调信号。

解调周期同样为2τ，每解调周期内四个区间探测器获得光信号分别为

通过S₁-S₃，S₂-S₄，获得新的解调周期内的电流变化引起两个传感环中的相位偏移

通过

与

可分别获得当前时刻传感光纤环51与传感光纤环52的感应电流信号相对强调解调值，乘上调制系数后作为调制信号中反馈电流相位调制信号部分，即上所表述的与

调制系数根据系统设计的额定等级以及互感器标准要求在系统标定时调试确定。

根据获得的电流信号相对强度值

与

在数字计算模块中对其分别进行滤波以及进行指定温度T₀（一般选择常温）下的标定，这样两个传感支路的分别所测的电流值I₁、I₂在温度点T₀下具有相同值，记传感环无温度效应对应的测量值为I，则I与I₁、I₂满足如下关系，如图5，

I₁＝I·k₁·(T-T₀)+I（3-1）

I₂＝I·k₂·(T-T₀)+I（3-2）

k₁，k₂分别为传感环51和传感环52的磁光感应强度关于温度的变化率。

由公式（1）（2）可得到准确的无温度效应的测试电流值，

$I=\frac{k_1\·I_2-k_2\·I_1}{k_1-k_2}---\left(4\right)$

通过对公式（4）的计算，可获得实际的与光纤传感环温度特性无关的测试电流值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种免温度补偿的电流测量方法，具体为：

光源发出的光经分别进入两传感支路，两传感支路中的传感光纤环具有不同的温度特性，且在光纤末端均镀有金属反射膜；

在每一传感支路中，将光变成两束等强度且相互正交的线偏振光，并通过调制驱动信号对两线偏振光的相位差进行调制；调制得到的两线偏振光进入传感光纤环，传感光纤环将两线偏振光分别转换为左旋与右旋椭圆偏振光，在探测电流磁场的作用下左旋与右旋椭圆偏振光产生电流作用的相位差，并经过光纤末端的金属反射膜反射使得相位差加倍后再变回两束正交线偏振光，带有电流作用的相位差信息的两束正交线线偏振光发生干涉产生后两光强度信号；

将两光强度信号转换为两电信号，对两电信号进行信号预处理和解调得到两电流相对强度值；依据两电流信息相对强度值生成两传感支路的调制驱动信号，并对两电流信息相对强度值进行滤波、比例系数调整以及测试电流值计算得到电流测量值。

2.根据权利要求1所述的免温度补偿光纤电流互感器的电流测量方法，其特征在于，所述电流测量值

其中，I₁＝I·k₁·(T-T₀)+I，I₂＝I·k₂·(T-T₀)+I，k₁，k₂分别为两传感光纤环的磁光感应强度关于温度的变化率，I为传感光纤环无温度效应对应的电流测量值，T₀为标定温度。

3.一种双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器，包括光源、光纤耦合器、双通道相位调制器、线双折射光纤延迟线、两个具有不同温度特性的传感光纤环、探测器以及电气信号解调单元；

光源连接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的两输出端分别与双通道相位调制器的两输入端相连，双通道相位调制器的两输出端分别相连第一，二双折射光纤延迟线，第一，二延迟环分别连接光纤传感环中的第一，二传感光纤环，两传感光纤环末端均镀有金属反射膜；双通道相位调制器的第一调制通道与第一双折射光纤延迟线、第一传感光纤环构成传感支路一，双通道相位调制器的第二调制通道与第二双折射光纤延迟线、第二传感光纤环构成传感支路二；光纤耦合器与输入端同侧的另一端口连接探测器的输入端；探测器的输出端连接电气信号解调单元的输入端；电气信号解调单元的两调制驱动信号输出端分别一一连接双通道相位调制器的两调制通道电控制端口。

4.根据权利要求3所述的免温度补偿光纤电流互感器，其特征在于，所述传感光纤环由特殊旋转熊猫型高双折射光纤、电磁屏蔽管和金属反射膜构成，特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分以及匀速旋转率三部分，匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同，匀变旋转率部分套在电磁屏蔽管中；两传感光纤环的匀变旋转率部分感应光纤的法拉第感应强度关于温度的变化率不相同。

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