CN103792410B - 一种提高光纤电流传感器测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，首先根据敏感线圈的应变和线性双折射率的表征参数对其进行了分类，进一步得到应变参数[ε]、线性双折射参数[δ]与光纤电流传感器电流比值误差[Y]之间的关系，然后通过热时效和振动时效对不同表征现象的敏感线圈进行了处理，得到每一类敏感线圈时效处理的最佳试验参数，该方法通过正交试验得到敏感线圈时效处理的最佳试验参数，实现敏感线圈的稳定性，改善了敏感线圈的比例因子性能，使其达到稳定状态，从而提高光纤电流传感器的精度，解决了光纤电流传感器工程化的问题。

Description

一种提高光纤电流传感器测量精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，属于光纤电流传感器技术领域。

背景技术

光纤电流传感器是一种基于磁光法拉第(Faraday)效应的全光纤结构的光学传感器件，与传统电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有线性度好、动态范围大、抗干扰能力强、绝缘性能好、无磁饱和、频带宽、体积小、重量轻等优点，这些优点使其在大电流和高电压的测量应用中具有广阔的前景。但是其本身易受干扰的问题难以解决，从而使其精度难以保证，在实际应用中，环境温度和振动等外界因素对测量准确度的影响较大。

敏感线圈是光纤电流传感器的敏感元件和传感核心，其温度的稳定性和抗干扰的能力直接影响着光纤电流传感器比例因子的长期稳定性。由于光纤电流传感器的比例因子性能会随着敏感线圈应力的变化而变化，而敏感线圈应力的变化比较复杂，绕制过程中所用张力、敏感线圈骨架的直径、离散度的大小、线圈层之间的作用力等都会影响敏感线圈的应力变化特性。敏感线圈应力的变化直接会导致光纤电流传感器电流比值误差的问题，所以保持敏感线圈应力变化的稳定性是一个急需解决的问题。

目前采用幅值变化量表征光纤环的应力幅值，平均值法表征光纤环的应力不对称度，这些方法容易引起测试点取点误差、仪器误差、偶然现象等引起的随机误差；在综合时效处理中，采用了随机振动的方法，该方法试验时间较长，不能快速找到去除应力的共振点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，该方法通过正交试验得到敏感线圈时效处理的最佳试验参数，实现敏感线圈的稳定性，提高光纤电流传感器的精度和比例因子的长期稳定性，解决了光纤电流传感器工程化的问题。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，包括下列步骤：

步骤（一）、测试n个敏感线圈的应力表征参数，并根据应力表征参数对n个敏感线圈进行分类，所述应力表征参数包括应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]；其中应变参数根据取值范围分为M类，线性双折射参数根据取值范围分为M类，n个敏感线圈共分为M²类；其中n、M均为正整数，且n≥2，M≥2；

步骤（二）、将n个敏感线圈分别安装在光纤电流传感器，并分别测试光纤电流传感器的电流比值误差[Y]，得到应变参数[ε]、线性双折射参数[δ]与光纤电流传感器电流比值误差[Y]之间的关系式：

[Y]=k₁[ε]+k₂[δ]（1）

通过最小二乘法拟合系数k₁和k₂，并将k₁和k₂分别作为n个敏感线圈的应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]的系数；

步骤（三）、采用热时效和振动时效对步骤（一）中分类后的n个敏感线圈进行综合时效处理，其中n个敏感线圈分为M²类，每一类敏感线圈的具体处理方法为：

从该类敏感线圈中选择一个敏感线圈，采用慢速温变温度循环、振动扫频以及快速温变温度循环相结合的方法进行P次正交试验，每次正交试验结束后，分别测试敏感线圈的应变参数[ε]’和线性双折射参数[δ]’，并根据公式（1）计算光纤电流传感器的电流比值误差[Y]’，得到P个电流比值误差值[Y]’，取所述P个电流比值误差值[Y]’中的最小值Y_min所对应的试验参数作为该类敏感线圈时效处理的最佳试验参数，所述试验参数包括慢速温变温度循环次数、振动扫频范围和快速温变温度循环次数。

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（一）中应变参数根据取值范围分为三类，即小于100με为A类，100-200με为B类，200-500με为C类；线性双折射参数根据取值范围分为三类，即小于10^-7为X类，大于10^-6为Z类，介于二者之间的为Y类，所述n个敏感线圈共分为9类。

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（一）中敏感线圈应变参数[ε]也可以通过如下公式计算得到：

$\mathrm{n\μ\ϵ}=\left(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\right)\×{10}^6---\left(2\right)$

其中：n为敏感线圈应变的个数，με表示微应变参数，ΔL为敏感线圈长度变化量，L为敏感线圈长度。

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（二）中采用的最小二乘法是使残差的平方和达到最小，即令Q最小：

$Q={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^n{e}_m^2---\left(3\right)$

其中：e_m为残差，m为正整数；

已知[Y]是关于自变量[ε]和[δ]以及待定参数k₁和k₂形式的函数：

[Y]=f([ε],[δ],k₁,k₂)（4）

其中已知：

[ε]=ε₁,ε₂,……ε_n（5）

[δ]=δ₁,δ₂,……δ_n（6）

[Y]=Y₁,Y₂,……Y_n（7）

通过以下方程组拟合出系数k₁和k₂，以满足最小：

Y₁=k₁ε₁+k₂δ₁

Y₂=k₁ε₂+k₂δ₂。

……

Y_n=k₁ε_n+k₂δ_n

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（三）中慢速温变温度循环中变温范围为-50～80℃，慢速速率为3～4℃/min；快速温变温度循环中速率为5～15℃/min。

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（三）中振动扫频中的扫频振动范围为：1～2kHz，2～3kHz，3～4kHz。

在上述提高光纤电流传感器测量精度的方法中，步骤（三）中共进行27次试验，分别为固定慢速温变温度循环次数、变化振动扫频范围和快速温变温度循环次数；固定振动扫频范围、变化慢速温变温度循环次数和快速温变温度循环次数；固定快速温变温度循环次数、变化慢速温变温度循环次数和振动扫频范围，去除重复性试验，共进行9次正交试验，即P=9。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明光纤电流传感器测量方法首先根据敏感线圈的应变和线性双折射率的表征参数对其进行了归类，得到应变参数[ε]、线性双折射参数[δ]与光纤电流传感器电流比值误差[Y]之间的关系，然后通过热时效和振动时效对不同表征现象的敏感线圈进行了处理，减少了试验的时间，提高了工作效率，改善了敏感线圈的比例因子性能，使其达到稳定状态，从而提高光纤电流传感器的精度；

（2）、本发明光纤电流传感器测量方法简单方便，易于实现，可显著减少试验的时间，提高工作效率；

（3）、本发明光纤电流传感器测量方法所采用的综合时效方案，采用了慢速温变、扫频振动、快速温变的正交试验方法，可得到了最优的时效处理参数。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提高光纤电流传感器测量精度的方法具体包括如下步骤：

步骤（一）、测试n个敏感线圈的应力表征参数，并根据应力表征参数对n个敏感线圈进行分类，应力表征参数包括应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]；其中应变参数根据取值范围分为M类，线性双折射参数根据取值范围分为M类，n个敏感线圈共分为M²类。

本实施中根据敏感线圈的测试数据将敏感线圈的应变参数分为三类，小于100με为A类，100-200με为B类，200-500με为C类；将敏感线圈的线性双折射参数分为三类，小于10^-7为X类，大于10^-6为Z类，介于二者之间的为Y类；然后根据应变参数和线性双折射参数的类数将敏感线圈分为九类，本实施例中选取9个敏感线圈，每个敏感线圈分为一类，共9类，如下表1所示：

表1

上述9个敏感线圈的应变参数和线性双折射参数测量数据如表2所示。

其中敏感线圈应变参数[ε]也可以通过如下公式计算得到：

$\mathrm{n\μ\ϵ}=\left(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\right)\×{10}^6---\left(1\right)$

其中：n为敏感线圈应变的个数，με表示微应变参数，ΔL为敏感线圈长度变化量，L为敏感线圈长度。

步骤（二）、将这9个敏感线圈分别安装在光纤电流传感器，通以额定电流50A的导体分别通过这9个敏感线圈，测量对应的光纤电流传感器的输出电流比值误差[Y]。测试光纤电流传感器的电流比值误差如表2所示，

得到应变参数[ε]、线性双折射参数[δ]与光纤电流传感器电流比值误差[Y]之间的关系式：

[Y]=k₁[ε]+k₂[δ]（2）

其中：应变参数[ε]由敏感线圈的应变参数ε₁、ε₂…ε₉构成，线性双折射参数[δ]由敏感线圈的线性双折射参数δ₁、δ₂…δ₉构成，光纤电流传感器的输出电流比值误差[Y]由Y₁、Y₂…Y₉构成。

通过最小二乘拟合系数k₁和k₂，使得k₁[ε]+k₂[δ]=[Y]。

本实施例采用的最小二乘法是使残差的平方和达到最小，即令Q最小：

$Q={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^n{e}_m^2---\left(3\right)$

其中：e_m为残差，m为正整数；

已知[Y]是关于自变量[ε]和[δ]以及待定参数k₁和k₂形式的函数：

[Y]=f([ε],[δ],k₁,k₂)（4）

其中已知

[ε]=ε₁,ε₂,……ε_n（5）

[δ]=δ₁,δ₂,……δ_n（6）

[Y]=Y₁,Y₂,……Y_n（7）

通过以下方程组拟合出系数k₁和k₂，以满足最小：

Y₁=k₁ε₁+k₂δ₁

Y₂=k₁ε₂+k₂δ₂（8）

……

Y_n=k₁ε_n+k₂δ_n

经计算k₁为0.0028，k₂为14.626，将k₁和k₂分别作为9个敏感线圈的应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]的系数。

表2敏感线圈的应力测试数据以及对应光纤电流传感器电流比值误差

步骤（三）、采用热时效和振动时效对步骤（一）中分类后的9个敏感线圈进行综合时效处理，其中9个敏感线圈分为9类，每一类敏感线圈的具体处理方法为：

从该类敏感线圈中选择一个敏感线圈，采用慢速温变温度循环、振动扫频以及快速温变温度循环相结合的方法进行27次试验，27次试验分别为：固定慢速温变温度循环次数、变化振动扫频范围和快速温变温度循环次数；固定振动扫频范围、变化慢速温变温度循环次数和快速温变温度循环次数；固定快速温变温度循环次数、变化慢速温变温度循环次数和振动扫频范围，去除重复性试验，共进行9次正交试验，如下表3所示为9次正交试验方案：

表3：

表4给出了所有9个类别的敏感线圈的最优试验参数，即慢速温变温度循环次数、振动扫频范围和快速温变温度循环次数。

表4

每次正交试验结束后，分别测试敏感线圈的应变参数[ε]’和线性双折射参数[δ]’，并根据公式（2）计算光纤电流传感器的电流比值误差[Y]’，得到9个电流比值误差[Y]’值，取该9个电流比值误差[Y]’中的最小值Y_min所对应的试验参数作为该类敏感线圈时效处理的最佳试验参数，试验参数包括慢速温变温度循环次数、振动扫频范围和快速温变温度循环次数。

实际使用时，对新绕制的敏感线圈进行应变和线性双折射率的测量，结果分别为150和8.36*10^-7，根据应变参数及线性双折射参数分类，属于BY类，参照表4，确定采用A₂、B₃、C₁的时效试验方法，参照表3，即按照慢速温变20次，扫频振动范围3—4kHz，快速温变10次的试验方案进行处理。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤(一)、测试n个敏感线圈的应力表征参数，并根据应力表征参数对n个敏感线圈进行分类，所述应力表征参数包括应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]；其中应变参数根据取值范围分为M类，线性双折射参数根据取值范围分为M类，n个敏感线圈共分为M²类；其中n、M均为正整数，且n≥2，M≥2；

步骤(二)、将n个敏感线圈分别安装在光纤电流传感器，并分别测试光纤电流传感器的电流比值误差[Y]，得到应变参数[ε]、线性双折射参数[δ]与光纤电流传感器电流比值误差[Y]之间的关系式：

[Y]＝k₁[ε]+k₂[δ](1)

通过最小二乘法拟合系数k₁和k₂，并将k₁和k₂分别作为n个敏感线圈的应变参数[ε]和线性双折射参数[δ]的系数；

步骤(三)、采用热时效和振动时效对步骤(一)中分类后的n个敏感线圈进行综合时效处理，其中n个敏感线圈分为M²类，每一类敏感线圈的具体处理方法为：

从该类敏感线圈中选择一个敏感线圈，采用慢速温变温度循环、振动扫频以及快速温变温度循环相结合的方法进行P次正交试验，每次正交试验结束后，分别测试敏感线圈的应变参数[ε]’和线性双折射参数[δ]’，并根据公式(1)计算光纤电流传感器的电流比值误差[Y]’，得到P个电流比值误差[Y]’，取所述P个电流比值误差[Y]’中的最小值Y_min所对应的试验参数作为该类敏感线圈时效处理的最佳试验参数，所述试验参数包括慢速温变温度循环次数、振动扫频范围和快速温变温度循环次数。

2.根据权利要求1所述的一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(一)中线性双折射参数根据取值范围分为三类，即小于10^-7为X类，大于10^-6为Z类，介于二者之间的为Y类。

3.根据权利要求1所述的一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(二)中采用的最小二乘法是使残差的平方和达到最小，即令Q最小：

其中：e_m为残差，m为正整数；

已知[Y]是关于自变量[ε]和[δ]以及待定参数k₁和k₂形式的函数：

[Y]＝f([ε],[δ],k₁,k₂)(4)

其中已知：

[ε]＝ε₁,ε₂,……ε_n(5)

[δ]＝δ₁,δ₂,……δ_n(6)

[Y]＝Y₁,Y₂,……Y_n(7)

通过以下方程组拟合出系数k₁和k₂，以满足最小：

Y₁＝k₁ε₁+k₂δ₁

Y₂＝k₁ε₂+k₂δ₂

……

Y_n＝k₁ε_n+k₂δ_n。

4.根据权利要求1所述的一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(三)中慢速温变温度循环中变温范围为-50～80℃，慢速速率为3～4℃/min；快速温变温度循环中速率为5～15℃/min。

5.根据权利要求1所述的一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(三)中振动扫频中的扫频振动范围为：1～2kHz，2～3kHz，3～4kHz。

6.根据权利要求1所述的一种提高光纤电流传感器测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(三)中共进行27次试验，分别为固定慢速温变温度循环次数、变化振动扫频范围和快速温变温度循环次数；固定振动扫频范围、变化慢速温变温度循环次数和快速温变温度循环次数；固定快速温变温度循环次数、变化慢速温变温度循环次数和振动扫频范围，去除重复性试验，共进行9次正交试验，即P＝9。