CN104034936B - 一种利用光纤测量雷电流参数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤测量雷电流参数的装置，包括光发射模块、光学传感模块、光接收模块、信号处理模块。本发明利用法拉第磁光效应原理，以光纤为介质，通过测量光波在通过磁光材料时，其偏振面在雷电流磁场作用下产生旋转的角度，来反推被测电流的大小。本装置具备高灵敏度和抗扰度，能安装在接闪器上监测雷电流数据，并对雷电流的数据进行统计分析，同样也适用于雷电流模拟发生器所产生雷电流的测量。

Description

一种利用光纤测量雷电流参数的装置

技术领域

本发明涉及一种利用光纤测量雷电流参数的装置，属于雷电科学与技术领域。

背景技术

雷电是发生在云际、云地之间的一种迅猛的自然放电现象，放电过程会释放出巨大能量，产生耀眼的闪电、雷声和强大的电磁脉冲。雷电不仅严重威胁着人类的生命安全，也会对航空、通行、电力、建筑构成巨大的影响，导致直接、间接的经济损失。因此雷电的产生、形成机制以及雷电的防护工作等问题一直是一项重要的研究内容，而雷电流的监测在雷电防护技术中起到重要作用。

国内外雷电研究学者，通过各种途径监测雷电流的幅值、波形以及通过各种理论经验推导雷电流的频谱特性，取得了一定的成果。目前国内外测量雷电流的方法普遍基于电磁感应原理，利用罗氏线圈测量装置进行雷电流的测量，其方法是将雷电流通过的导体穿过罗氏线圈，由于电磁感应原理，雷电流会在罗氏线圈两端感应出电势；根据测量感应电势的大小，可以反推出雷电流的大小。以上方法结构简单，但是在设计罗氏线圈时要考虑线性关系，尤其当直接测量雷电流时，还要考虑绝缘耐压问题，当罗氏线圈中有磁环时，另外要考虑磁芯绝缘问题，这在很大程度上限制了该方法的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用光纤测量雷电流参数的装置，以法拉第磁光效应为基础，利用光纤作为介质，通过测量光波在通过磁光材料时，偏振面在电流产生磁场的作用下，偏振面发生旋转的角度，从而确定被测电流的大小。本发明具备高灵敏度和抗扰度，能安装在接闪器上监测雷电流数据，并对雷电流的数据进行统计分析，同样也适用于雷电流模拟发生器所产生雷电流的测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种利用光纤测量雷电流参数的装置，包括光发射模块、光学传感模块、光接收模块、信号处理模块，其中：

所述光发射模块用于发出稳定的激光信号；

所述光学传感模块用于接收光发射模块发出的激光信号，通过光信号的偏振态特性信息，反应载流导体中通过的雷电流信息，最终输出两束振动方向相互垂直的偏振光；

所述光接收模块接收光学传感模块输出的两束偏振光后产生两个电流信号，同时将电流信号转化为电压信号进行输出；

所述信号处理模块对光接收模块输出的两个电压信号进行处理，计算得到雷电流的值进行输出；

所述信号处理模块包括加法器、减法器、第一对数放大电路、第二对数放大电路以及依次连接的差分放大电路、反对数放大电路、电压/电流转换电路；所述加法器与第一对数放大电路相连，所述减法器与第二对数放大电路相连，所述第一对数放大电路、第二对数放大电路分别与差分放大电路相连。

作为本发明的进一步优化方案，所述光发射模块包括集成运放电路、场效应管电路、激光管；

所述集成运放电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、可变电阻、第一集成运放，其中，所述第一电容的一端接地，另一端分别与+12V电源、第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、第一集成运放的正输入端连接，第二电阻的另一端与可变电阻的一端连接，可变电阻的另一端接地，第二电容的两端分别与第一集成运放的负输入端、输出端连接；

所述场效应管电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、场效应管，其中，第三电阻的一端与第一集成运放的输出端连接，另一端分别与第四电阻的一端、场效应管的栅极连接，第四电阻的另一端接地；第五电阻的一端与第一集成运放的负输入端连接，另一端分别与场效应管的漏极、第六电阻的一端连接，第六电阻的另一端接地；场效应管的源极与激光管的阴极连接，激光管的阳极与+12V电源连接；

所述集成运放电路、场效应管电路组成恒流电流电路，促使激光管发出稳定的激光信号。

作为本发明的进一步优化方案，所述光学传感模块为偏振旋转型光纤电流传感器。

作为本发明的进一步优化方案，所述光接收模块包括第一跨导运放电路、第二跨导运放电路；

所述第一跨导运放电路为正向跨导运放电路，包括第一接收二极管、第二集成运放IC2、第一反馈电阻，第一接收二极管的阳极与+12V电源连接，阴极与第二集成运放的负输入端连接；第二集成运放的正输入端接地；第一反馈电阻的两端分别与第二集成运放的负输入端、输出端连接；

所述第二跨导运放电路为反向跨导运放电路，包括第二接收二极管、第三集成运放、第二反馈电阻，第二接收二极管D2的阴极与+12V电源连接，阳极与第三集成运放的负输入端连接；第三集成运放的正输入端接地；第二反馈电阻的两端分别与第三集成运放的负输入端、输出端连接；

所述第一接收二极管、第二接收二极管分别接收光学传感模块输出的两束偏振光，产生两个电流信号，然后经过处理后转化为两个电压信号进行输出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）本发明所测量雷电流的范围大，可达到从0-200km的范围，测量精度高，抗干扰能力强；频率响应快，响应时间μs数量级，可对雷电流进行实时记录；测量动态范围大，在较大雷电流范围内具有良好的线性特性；装置性能稳定、可靠性好，整体设计电路简单，使用方便；

2）本发明中光纤选用不含加强芯的光纤，绝缘性好，测量雷电流时安全性能好，雷电信号依靠光信号传输，没有电气连接。

附图说明

图1是偏振旋转型光纤电流传感器的原理图。

图2是本发明的结构框图。

图3是光发射模块的电路示意图。

图4是光学传感模块的结构示意图。

图5是光接收模块的电路示意图。

图6是信号处理模块的电路示意图。

图7是加法器的电路示意图。

图8是减法器的电路示意图。

图9是第一对数放大电路的示意图。

图10是第二对数放大电路的示意图。

图11是差分放大电路的示意图。

图12是反对数放大电路的示意图。

图13是电压/电流转换电路的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

光波在通过磁光材料时，其偏振面在电流产生的磁场作用下将会发生旋转，那么通过测量旋转的角度即可确定被测电流的大小，此旋转角度值表征了通过调制前后偏振态的改变。由于探测器不能直接探测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强信号直接测量，而直接测量又称为偏振旋转型输出测量。偏振旋转型的光纤电流传感器的原理如图1所示，激光器发出的单色光经起偏器E后转变为线偏振光，由透镜L将光耦合到单模光纤上，载流导体B通有电流I，光纤绕在载流导体上，这一段光纤将产生磁光效应，使偏振光偏振面发生旋转，出射光由透镜L耦合到渥拉斯顿棱镜W，棱镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光并分别送到光探测器1和光探测器2。调整棱镜的方向，使得当入射光处在它的未调制位置上时电流为0，从沃拉斯顿棱镜的两轴输出光强相等。当有电流通过时，假设光波偏振面旋转的角度为Q，那么光探测器1、光探测器2收到的光强分别为：

I ₁= I _0cos ² ₍45°+Q)

I ₂= I _0sin ² ₍45°+Q)

而输出信号 P=（I ₁- I ₂）/( I ₁+I ₂)=sin2Q，当Q<<1时，sin2Q≈2Q，P与Q成线性关系，那么经信号处理即可获得被测电流的大小。

本发明设计一种利用光纤测量雷电流参数的装置，如图2所示，包括光发射模块、光学传感模块、光接收模块、信号处理模块，其中：所述光发射模块用于发出稳定的激光信号；所述光学传感模块用于接收光发射模块发出的激光信号，通过光信号的偏振态特性信息，反应载流导体中通过的雷电流信息，最终输出两束振动方向相互垂直的偏振光；所述光接收模块接收光学传感模块输出的两束偏振光后产生两个电流信号，同时将电流信号转化为电压信号进行输出；所述信号处理模块对光接收模块输出的两个电压信号进行处理，计算得到雷电流的值进行输出。

本发明中光发射模块如图3所示，包括集成运放电路、场效应管电路、激光管VD1，所述集成运放电路、场效应管电路组成恒流电流电路，促使激光管VD1发出稳定的激光信号。

所述集成运放电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、可变电阻VR1、第一集成运放IC1，其中，所述第一电容C1的一端接地，另一端分别与+12V电源、第一电阻R1的一端连接；第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端、第一集成运放IC1的正输入端连接，第二电阻R2的另一端与可变电阻VR1的一端连接，可变电阻VR1的另一端接地，第二电容C2的两端分别与第一集成运放IC1的负输入端、输出端连接。其中，第一集成运放IC1采用NJM2904芯片。

所述场效应管电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、场效应管FET1，其中，第三电阻R3的一端与第一集成运放IC1的输出端连接，另一端分别与第四电阻R4的一端、场效应管FET1的栅极连接，第四电阻R4的另一端接地；第五电阻R5的一端与第一集成运放IC1的负输入端连接，另一端分别与场效应管FET1的漏极、第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端接地；场效应管FET1的源极与激光管VD1的阴极连接，激光管VD1的阳极与+12V电源连接。

本发明中光学传感模块采用偏振旋转型光纤电流传感器，如图4所示，将激光管VD1发出的单色光经起偏器E后转变为线偏振光，由透镜L将光耦合到单模光纤上，载流导体B通有电流I，光纤绕在载流导体上，这一段光纤将产生磁光效应，使偏振光偏振面发生旋转，出射光由透镜L耦合到渥拉斯顿棱镜W，棱镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光。光纤电流传感器结构简单，重量轻，形状随意改变，测量灵敏度可按光纤环数调节，一般取10匝左右。其功能是通过光学信号的偏振态特性信息，反映出载流导体中通过的电流信息。

本发明中光接收模块如图5所示，包括第一跨导运放电路、第二跨导运放电路，两个跨导运放电路的功能是接收光信号，并作为后级信号处理模块的输入量。

所述第一跨导运放电路为正向跨导运放电路，包括第一接收二极管D1、第二集成运放IC2、第一反馈电阻Rf1，第一接收二极管D1的阳极与+12V电源连接，阴极与第二集成运放IC2的负输入端连接；第二集成运放IC2的正输入端接地；第一反馈电阻Rf1的两端分别与第二集成运放IC2的负输入端、输出端连接。

所述第二跨导运放电路为反向跨导运放电路，包括第二接收二极管D2、第三集成运放IC3、第二反馈电阻Rf2，第二接收二极管D2的阴极与+12V电源连接，阳极与第三集成运放IC3的负输入端连接；第三集成运放IC3的正输入端接地；第二反馈电阻Rf2的两端分别与第三集成运放IC3的负输入端、输出端连接。所述第一接收二极管、第二接收二极管分别接收光学传感模块输出的两束偏振光，产生两个电流信号，然后经过处理后转化为两个电压信号V1out、V2out进行输出。其中，第二集成运放IC2、第三集成运放IC3均采用op27芯片。

本发明中信号处理模块如图6所示，包括加法器、减法器、第一对数放大电路、第二对数放大电路以及依次连接的差分放大电路、反对数放大电路、电压/电流转换电路；所述加法器与第一对数放大电路相连，所述减法器与第二对数放大电路相连，所述第一对数放大电路、第二对数放大电路分别与差分放大电路相连。

信号处理模块中的加法器如图7所示，第七电阻R7的一端接光接收模块中的输出电压信号V1out，另一端接集成运放IC4的负输入端；第八电阻R8的一端接光接收模块中的输出电压信号V2out，另一端接集成运放IC4的正输入端；第十电阻R10的一端接第四集成运放IC4的正输入端，另一端接地；第九电阻R9的两端分别接第四集成运放IC4的负输入端、输出端之。最终，加法器的输出为V3out=V1out+V2out。

信号处理模块中的减法器如图8所示，第十一电阻R11一端接光接收模块中的输出电压信号V1out，另一端接第五集成运放IC5的正输入端；第十二电阻R12一端接光接收模块中的输出电压信号V2out，另一端接第五集成运放IC5的正输入端电阻；第十三电阻R13接第五集成运放IC5的负输入端，另一端接地；第十四电阻R14的两端分别接第五集成运放IC5的输出端、负输入端。最终，减法器的输出为V4out=V1out-V2out。

信号处理模块中的第一对数放大电路如图9所示，第十五电阻R15一端接加法器的输出电压信号V3out，另一端接第六集成运放IC6的负输入端连接；第十六电阻R16一端接第六集成运放IC6的正输入端，另一端接地；第三电容C3的一端分别与第四二极管D4的阴极、第一三极管BJT1的集电极、第六集成运放IC6的负输入端连接，另一端分别与第四二极管D4的阳极、第一三极管BJT1的发射极、第六集成运放IC6的输出端连接；第一三极管BJT1的基极接地。最终，第一对数放大电路的输出为Vout5=lg（Vout3）。

信号处理模块中的第二对数放大电路如图10所示，第十七电阻R17一端接减法器的输出电压信号V4out，另一端接第七集成运放IC7的负输入端；第十八电阻R18一端接集成运放IC7的正输入端，另一端接地；第四电容C4的一端分别与第五二极管D5的阴极、第二三极管BJT2的集电极、第七集成运放IC7的负输入端连接，另一端分别与第五二极管D5的阳极、第二三极管BJT2的发射极、第七集成运放IC7的输出端连接；第二三极管BJT2的基极接地。最终，第二对数放大电路的输出为Vout5=lg（Vout3）

信号处理模块中的差分放大电路如图11所示，第十九电阻R19的一端接第一对数放大电路的输出Vout5，另一端接第八集成运放IC8的负输入端；第二十电阻R20的一端接第二对数放大电路的输出Vout6，另一端接第八集成运放IC8的正输入端；第二十一电阻R21跨接于集成运放IC8的负输入端和输出端之间；第二十二电阻R22一端接第八集成运放IC8的正输入端，另一端接地。最终，差分放大电路的输出为Vout7=lg（Vout5/Vout6）.

信号处理模块中的反对数放大电路如图12所示，第五电容C5的一端分别与第六二极管D6的阴极、第三三极管BJT3的集电极连接，另一端分别与第六二极管D6的阳极、第三三极管BJT3的发射极、第九集成运放IC9的负输入端连接，第三三极管BJT3的基极接地，第九集成运放IC9的正输入端接地；第二十三电阻R23跨接于集成运放IC9的负输入端和输出端之间。最终，反对数放大电路的输出电为V9out=Vout5/Vout6。

信号处理模块中的电压/电流转换电路如图13所示，第二十四电阻R24的一端接反对数放大电路的输出电压信号V9out，另一端接第十集成运放IC10的负输入端；第二十五电阻R25的一端接第十集成运放IC10的负输入端，另一端接地；第二十六电阻R26和第二十七电阻R27串联后跨接于第十集成运放IC10的负输入端和输出端；第二十九电阻R29的一端接第十集成运放IC10的输出端，另一端接第一齐纳二极管Z1的负向端；第二十八电阻R28的一端接第十集成运放IC10和第二十五电阻R25的公共端，另一端接第一齐纳二极管Z1的负向端；第一齐纳二极管Z1的正向端和第二齐纳二极管Z2的正向端相连；第三十电阻R30的一端与第二齐纳二极管Z2的反向端相连，另一端接地。第三十电阻R30为负载电阻，在负载电阻R30上可直接检测出雷电流的波形。最终，电压/电流转换电路的输出为I=（I1-I2）/(I1+I2)。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种利用光纤测量雷电流参数的装置，其特征在于，该装置包括光发射模块、光学传感模块、光接收模块、信号处理模块，其中：

所述光发射模块用于发出稳定的激光信号；

所述光学传感模块用于接收光发射模块发出的激光信号，通过光信号的偏振态特性信息，反应载流导体中通过的雷电流信息，最终输出两束振动方向相互垂直的偏振光；

所述光接收模块接收光学传感模块输出的两束偏振光后产生两个电流信号，同时将电流信号转化为电压信号进行输出；

所述信号处理模块对光接收模块输出的两个电压信号进行处理，计算得到雷电流的值进行输出；

所述信号处理模块包括加法器、减法器、第一对数放大电路、第二对数放大电路以及依次连接的差分放大电路、反对数放大电路、电压/电流转换电路；所述加法器与第一对数放大电路相连，所述减法器与第二对数放大电路相连，所述第一对数放大电路、第二对数放大电路分别与差分放大电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种利用光纤测量雷电流参数的装置，其特征在于，所述光发射模块包括集成运放电路、场效应管电路、激光管（VD1）；

所述集成运放电路包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、可变电阻（VR1）、第一集成运放（IC1），其中，所述第一电容（C1）的一端接地，另一端分别与+12V电源、第一电阻（R1）的一端连接；第一电阻（R1）的另一端分别与第二电阻（R2）的一端、第一集成运放（IC1）的正输入端连接，第二电阻（R2）的另一端与可变电阻（VR1）的一端连接，可变电阻（VR1）的另一端接地，第二电容（C2）的两端分别与第一集成运放（IC1）的负输入端、输出端连接；

所述场效应管电路包括第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、场效应管（FET1），其中，第三电阻（R3）的一端与第一集成运放（IC1）的输出端连接，另一端分别与第四电阻（R4）的一端、场效应管（FET1）的栅极连接，第四电阻（R4）的另一端接地；第五电阻（R5）的一端与第一集成运放（IC1）的负输入端连接，另一端分别与场效应管（FET1）的漏极、第六电阻（R6）的一端连接，第六电阻（R6）的另一端接地；场效应管（FET1）的源极与激光管（VD1）的阴极连接，激光管（VD1）的阳极与+12V电源连接；

所述集成运放电路、场效应管电路组成恒流电流电路，促使激光管发出稳定的激光信号。

3.根据权利要求1所述的一种利用光纤测量雷电流参数的装置，其特征在于，所述光学传感模块为偏振旋转型光纤电流传感器。

4.根据权利要求1所述的一种利用光纤测量雷电流参数的装置，其特征在于，所述光接收模块包括第一跨导运放电路、第二跨导运放电路；

所述第一跨导运放电路为正向跨导运放电路，包括第一接收二极管（D1）、第二集成运放（IC2）、第一反馈电阻（Rf1），第一接收二极管（D1）的阳极与+12V电源连接，阴极与第二集成运放（IC2）的负输入端连接；第二集成运放（IC2）的正输入端接地；第一反馈电阻（Rf1）的两端分别与第二集成运放（IC2）的负输入端、输出端连接；

所述第二跨导运放电路为反向跨导运放电路，包括第二接收二极管（D2）、第三集成运放（IC3）、第二反馈电阻（Rf2），第二接收二极管（D2）的阴极与+12V电源连接，阳极与第三集成运放（IC3）的负输入端连接；第三集成运放（IC3）的正输入端接地；第二反馈电阻（Rf2）的两端分别与第三集成运放（IC3）的负输入端、输出端连接；

所述第一接收二极管、第二接收二极管分别接收光学传感模块输出的两束偏振光，产生两个电流信号，然后经过处理后转化为两个电压信号进行输出。