CN104597423B - 一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，包括竖直支撑件、轴板、轴承、挡销、信号采集模块和上位机，轴板通过轴承固定设置于竖直支撑件上，轴板平面竖直设置并与轴承垂直，待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环固定安装在轴板上，挡销支撑轴板水平位置不动并且在挡销撤走后所述带有光学模块和敏感光纤环的轴板在轴板平面内自由转动，光学模块的输出连接至信号采集模块，信号采集模块与上位机连接。本发明测试装置能够准确方便地测出Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响，并具有占地面积小，结构简单，应用灵活等优点。

Description

一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置

技术领域

本发明涉及一种电力设备测试技术领域，特别是一种用于测试全光纤电流互感器Sagnac效应的装置。

背景技术

Sagnac效应(萨格纳克效应)是萨格纳克在1913年发现的，是指将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应目前已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域。

对于全光纤电流互感器产品来说，当光路中闭合回路面积不为0时，会存在Sagnac效应，当振动引起角速度，全光纤电流互感器输出会产生噪声，从而影响全光纤电流互感器产品的性能。

要检测全光纤电流互感器的此项性能，通常要将全光纤电流互感器系统包括电源部分放置于水平转台上，严格控制转速，检测全光纤电流互感器在不同角速度下的输出。但此种方法使用的设备昂贵，需要较大占地面积，设备的功耗较大，安装复杂。

在全光纤电流互感器的生产中需要设计一种小型化装置来测试Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响，从而对产品的性能进行筛选。

发明内容

本发明针对现有的全光纤电流互感器Sagnac效应测试设备存在功耗大、安装复杂、价格昂贵以及占地面积大等问题，提供一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，能够准确方便地测出Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响，并具有占地面积小，结构简单，应用灵活等优点。

本发明的技术方案如下：

一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，包括竖直支撑件、轴板、轴承、挡销、信号采集模块和上位机，所述轴板通过轴承固定设置于竖直支撑件上，所述轴板平面竖直设置并与轴承垂直，待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环固定安装在轴板上，所述挡销支撑轴板水平位置不动并且在挡销撤走后所述带有光学模块和敏感光纤环的轴板在轴板平面内自由转动，所述光学模块的输出连接至信号采集模块，所述信号采集模块与上位机连接；所述信号采集模块采集带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的角速度并数据处理得到全光纤电流互感器在无电流情况下输出的电流幅值，所述上位机根据所述电流幅值是否在允许范围内来判断全光纤电流互感器是否合格。

所述竖直支撑件包括底板以及固定设置于底板上的竖直支架，所述轴板通过轴承固定设置于竖直支架上，所述带光学模块和敏感光纤环的轴板的重心落在底板范围内。

所述轴承上设置有轴向定位和固定的轴用挡圈。

所述轴板上设置有用于固定待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环的通孔，所述光学模块和敏感光纤环均通过螺钉和螺母经所述通孔安装固定在轴板上。

所述光学模块的中心以及敏感光纤环的中心均与轴承中心重合。

所述轴承的轴心处固定设置有角速度计，所述角速度计的输出与信号采集模块相连。

所述信号采集模块通过带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度和转动惯量得到角速度。

所述信号采集模块基于单摆理论根据带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度得到角速度。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，设置竖直支撑件、轴板、轴承、挡销、信号采集模块和上位机，将待测的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环固定安装在轴板上，轴板平面竖直设置并通过轴承固定设置于竖直支撑件上，竖直支撑件主要对整个装置起支撑固定作用，轴板主要用于固定需要测试的全光纤电流互感器的光学模块以及敏感光纤环，采用轴承可以确保轴板能够绕轴在轴板平面内自由旋转。挡销一方面可以支撑轴板水平位置不动，以便于安装固定带有光学模块和敏感光纤环的轴板，另一方面当需要测试的元器件(全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环)在轴板上安装固定好以后，撤走挡销，整个轴板就会带着需要测试的元器件在重力作用下，绕轴在轴板平面内做自由转动。信号采集模块采集带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的角速度并数据处理得到全光纤电流互感器在无电流情况下输出的电流幅值，由于该电流幅值和角速度成正向线性关系，故通过对角速度的采集能够迅速地得到电流幅度，并能够得到最大幅值，上位机根据该电流幅值是否在允许范围内来判断全光纤电流互感器是否合格，如果测试的光学模块输出的电流幅值在允许范围内，则可判断该套全光纤电流互感器该项性能合格，否则视为不合格。通过本发明的测试装置可以很容易测试生产中的光学器件是否合格，进而判断全光纤电流互感器是否合格，且测试精准，无需控制转速，同时避免了现有技术使用的设备昂贵，需要较大占地面积，设备的功耗较大，安装复杂的问题，本发明的测试装置能够快速准确并且很方便地测出Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响，并具有占地面积小，结构简单，应用灵活等优点。

优选设置竖直支撑件的结构，具体包括底板以及固定设置于底板上的竖直支架，轴板通过轴承固定设置于竖直支架上，带光学模块和敏感光纤环的轴板的重心落在底板范围内，从而在测试过程中不会整体翻到，保证整个测试装置工作时平稳。

本发明的测试装置在将全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环安装固定到轴板上以后，优选设置光学模块的中心以及敏感光纤环的中心均与轴承中心重合，这样能够保证全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环在旋转过程中是绕其中心转动。

信号采集模块可以通过理论计算得出带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的角速度，如可以通过带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度和转动惯量得到角速度，或者是基于单摆理论根据带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度得到角速度。信号采集模块还可以通过在轴承的轴心处固定设置的角速度计直接获取角速度，这样可以更准确的确定待测全光纤电流互感器对Sagnac效应的敏感程度。

附图说明

图1为本发明全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置的局部优选结构示意图。

图2为本发明全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置的工作原理图。

图中各标号列示如下：

1－底板；2－竖直支架；3－轴板；4－挡销；5－轴承；6－轴用挡圈；7－通孔；8－光学模块；9－敏感光纤环；10－延迟光纤环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，能够准确方便地测出Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响。该测试装置的优选结构如图1所示，包括底板1、竖直支架2、轴板3、挡销4、轴承5和轴用挡圈6，还包括图1未显示的信号采集模块和上位机。竖直支架2固定设置在底板1上两者共同形成竖直支撑件，竖直支撑件主要对整个装置起支撑固定作用。轴板3通过轴承5固定设置于竖直支架2上，轴板平面竖直设置并与轴承5垂直，待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环固定安装在轴板3上，带光学模块和敏感光纤环的轴板的重心落在底板1范围内，确保整个测试装置在使用时重心都落在底板1范围内，从而不会翻到，保证整个测试装置工作时平稳。竖直支架2主要是对整个测试装置起到支撑固定作用，轴板3主要用于固定需要测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环，轴板3上开有多个用于固定全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环的通孔7。采用轴承5可以确保轴板3能够绕轴在轴板平面内自由旋转。轴用挡圈6设置在轴承5上主要起轴向定位和固定作用。挡销4一方面可以支撑轴板3水平位置不动，以便于安装固定带有光学模块和敏感光纤环的轴板3，另一方面当需要测试的元器件(全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环)在轴板3上安装固定好以后，将挡销4抽去瞬间，整个轴板3就会带着需要测试的元器件在重力作用下，绕轴在轴板平面内做自由转动。

图1所示结构为本发明的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置的局部优选结构，也可以理解为是全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置中的测试平台，图1所示的测试平台的整体均可以采用不锈钢304焊接加工，再采用酸洗钝化处理工艺。轴承5、轴用挡圈6都是国标标准件，保证轴承5转动灵活。将需要测试的全光纤电流互感器光学模块和敏感光纤环固定于图1所示平台上，再连接供电模块、信号采集模块和上位机，可方便地测试Sagnac效应对全光纤电流互感器性能的影响。

图2为本发明全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置的工作原理图。测试时先将全光纤电流互感器的光学模块8以及敏感光纤环9均用螺钉、螺母经通孔7安装固定在轴板3上，连接电源模块供电，光学模块8的输出(也就是光学模块8中的光电探测器的输出)以串行数据或网络数据的形式通过电缆输出到信号采集模块，信号采集模块接收到电信号后采集带有光学模块8和敏感光纤环9的轴板3的轴向平面内的自由转动的角速度并数据处理得到全光纤电流互感器在无电流情况下输出的电流幅值，信号采集模块将采集处理结果送到上位机，上位机根据所述电流幅值是否在允许范围内来判断全光纤电流互感器是否合格，上位机还可将数据解析后实时画图。

本发明测试装置的优选设计为确保安装全光纤电流互感器的光学模块8和敏感光纤环9固定到轴板3上以后，光学模块的中心以及和敏感光纤环9的中心均与轴承5的中心重合，这样才能保证光学传感器的光学模块8和敏感光纤环9在旋转过程中是绕其中心转动。光学模块8包括延迟光纤环10，还包括光源、探测器、耦合器和相位调制器等光学器件，可以将光源、探测器、耦合器和相位调制器等光学器件设置于延迟光纤环10的环内空间，或者说是延迟光纤环10缠绕于其它各光学器件围成的外圆周，优选设置延迟光纤环10的环心(即为光学模块的中心)与轴承5的中心重合，并设置敏感光纤环9的中心与轴承5的中心重合。当测试装置用挡销4固定，此时整个带光学模块8以及敏感光纤环9的轴板3的重心位于G₁处，如图2中所示位置，当抽去挡销4，光学模块8以及敏感光纤环9随着轴板3在重力作用下绕轴自由转动，当重心运动到图2中所示位置重心最低点G₂，重心下降高度h时，达到最大角速度ω。

根据能量守恒定律：

其中，m－质量，h－重心下降高度；g－重力加速度；I－转动惯量；ω－最大角速度，可得最大角速度(对于同一种需测试的元器件来说质量几乎固定，重心下降的高度可测)。故信号采集模块可以通过带有光学模块和敏感光纤环的轴板3的轴向平面内的自由转动的重心下降高度和转动惯量得到角速度。由于h为重心下降最大高度，故可以说是，信号采集模块通过带有光学模块8以及敏感光纤环9的轴板3的轴向平面内的自由转动的重心下降高度h和转动惯量I得到最大角速度ω。

根据Sagnac效应可知角速度ω产生的相位φ_ω为：

其中，S为光学模块中的光路闭合面积(即光学模块中的沿入射光路设置的相位调制器以及耦合器之间通过各自的两个光纤臂焊接形成的面积)，λ为波长，c为真空中光速(3x10⁸m/s)。

在存在Sagnac效应相位的情况下，全光纤电流互感器的探测器输出为：

I＝GP(1+cos(φ_ω+φ_F+φ_M))+N

其中，I为探测器的输出，G为探测器灵敏度，P为探测器接收光功率，φ_F是法拉第相移，即电流磁场产生的相位，φ_M是调制施加的相移。N为噪声。

时，有

正负调制周期的值相减可得到上位机最终输出的解调的电流信号：

ΔI＝2GPsin(φ_ω+φ_F)+N'

N’是通过差分相减法抵消了共模噪声之后的噪声输出。

通常有φ_F<<1,φ_ω<<1,，则上位机上最终输出电流信号为：ΔI≈2GP(φ_ω+φ_F)+N'

当导线上没有电流时，法拉第相移为0，因而有

从上式可知，没有电流时，因Sagnac效应的存在，使得最终输出“显示”有电流，显示的电流值与角速度成正向线性关系。

此转动角速度达到ω达到最大数值时，上位机输出解调电流也达到最大幅值。由于特定类型的全光纤电流互感器的光学模块，其质量m、重心下降高度h、转动惯量I均是定值，则自由落体转动最大角速度ω也是定值。在最大角速度ω相同情况下，互感器输出的电流幅值不一致。通过全光纤电流互感器的噪声经验数据可确定全光纤电流互感器在无电流情况下的输出范围。如果测试的光学器件的输出的电流幅值在允许范围内，则可判断该套全光纤电流互感器该项性能合格，否则视为不过合格。通过本发明这种简单的测试装置可以很容易测试生产中的全光纤电流互感器是否合格。

如某批10支全光纤电流互感器，经过本发明测试装置的测试，该种全光纤电流互感器的静态噪声经验数据为2A、8支样品在转动时的最大输出幅值在3A内，有2支测试时超过了5A，则可判断输出超过5A的全光纤电流互感器样品为不合格。

上述实施例中的信号采集模块是通过带有光学模块8和敏感光纤环9的轴板3的轴向平面内的自由转动的重心下降高度h和转动惯量I得到最大角速度ω。此外，信号采集模块还可以基于单摆理论根据带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度h得到最大角速度ω。

即，最大角速度ω计算可以通过单摆理论估算：

最大角速度ω除了通过上述两种理论估算外，还可以在本发明测试装置的轴承5的轴心处上固定一个小型的角速度计(如MEMS角速度计)，角速度计的输出与信号采集模块相连，使得信号采集模块可以直接采集该角速度计的角速度，这样可以更准确的确定待测全光纤电流互感器对Sagnac效应的敏感程度。

本发明的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，作为一种小型化的装置能够准确方便的测试全光线电流互感器Sagnac效应，此装置占地面积小，操作简单，应用灵活，是较理想的Sagnac效应测试装置。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，包括竖直支撑件、轴板、轴承、挡销、信号采集模块和上位机，所述轴板通过轴承固定设置于竖直支撑件上，所述轴板平面竖直设置并与轴承垂直，待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环固定安装在轴板上，所述挡销支撑轴板水平位置不动并且在挡销撤走后所述带有光学模块和敏感光纤环的轴板在轴板平面内自由转动，所述光学模块的输出连接至信号采集模块，所述信号采集模块与上位机连接；所述信号采集模块采集带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的角速度并数据处理得到全光纤电流互感器在无电流情况下输出的电流幅值，所述上位机根据所述电流幅值是否在允许范围内来判断全光纤电流互感器是否合格。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述竖直支撑件包括底板以及固定设置于底板上的竖直支架，所述轴板通过轴承固定设置于竖直支架上，所述带光学模块和敏感光纤环的轴板的重心落在底板范围内。

3.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述轴承上设置有轴向定位和固定的轴用挡圈。

4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述轴板上设置有用于固定待测试的全光纤电流互感器的光学模块和敏感光纤环的通孔，所述光学模块和敏感光纤环均通过螺钉和螺母经所述通孔安装固定在轴板上。

5.根据权利要求4所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述光学模块的中心以及敏感光纤环的中心均与轴承中心重合。

6.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述轴承的轴心处固定设置有角速度计，所述角速度计的输出与信号采集模块相连。

7.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述信号采集模块通过带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度和转动惯量得到角速度。

8.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器Sagnac效应测试装置，其特征在于，所述信号采集模块基于单摆理论根据带有光学模块和敏感光纤环的轴板的轴向平面内的自由转动的重心下降高度得到角速度。