CN105403763A - 一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法及装置，方法步骤包括：1)采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；3)根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T；装置包括与方法步骤对应的数据采集模块，工作中心波长补偿模块和费尔德常数计算模块。本发明能够根据光源处不同温度来获得不同程度温度补偿下的费尔德常数，能够消除光源温度波动对光纤电流传感器测量精度的影响，能够提高光纤电流传感器的检测精度，具有容易实现的优点。

Description

一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及对光纤电流互感器在任意温度下对电流的可靠准确测量技术，具体涉及一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法及装置。

背景技术

目前，随着智能电网的大力推广，光纤电流传感器成为人们关注的焦点，但在实际应用中其往往存在可靠性、稳定性差的缺点。其中，光纤电流传感器中激光器在运行过程中温度大幅度波动对测量结果造成非常大的影响。

一般光纤电流传感器选用的光源为半导体激光器，例如在20℃下中心波长分别为650nm、532nm和405nm的激光器，在运行过程中温度的波动会影响激光器的驱动电流，进而影响到激光器的输出波长，温度每升高1℃半导体激光器的中心波长向长波长波段偏移0.2nm。对于短期测量，温度波动往往大于±10℃，于是中心波长漂移达到±1nm，根据费尔德常数表达式可知，光纤材料的费尔德常数随光源波长的波动也会产生变化，而并非如传统测量中认定费尔德常数为定值。由于法拉第磁光偏转角与光纤材料的费尔德常数为线性关系，所以费尔德常数随波长漂移产生的相对误差与系统测量结果的相对误差一致，表1所示为不同光源随环境温度变化导致系统产生的相对误差。

表1：光源中心波长随温度漂移导致系统相对误差。

因此，如何获得不同环境温度下的费尔德常数以提高光纤电流传感器的测量精度，如何解决现有研究未能消除光源温度波动导致的光纤电流传感器测量精度及可靠性差的难题，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够根据光源处不同温度来获得不同程度温度补偿下的费尔德常数，能够消除光源温度波动对光纤电流传感器测量精度的影响，能够提高光纤电流传感器的检测精度，容易实现的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，步骤包括：

1)采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

3)根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T。

优选地，所述步骤2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度。

优选地，所述温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间。

优选地，所述步骤3)中计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{}^{{{\mathrm{\λ}}_T}^4}})---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比，μ₀为真空磁导率，c为光速，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。

优选地，当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。

本发明还提供一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，步骤包括：

数据采集模块，用于采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

工作中心波长补偿模块，用于将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

费尔德常数计算模块，用于根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T。

优选地，所述工作中心波长补偿模块将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度。

优选地，所述温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间。

优选地，所述费尔德常数计算模块计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_T}^4})---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比，μ₀为真空磁导率，c为光速，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。

优选地，当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。

本发明光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法具有下述优点：本发明采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T，将温度T补偿光源的工作中心波长，得到经温度补偿后的输出波长λ_T，根据经温度补偿后的波长λ_T计算费尔德常数V_T，得到温度补偿后的费尔德常数V_T，能够根据光源处不同温度来获得不同程度温度补偿下的费尔德常数，能够实现在任意温度下工作时对被测电流的在线准确测量，能够消除光源温度波动对光纤电流传感器测量精度的影响，提高光纤电流传感器的测量精度和可靠性，能够提高光纤电流传感器的检测精度，具有容易实现的优点。本发明光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置为本发明光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法完全对应的装置，因此也具有本发明光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法相同的技术效果，故在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为应用本发明实施例方法的系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法的步骤包括：

1)采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

3)根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数。

本实施例中，所述步骤2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度。

温度补偿系数a为光源温度每升高1℃、光源发射波长变长的值，单位为nm/℃。一般而言，温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间，根据光源类型不同而有所不同，具体可以根据实验得到。本实施例中，光源为半导体激光器光源，温度补偿系数a的取值具体为0.1。

本实施例中，步骤3)中计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_T}^4})---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比(1.75881962×10¹¹C/kg)，μ₀为真空磁导率(4π×10^-7N/A²)，c为光速(3×10⁸m/s)，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。经过多次试验验证，当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。

本实施例中计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式的推导过程如下：磁光学理论中给出光学材料的费尔德常数V与光频折射率色散之间的关系如式(2-1)所示；

$V=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0\mathrm{\λ}}{2mc}\frac{dn}{d\mathrm{\λ}}---(2-1)$

式(2-1)中，V为光学材料的费尔德常数，e/m为电子的荷质比(1.75881962×10¹¹C/kg)，μ₀为真空磁导率(4π×10^-7N/A²)，c为光速(3×10⁸m/s)，λ为光源的波长，n为光频折射率。

在正常色散区，光学材料的折射率遵循柯西色散公式如式(2-2)所示；

n(λ)＝a₀+bλ^-2+cλ^-4(2-2)

式(2-2)中，n(λ)为光源的波长λ下的学材料的折射率，λ为光源的波长，a₀、b、c均为柯西色散系数。结合式(2-1)和式(2-2)，即可推导得到如式(2-3)，即得到式(2)所示计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式；

$V=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}(\frac{b}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}^4})---(2-3)$

式(2-3)中，V为费尔德常数，e/m为电子的荷质比(1.75881962×10¹¹C/kg)，μ₀为真空磁导率(4π×10^-7N/A²)，c为光速(3×10⁸m/s)，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。

与本实施例本实施例光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法完全对应的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置包括：

数据采集模块，用于采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

工作中心波长补偿模块，用于将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

费尔德常数计算模块，用于根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T。

本实施例中，工作中心波长补偿模块将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度，所述温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间。

本实施例中，费尔德常数计算模块计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_T}^4})---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比，μ₀为真空磁导率，c为光速，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。

如图2所示，应用本发明实施例方法的系统包括光源1、温度传感器2、光纤电流传感器3和数据处理系统4，温度传感器2安装于光源1处以准确监测光源1处的温度，光源1向光纤电流传感器3提供光以保证光纤电流传感器3的正常工作，光纤电流传感器3用于检测被测电流I，数据处理系统4则采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T，将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T，根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T，从而以便根据经温度补偿后的费尔德常数V_T和被校正光纤电流传感器输出的传感光偏振态变化值θ计算被测电流I的值，一般计算被测电流I的值的函数式如式(3)所示；

$I=\frac{\mathrm{\θ}}{V_{T}n}---\left(3\right)$

式(3)中，I为被测电流的值，θ为被校正光纤电流传感器在被测电流I磁场作用下输出的传感光偏振态变化值，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，n为被校正光纤电流传感器中传感光纤缠绕电流的匝数。因此，数据处理系统4通过软件获得此时消除了温度影响的被测电流I的值，能实现在任意温度下工作时对被测电流准确测量，减小由于温度波动对测量结果的影响，提高光纤电流传感器的测量精度和可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，其特征在于步骤包括：

1)采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

3)根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，其特征在于，所述步骤2)将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度。

3.根据权利要求2所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，其特征在于，所述温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，其特征在于，所述步骤3)中计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}\left(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_T}^4}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比，μ₀为真空磁导率，c为光速，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。

5.根据权利要求4所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿方法，其特征在于，当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。

6.一种光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，其特征在于步骤包括：

数据采集模块，用于采集被校正光纤电流传感器的光源处的温度T；

工作中心波长补偿模块，用于将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀，得到经温度补偿后的输出波长λ_T；

费尔德常数计算模块，用于根据经温度补偿后的波长λ_T计算经温度补偿后的费尔德常数V_T。

7.根据权利要求6所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，其特征在于，所述工作中心波长补偿模块将温度T补偿光源的工作中心波长λ₀的函数表达式如式(1)所示；

λ_T＝λ₀+a×(T-T₀)(1)

式(1)中，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，λ₀为光源的工作中心波长，a为温度补偿系数，T为光源处的温度，T₀为光源输出工作中心波长λ₀时的温度。

8.根据权利要求7所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，其特征在于，所述温度补偿系数a的取值为0.05～0.15之间。

9.根据权利要求6或7或8所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，其特征在于，所述费尔德常数计算模块计算经温度补偿后的费尔德常数V_T的函数表达式如式(2)所示；

$V_T=\frac{{\mathrm{e\μ}}_0}{mc}\left(\frac{b}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}+\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_T}^4}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，V_T为经温度补偿后的费尔德常数，e/m为电子的荷质比，μ₀为真空磁导率，c为光速，λ_T为光源经温度补偿后的输出波长，b和c为柯西色散系数。

10.根据权利要求9所述的光纤电流传感器费尔德常数温度补偿装置，其特征在于，当光纤电流传感器采用的光纤为石英光纤时，柯西色散系数b的值为0.0029，柯西色散系数c的值为0.00012；当光纤电流传感器采用的光纤为PMMA塑料光纤时，柯西色散系数b的值为0.00427，柯西色散系数c的值为0.00008。