CN105467345A - 一种光纤电流传感器频带宽度测试方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤电流传感器频带宽度测试系统，包括调制频率电压控制器、光纤电流传感器闭环信号处理系统和频带宽度分析单元。本发明从光纤电流传感器闭环信号处理过程入手，在信号处理过程中引入模拟调制相位，来模拟不同频率下电力线电流引起的光学非互易性法拉第相位，测试光纤电流传感器的频带宽度。通过施加频带宽度电压值，测量不同频率电压输入下的电流输出，避免了在电流互感器频带宽度测试平台上进行繁琐程序的测试，实现了基于补偿相位控制信号来完成光纤电流传感器频带宽度的测试。此外，本发明还提供了一种光纤电流传感器频带宽度测试方法，用于完成上述测试过程。

Description

一种光纤电流传感器频带宽度测试方法和系统

技术领域

本发明涉及电力测量技术领域，具体涉及一种光纤电流传感器频带宽度测试方法和系统。

背景技术

光纤电流传感器是建立在法拉第磁光效应基础上的光学干涉仪。目前，国内外在光纤电流传感器信号处理方面，均采用数字闭环信号处理技术。由图1可以看出，光纤电流传感器数字闭环系统主要由光源、耦合器1、偏振器2、相位调制器3、λ/4波片、PIN光电探测器、光纤环、反射镜和信号处理单元组成。信号检测及处理过程如下：光源发出的光经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光；线偏振光被转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤环；在传感光纤环中由于传输电流产生磁场法拉第效应，两束圆偏振光以不同的速度传输，产生了法拉第相移；经由传感光纤再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在偏振器处发生干涉，干涉光波经过耦合器进入PIN光电检测器。PIN光电检测器检测干涉信号光强变化后，送入信号处理单元，形成闭环反馈电压信号来调制相位调制器，使相位调制器在光纤环中施加非互易的反馈补偿相移，该反馈补偿相移与外部电流导致的法拉第相移大小相等、方向相反，使光纤电流传感器闭环系统始终工作在相位零点附近。信号处理单元通过获取该补偿相移的大小，经过比例因子转换得出经过光纤电流传感器的电流量值信息。

光纤电流传感器具有动态范围宽、绝缘性能好、测量精度高等优点，可以满足电能计量、继电保护控制等领域的技术需求。频带宽度是光纤电流传感器的重要性能，频带宽度对继电保护、谐波测量、暂态测量，特别是电流差动保护的动作特性有重要的影响。测试分析光纤电流传感器的频带宽度是评估光纤电流传感器精度、动态特性及可靠性的重要依据。在现有的光纤电流传感器频带宽度测试过程中，需要专门配备大电流发生器，频率特性分析仪、校验仪等装置，通常采用专门的互感器频带宽度标定环境，这种测试方式费用昂贵、测试过程繁琐、效率较低，急需一种快速简捷的光纤电流传感器频带宽度测试方法。

发明内容

本发明实施例中提供了一种光纤电流传感器频带宽度测试系统及其测试方法，以解决现有的测试方法耗时且成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种光纤电流传感器频带宽度测试系统，包括调制频率电压控制器、光纤电流传感器闭环信号处理系统和频带宽度分析单元；

所述光纤电流传感器闭环信号处理系统包括被测光纤电流传感器、相位调制器和光电信号处理单元，所述光电信号处理单元与所述被测光纤电流传感器的光电探测器电连接，所述相位调制器电连接在所述被测光纤电流传感器的偏振器和波片之间，且与所述光电信号处理单元电连接；

所述光电信号处理单元与所述调制频率电压控制器和频带宽度分析单元均电连接，所述调制频率电压控制器与所述频带宽度分析单元电连接。

优选的，在上述光纤电流传感器频带宽度测试系统中，所述光电信号处理单元包括电压信号输入单元和电流信号输出单元，所述电压信号输入单元与所述调制频率电压控制器电连接，所述电流信号输出单元与所述频带宽度分析单元电连接。

优选的，在上述光纤电流传感器频带宽度测试系统中，所述调制频率电压控制器的电压范围为小于或等于12mV。

本发明还提供了一种光纤电流传感器频带宽度测试方法，应用于如权利要求1或2所述的光纤电流传感器频带宽度测试系统，包括以下步骤：

判断通过被测光纤电流传感器的外部电流是否为零，如果是，则进行下述步骤；

设置所述调制频率电压控制器的初始输出电压值为零，获取所述被测光纤电流传感器的初始输出电流；

改变所述调制频率电压控制器的输出电压，并且实时获取所述光纤电流传感器的输出电流；

根据分析所述输出电压和所述输出电流之间的关系，得到所述被测光纤电流传感器的频带宽度。

优选的，在上述光纤电流传感器频带宽度测试方法中，所述改变所述调制频率电压控制器的输出电压，并且实时获取所述光纤电流传感器的输出电流具体是指，

通过改变调制频率电压控制器的输出电压，来控制光电信号处理单元施加在相位调制器中的模拟电压；

通过控制所述模拟电压，来改变相位调制器对被测光纤电流传感器的调制相位；

通过控制所述调制相位，来改变所述光纤电流传感器的输出电流。

由上述技术方案可见，本发明提供的光纤电流传感器频带宽度测试系统的工作过程为：通过外接调制频率电压控制器，在不同频率电压下，利用光电信号处理单元对相位调制器施加不同的模拟电压，使其对被测传感器产生不同的调制相位，在这个调制相位下，相当于被测传感器中存在某一与原始光源信号不同的光信号，被测传感器的光电探测器将这个光信号转换为电流信号。上述过程完全类似与现有的光纤电流传感器的数字闭环系统的工作过程，上述电流信号能够体现被测传感器对不同频率电压的响应表现。上述电流信号经过光电信号处理单元输出至频带宽度分析单元，而且频带宽度分析单元还能实时接收电压值，所以经过分析所述输出电压和所述输出电流之间的关系，得到所述被测光纤电流传感器的频带宽度。具体的说，如果某时刻的电压和电流之间呈线性正比关系的话，说明在此电流频率范围内，传感器可以正常感应电流，如果超过或低于某一频率电压后，测得的输出电流无法保持与电压的线性关系，那么就代表传感器无法响应这个频率电压，即传感器传送电流信号的频带宽度到达了最大值或者最小值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的光纤电流传感器数字闭环系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光纤电流传感器频带宽度测试系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光纤电流传感器频带宽度测试方法的流程示意图。

其中：1-耦合器，2-偏振器，3-相位调制器，4-光电信号处理单元，401-电流信号输出单元，402-电压信号输入单元，5-频带宽度分析单元，6-调制频率电压控制器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

光纤电流传感器的工作原理是，当外部载流体经过该电流传感器时，电流传感器内部可产生感应电流，而且该感应电流与外部载体电流之间呈正比。频带宽度又称必要带宽，是指为保证某种发射信息的速率和质量所需占用的频带宽度容许值。对于光纤电流传感器的频带宽度可以理解为可以感应出的外部载流的频率范围。

光纤电流传感器的基本原理就是建立在磁光法拉第效应基础上，电流磁场导致光纤中的两束光波产生光程差，进而得出与之相应的磁光法拉第相位ΦS：

Φ_S＝(4NM)*I_out(1)

其中，Φ_S为电流磁场引起的法拉第效应相位差，N为光纤匝数，M为维尔德系数，I_out为电力线电流量，光纤匝数N、维尔德系数等参数均为定值，因此，电流互感器的输出相移Φ_S与外部电流量I_out成正比。

请参考图1，该图为现有的光纤电流传感器数字闭环系统的结构示意图，如图所示，光电探测器所检测的光波干涉信号为：

I＝I₀[1+cos(Φ_S+Φ_f+Φ_J)](2)

经过光电转换，输出的电压信号为M＝KI₀[1+cos(Φ_S+Φ_f+Φ_J)]，其中，K为光电转换系数，Φ_S为电流信号产生非互易相移，Φ_S＝(4NM)I_out，I_out为外部电流，Φ_f为方波产生偏置非互易相移，用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向，Φ_J为阶梯波产生非互易相移，N为光纤匝数，M为维尔德系数。

方波信号在正负半周产生相移为±π/2的偏置相位，阶梯波增量用于补偿外部磁光法拉第相移，方波和阶梯波调制信号都加入相位调制器之后，在电流互感器中产生的非互易相移为ΔΦ＝Φ_S+Φ_f+Φ_J，在方波的正半周，Φ_f＝π/2，干涉仪的输出信号为：

M1＝KI₀[1-sin(Φ_S+Φ_J)](3)

在方波的负半周，Φ_f＝-π/2，干涉仪的输出信号为：

M2＝KI₀[1+sin(Φ_S+Φ_J)](4)

将方波正半周信号(3)和负半周信号(4)相减可得：

ΔM＝-2KI₀sin(Φ_S+Φ_J)(5)

通过闭环反馈使Φ_S＝-Φ_J保证ΔM＝0，而当ΔM≠0时，便用ΔM作为控制量去控制闭环反馈阶梯波发生器，改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量，该电压增量与光波相移Φ_J成正比关系，通过闭环反馈控制始终使Φ_S+Φ_J＝0，在数字闭环达到平衡时，阶梯波的阶梯高度增量同所测量的电流成正比，阶梯波高度增量就对应光纤电流传感器输出的电流信号。理想情况下，通过闭环反馈控制，光电探测器检测到的干涉信号为零电平。总之，光纤电流传感器就是利用磁光法拉第效应，通过对光纤环中光束进行相位解调，所谓解调就是指找到一个与外部电流信号产生的非互易相移Φ_S大小相等、方向相反的补偿相位Φ_J，进而通过获取该补偿相移的大小，得出光纤传感器内部的感应电流大小，再经过比例因子转换得出通过光纤电流传感器的外部电流量I_out值。

基于上述的闭环反馈测知外部载流大小的原理可知，只要在光纤电流传感器中加入控制电压，相当于在不同的光纤传感器外存在外部电流。同一控制电压控制就能产生同一模拟相差，但是对于不同的光纤电流传感器产生的感应电流的大小是不同的。因此，将上述的闭环反馈方式做逆向设计，如果通过该传感器的外部电流的频率已知，即控制电压可以设计为已知频率的电压，则可以测知对不同的光纤电流传感器的频带宽度。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种光纤电流传感器频带宽度测试系统的结构示意图。如图所示，包括调制频率电压控制器6、光纤电流传感器闭环信号处理系统和频带宽度分析单元5。所述光纤电流传感器闭环信号处理系统包括被测光纤电流传感器、相位调制器和3光电信号处理单元4，所述光电信号处理单元4与所述被测光纤电流传感器的光电探测器电连接，所述相位调制器3电连接在所述被测光纤电流传感器的偏振器2和波片之间，且与所述光电信号处理单元4电连接。所述光电信号处理单元4与所述调制频率电压控制器6和频带宽度分析单元5均电连接。

调制频率电压控制器6将按照一定的频率调节输入至光电信号处理单元的电压M_IOC。相当于在在传感器的光学环路中引入非互易的光学相位Φ_IOC，其中M_IOC：≤12mV。在相位调制器可控电压范围内Φ_IOC与电压M_IOC之间呈线性关系：

Φ_IOC＝K_IOC*M_IOC(6)

其中，K_IOC为固定比例常数，IOC代表图2中的相位调制器3。

在本发明中，当光纤电流传感器所测导线的电流为零时，也就是当Φ_S为零时。由于外部磁场等因素，光纤电流传感器光纤环还是可以感应到初始的法拉第相位为Φ₀，对应的初始电流为I₀，通过调制频率电压控制器6在相位调制器3中施加电压M_IOC，在光学环路中加入了附加的调制相位Φ_C，此时光纤环中总的非互易相位Φ_T为：

Φ_T＝Φ₀+Φ_C(7)

其中，Φ_T类似现有的数字闭环系统中外部电流信号产生的非互易相位Φ_S。Φ₀为恒定值，通过测量不同频率电压输入情况下Φ_T，结合现有的光纤电流传感器闭环反馈系统的信号处理过程，可以得出如下关系：

Φ_J＝-Φ_T(8)

Φ_J类似现有的数字闭环系统中的补偿相位。而Φ_J＝(4NM)I_out，I_out在本发明中代表某一频率电压M_IOC下对应的输出电流。

因此，可以得出：

M_IOC＝-[(4NM)I_out+Φ₀]/K_IOC(9)

调制频率电压控制器6在调制相位器3中施加电压M_IOC与被测光纤电流传感器输出的电流呈线性关系，依据该原理，可以施加频带宽度电压值，测量不同频率输入下的电流输出，避免了在电流互感器频带宽度测试平台上进行繁琐程序的测试，实现了基于补偿相位控制信号来完成光纤电流传感器频带宽度的测试。

请参考图3，该图示出了本发明实施例提供的一种光纤电流传感器频带宽度测试方法的流程示意图。下面将结合图2和图3具体说明本发明提供的测试系统的工作过程。

如图3所示，一种光纤电流传感器频带宽度测试方法，应用于图2所示的光纤电流传感器频带宽度测试系统，包括以下步骤：

在步骤S01中，判断通过被测光纤电流传感器的外部电流是否为零，如果是，则进行下述步骤。

这个步骤的目的是将保证被测传感器的外部电流为零，那么在这种情况下，上述式(9)中的I_out，才能完全体现出被测传感器自身的特性，即测试系统得出的频带宽度才是去除了外部电流干扰的。

在步骤S02中，设置所述调制频率电压控制器6的初始输出电压值为零，获取所述被测光纤电流传感器的初始输出电流。

可以记初始电压为M₀，初始输出电流为I₀。

在步骤S03中，改变所述调制频率电压控制器6的输出电压，并且实时获取所述光纤电流传感器的输出电流。

将调制频率电压控制器6的输出电压序列记为M_n，被测光纤电流传感器的相应输出电流序列记为I_n，在M_n通过光电信号处理单元4中的电压信号输入单元402作用在相位调制器3后，在相位调制器3处形成调制相位，经过光电探测器，再在图2所示的光电信号处理单元4中转换为电流信号，形成输出电流系列I_n,该输出电流序列N_n从电流信号输出单元401输出至频带宽度分析单元5中，而且调制频率电压控制器6与频带宽度分析单元5电连接，那么输出电压序列M_n也同样可以发送至频带宽度分析单元5。

最后，在步骤S04中，根据分析所述输出电压和所述输出电流之间的关系，得到所述被测光纤电流传感器的频带宽度。

即在频率宽度分析单元5中，同步录取被测光纤电流传感器电流输出数据序列I_n以及调制电压输出序列M_n；对两组数据序列分别去除初始值，形成新的数据序列I_i＝(I_n-I₀)，M_i＝(M_n-M₀)；如果相应的I_i、M_i呈线性关系，则说明在I_i电流频率下，被测传感器可以正常工作，以此完成对测试光纤电流传感器的频带宽度。

其中，在步骤S03具体是指：

通过改变调制频率电压控制器6的输出电压，来控制光电信号处理单元4施加在相位调制器中3的模拟电压；

通过控制所述模拟电压，来改变相位调制器3对被测光纤电流传感器的调制相位；

通过控制所述调制相位，来改变所述被测光纤电流传感器的输出电流。

通过上述内容可见，本发明从光纤电流传感器闭环信号处理过程入手，在信号处理过程中引入模拟调制相位，来模拟不同频率下电力线电流引起的光学非互易性法拉第相位，测试光纤电流传感器的频带宽度。通过施加频带宽度电压值，测量不同频率电压输入下的电流输出，避免了在电流互感器频带宽度测试平台上进行繁琐程序的测试，实现了基于补偿相位控制信号来完成光纤电流传感器频带宽度的测试。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光纤电流传感器频带宽度测试系统，其特征在于，包括调制频率电压控制器、光纤电流传感器闭环信号处理系统和频带宽度分析单元；

所述光纤电流传感器闭环信号处理系统包括被测光纤电流传感器、相位调制器和光电信号处理单元，所述光电信号处理单元与所述被测光纤电流传感器的光电探测器电连接，所述相位调制器电连接在所述被测光纤电流传感器的偏振器和波片之间，且与所述光电信号处理单元电连接；

所述光电信号处理单元与所述调制频率电压控制器和频带宽度分析单元均电连接；所述调制频率电压控制器与所述频带宽度分析单元电连接。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器频带宽度测试系统，其特征在于，所述光电信号处理单元包括电压信号输入单元和电流信号输出单元，所述电压信号输入单元与所述调制频率电压控制器电连接，所述电流信号输出单元与所述频带宽度分析单元电连接。

3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器频带宽度测试系统，其特征在于，所述调制频率电压控制器的电压范围为小于或等于12mV。

4.一种光纤电流传感器频带宽度测试方法，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的光纤电流传感器频带宽度测试系统，包括以下步骤：

判断通过被测光纤电流传感器的外部电流是否为零，如果是，则进行下述步骤；

设置所述调制频率电压控制器的初始输出电压值为零，获取所述被测光纤电流传感器的初始输出电流；

改变所述调制频率电压控制器的输出电压，并且实时获取所述光纤电流传感器的输出电流；

根据分析所述输出电压和所述输出电流之间的关系，得到所述被测光纤电流传感器的频带宽度。

5.根据权利要求4所述的光纤电流传感器频带宽度测试方法，其特征在于，所述改变所述调制频率电压控制器的输出电压，并且实时获取所述光纤电流传感器的输出电流具体是指，

通过改变调制频率电压控制器的输出电压，来控制光电信号处理单元施加在相位调制器中的模拟电压；

通过控制所述模拟电压，来改变相位调制器对被测光纤电流传感器的调制相位；

通过控制所述调制相位，来改变所述被测光纤电流传感器的输出电流。