CN106706992B - 采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器 - Google Patents

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Abstract

采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，属于光学电流传感测量技术领域。本发明为解决闭环反馈结构复杂可靠性低或偏振检测法测量精度低易受外界干扰，难以满足现代电力系统对电流测量的要求。本发明SLD光源接光纤耦合器的一端，光纤耦合器的另一端接光纤起偏器，光纤起偏器的另一端接保偏光纤延迟线，保偏光纤延迟线的另一端接N1匝传感光纤，传感光纤另一端接反射镜，N2匝反馈线圈缠绕在N1匝传感光纤上，N2匝反馈线圈两端分别接反馈电流源的正负极，反馈电流源的控制端接信号处理器；光纤耦合器的下半部分接光电探测器，光电探测器另一端接信号处理器。本发明具有结构简单、可靠性高、受外界干扰小、测量精度高的优点。

Description

采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器
技术领域
本发明涉及一种全光纤电流互感器，具体涉及一种采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，属于光学电流传感测量技术领域。
背景技术
随着智能电网的发展，电网的电压等级越来越高，传统的电磁式电流互感器由于存在磁路饱和问题，动态性能不好，绝缘安全性不理想等种种弊端，已经不能满足现代智能电网系统建设的需求。而随着现代光纤技术、数字电子技术的发展，全光纤式电流互感器取代传统的电磁式电流互感器已成为发展的必然趋势。
全光纤电流互感器是基于Faraday磁致旋光效应和安培环路定律的一种电流互感器，采用传感光纤来对电流进行测量，目前全光纤电流互感器主要分为基于干涉陀螺原理的全光纤电流互感器和基于偏振检测法的全光纤电流互感器。基于干涉陀螺原理的全光纤电流互感器结构采用对称互易光路和闭环反馈结构使得测量精度较高，抵御外界干扰能力较强，但是由于所采用的技术复杂较复杂，器件较多，可靠性不高，尤其是传输系统所必需的1/4波片，45°角熔接，相位调制器容易受到温度等外界因素影响，而造成测量结果的误差，存在长期运行稳定性问题。而采用偏振测量法的光纤电流互感器虽然结构简单，采用的光学器件较少，可靠性高，但是不具有闭环反馈结构同时也不是对称互易光路，所以测量的精度较低，抵御外界干扰的能力较弱。
综上所述，现有的全光纤电流互感器或存在长期运行稳定性或存在温度稳定性，很难能满足现代电力系统对电流测量的要求。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明的目的是针对现有的基于干涉陀螺测量法的光纤电流互感器和偏振测量法的光纤电路互感器的弊端，结合偏振检测法的全光纤电流互感器的结构简单、稳定性高的优点和干涉陀螺光纤电流互感器闭环反馈结构、对称互易光路的优点，取长补短提出一种的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电流互感器。
本发明所采取的方案为：采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，包括SLD光源、光纤耦合器、光纤起偏器、保偏光纤延迟线、传感部分、光电探测器和信号处理器；所述传感部分包括N1匝传感光纤、N2匝反馈线圈、反射镜和附加反馈电流源；
SLD光源接光纤耦合器的一端的上半部分，光纤耦合器的另一端接光纤起偏器，光纤起偏器的另一端接保偏光纤延迟线，保偏光纤延迟线的另一端接传感部分；
所述N1匝传感光纤一端接保偏光纤延迟线，另一端接反射镜；N2匝反馈导线缠绕在N1匝传感光纤上，N2匝反馈线圈两端分别接反馈电流源的正负极，反馈电流源的控制端接信号处理器；
光纤耦合器与SLD光源连接端的下半部分接光电探测器，光电探测器将光学信号转换为模拟电信号传递给信号处理器进行调制和解调，信号处理器将调制和解调制的信号用以控制附加反馈电流源产生相应的反馈电流，反馈电流通过缠绕在N2匝反馈导线来产生反馈磁场；
所述光纤耦合器、光纤起偏器、保偏光纤延迟线、传感部分构成一个闭环反馈结构。
本发明采用了偏振检测法，同时具有对称互易光路和闭环反馈结构。偏振检测法结构简单，光学器件少，稳定性高；对称互易光路能够降低外界抗干扰，闭环反馈的结构能够形成整得的闭环反馈控制。
SLD光源发出一束光，经过起偏后，线偏振光通过保偏延迟线到传感部分，在被测电流I产生的磁场、信号反馈电流i2产生的反馈磁场和调制电流i1产生的调制磁场的三重作用下，线偏振光发生角度大小为的偏转，在通过反射镜反射，由于光的偏转方向只与磁场方向有关，与光传输方向无关，所以反射后，线偏振光发生二次偏转，使得偏转角加倍，此时偏转角度为再通过延迟线传输到检偏器进行检偏，此时起偏器的作用为检偏器，再通过光纤耦合器将带有被测电流信息的线偏振光传输到光电探测器，光电检测器将光强信号转为电信号传输到信号处理器进行处理得到被测电流I大小，同时将信号处理器发出信号激励给附加反馈电流源，使附加反馈电流源产生一个与被测电流I大小相等，与被测电流I产生的磁场方向相反的信号反馈电流i2，用来附加一个与法拉第旋转角大小相等，方向相反的附加反馈角β。同时为了能获得最大灵敏度，信号处理器还要给附加反馈电流源一个能够产生够产生反馈角度为α＝±π/2的调制反馈电流i1的信号，使得测量信号灵敏度最高，此时光强公式为：
式中，J0是光强，是法拉第旋转角，N1为传感光纤匝数，I为被测电流；其中N2为反馈线圈匝数；
进而可以得到
故：总的附加反馈电流为：
i＝i1+i2 (4)
本发明所达到的效果为：
本发明同时兼顾干涉陀螺原理的全光纤电流互感器和偏振检测法的全光纤电流互感器的优点，采用较少的器件，可靠性高，结构较简单，还具有对称互易光路和闭环反馈的能力，测量电流的精度较高。
附图说明
图1为本发明的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器的结构示意图；
图2为本发明的传感部分示意图。
具体实施方式
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：本实施方式的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，包括SLD光源1、光纤耦合器2、光纤起偏器3、保偏光纤延迟线4、传感部分5、光电探测器6、信号处理器7，所述传感部分5还包括N1匝传感光纤5-1、N2匝反馈线圈5-2、反射镜5-3、附加反馈电流源5-4。
SLD光源1接光纤耦合器2的一端的上半部分，光纤耦合器2的另一端接光纤起偏器3，光纤起偏器3的另一端接保偏光纤延迟线4，保偏光纤延迟线4的另一端接传感部分5中的N1匝传感光纤5-1，N1匝传感光纤5-1的另一端接反射镜5-3，N2匝反馈线圈5-2均匀缠绕在N1匝传感光纤5-1上，N2匝反馈线圈5-2两端分别接反馈电流源5-4的正负极，反馈电流源5-4的控制端接信号处理器7。光纤耦合器2与SLD光源1连接端的下半部分接光电探测器6，光电探测器6将光学信号转换为模拟电信号传递给后面的信号处理器7进行调制和解调，然后将调制和解调制的信号来控制附加反馈电流源5-4产生相应的反馈电流，反馈电流通过缠绕在N2匝反馈导线5-2来产生反馈磁场。
光纤耦合器2、光纤起偏器3、保偏光纤延迟线4、传感部分5构成一个闭环反馈结构。
SLD光源1发出一束光，经过光纤起偏器3起偏后变为线偏振光，线偏振光通过保偏延迟线4到传感部分5，在被测电流I产生的磁场、信号反馈电流i2产生的反馈磁场和调制方波电流i1产生的调制磁场的三重作用下，线偏振光发生角度大小为的偏转，在通过反射镜5-3反射，由于光的偏转方向只与磁场方向有关，与光传输方向无关，所以反射后，线偏振光发生二次偏转，使得偏转角加倍，此时偏转角度为再通过延迟线4传输到光纤起偏器3进行检偏，再通过光纤耦合器2将带有被测电流信息的线偏振光传输到光电探测器6，光电检测器6将光强信号转为电信号传输到信号处理器7进行处理得到被测电流I大小，同时将信号处理器7发出信号激励给附加反馈电流源5-4，使附加反馈电流源5-4产生一个与被测电流I大小相等，与被测电流I产生的磁场方向相反的反馈电流i2，用来附加一个与法拉第旋转角大小相等，方向相反的附加反馈角β。同时为了能获得最大灵敏度，信号处理器7还要给附加反馈电流源5-4一个能够产生够产生反馈角度为α＝±π/2的调制反馈i1的信号，使得测量信号灵敏度最高，此时检测到的光强大小为：
式中，J0是光强，是法拉第旋转角，N1为传感光纤匝数，I为被测电流。其中N2为反馈线圈匝数；
进而可以得到
故：总的附加反馈电流为：
i＝i1+i2 (4)
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述基于偏振检测法的闭环式全光纤电路互感器的传感部分进一步说明，N1匝传感光纤5-1绕被测电流导线制作一个光纤环，来增强对被测电流的检测能力；N2匝反馈线圈5-2缠绕在N1匝传感光纤5-1上，产生反向磁场来对被测电流进行反馈，以此提高系统的测量精度和抵御外界干扰的能力。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (4)

1.采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，其特征在于：包括SLD光源（1）、光纤耦合器（2）、光纤起偏器（3）、保偏光纤延迟线（4）、传感部分（5）、光电探测器（6）和信号处理器（7）；所述传感部分（5）包括N1匝传感光纤（5-1）、N2匝反馈线圈（5-2）、反射镜（5-3）和附加反馈电流源（5-4）；
SLD光源（1）接光纤耦合器（2）的一端的上半部分，光纤耦合器（2）的另一端接光纤起偏器（3），光纤起偏器（3）的另一端接保偏光纤延迟线（4），保偏光纤延迟线（4）的另一端接传感部分（5）；
所述N1匝传感光纤（5-1）一端接保偏光纤延迟线（4），另一端接反射镜（5-3）；N2匝反馈导线（5-2）缠绕在N1匝传感光纤（5-1）上，N2匝反馈线圈（5-2）两端分别接反馈电流源（5-4）的正负极，反馈电流源（5-4）的控制端接信号处理器（7）；
光纤耦合器（2）与SLD光源（1）连接端的下半部分接光电探测器（6），光电探测器（6）将光学信号转换为模拟电信号传递给信号处理器（7）进行调制和解调，信号处理器（7）将调制和解调制的信号用以控制附加反馈电流源（5-4）产生相应的反馈电流，反馈电流通过缠绕在N2匝反馈导线（5-2）来产生反馈磁场；
所述光纤耦合器（2）、光纤起偏器（3）、保偏光纤延迟线（4）、传感部分（5）构成一个闭环反馈结构。
2.根据权利要求1所述的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，其特征在于：反馈补偿角大小为：
；
方向相反的附加反馈角大小为：
；
其中，i1为调制反馈电流，；i2为信号反馈电流，；N1为传感光纤匝数；N2为反馈线圈匝数；φf是法拉第旋转角。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，其特征在于：附加反馈电流源(5-4)产生的反馈电流i大小的算法为：
i=i1+i2
其中，i1为调制反馈电流，i2为信号反馈电流，N1为传感光纤匝数，N2为反馈线圈匝数，φf是法拉第旋转角。
4.根据权利要求1所述的采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器，其特征在于：N1匝传感光纤（5-1）绕被测电流导线制作一个光纤环；N2匝反馈线圈（5-2）均匀缠绕在N1匝传感光纤（5-1）上。
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