CN106970255A - 一种基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，包括：激光器输出的光经过光纤耦合器分为第一束光和第二束光，第一束光经过光纤耦合器再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器形成连续探测光，经过模式调制器调制光纤中传播的空间模式，进入少模光纤；而第四束光经过由波形产生器控制的声光调制器形成泵浦光，经过模式调制器调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器从相反的方向进入少模光纤；第二束光作为振荡光进入信号处理模块，提供相干检测，由输出单元得到测量的电流值。本发明通过消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度；对电流的测量能够满足标准0.2级精度。
Description
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，更具体地，涉及一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器。
背景技术
随着电力系统的不断发展，传统的电磁式电流传感器暴露出越来越多的问题，不能满足高电压、大电流的应用环境，因此光纤电流传感器是目前的研究重点。光纤电流传感器是根据法拉第效应的原理工作的，电流通过电导体(导线)产生感应磁场，感应磁场通过法拉第效应使缠绕在传导电流的导线上的光纤中传播的偏振面旋转。当传感光纤沿电流形成闭合回路时，偏振面的旋转角度等于：F＝NV∮LH·dL＝NVI；此处V表示光纤材料的费尔德常数，I表示电流，H表示此处，N表示传感光纤线圈匝数。
尽管光纤电流传感器存在测量动态范围大、抗电磁干扰能力强、成本低等诸多优势，在工程应用中仍面临一些问题，如系统依赖温度等环境因素和光纤受到应变等因素的影响，阻碍了光纤电流传感器的实用化进程。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，旨在解决现有技术中由于误差的影响导致电流测量精度低的技术问题；其目的在于，通过消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。
本发明提供了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，包括：激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、强度调制器、模式调制器、少模光纤、波形产生器、声光调制器、模式调制器、光纤环形器、相位调制器、1/4波片、传感光纤环、导线、反射镜、光电探测器和输出单元；所述激光器输出的光经过第一光纤耦合器分为第一束光和第二束光，其中第一束光经过所述第二光纤耦合器再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器形成连续探测光，连续探测光经过所述模式调制器调制光纤中传播的空间模式，进入所述少模光纤；而第四束光经过由波形产生器控制的声光调制器形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器从相反的方向进入少模光纤；光从少模光纤传出后，经过光纤环形器，进入相位调制器，两束正交的线偏振光经过1/4波片后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环，受到导线中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜后，两束圆偏振光模式互换，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F；经过1/4波片后恢复成线偏振光，通过相位调制器进行二次相位调制后返回光纤环形器后，进入信号处理模块；第二束光作为振荡光进入信号处理模块，提供相干检测，由输出单元得到测量的电流值。
更进一步地，相位调制器与主轴45°熔接。
更进一步地，模式调制器包括：准直透镜、偏振分束器、反射镜、空间光调制器、反射镜、偏振分束器和准直透镜；泵浦光通过准直透镜扩束后进入偏振分束器分为两束光，一束光通过反射镜反射后与另一束光一起射入空间光调制器上受到调制，一束输出光通过反射镜进入偏振分束器，另一束输出光直接进入偏振分束器，再次经过准直透镜，并耦合进少模光纤。
更进一步地，空间光调制器用于对光波的空间分布进行调制，通过成像在空间光调制器的像素平面上，光的像素与空间光调制器的像素一一对应，光受到调制器上像素的调制，输出的光具有特定的空间模式。
更进一步地，通过控制所述空间光调制器上的相位模式来调制相应的光空间模式。
更进一步地，信号处理模块包括：第一乘法器、第二乘法器、移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、布里渊频移检测模块、补偿模块和相位解调模块；所述第一乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第一乘法器的第二输入端用于连接参考光信号；所述移相器的输入端连接至所述参考光信号，所述第二乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第二乘法器的第二输入端连接至所述移相器的输出端；所述第一低通滤波器的输入端连接至所述第一乘法器的输出端，所述第二低通滤波器的输入端连接至所述第二乘法器的输出端，所述布里渊频移检测模块的输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端；所述补偿模块的输入端连接至所述布里渊频移检测模块的输出端；所述相位解调模块的第一输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第二输入端连接至所述第二低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第三输入端连接至所述补偿模块的输出端；所述相位解调模块的输出端用于输出待测电流值。
更进一步地，布里渊频移检测模块包括：依次连接的FFT模块，扫描积分模块和布里渊增益谱拟合模块；FFT模块用于实现傅里叶变换功能，将时域信号变换至频域并加以分析；所述扫描积分模块用于实现在布里渊频率周围进行扫描积分，构成有布里渊增益信号和无布里渊增益信号的频谱；所述布里渊增益谱拟合模块用于平滑布里渊增益谱线型，拟合成洛伦兹线型，实现捕捉布里渊增益谱中心频率的移动量。
相对于普通的光纤电流传感器，本发明首次在光纤电流传感器中添加少模光纤，利用少模光纤的特性，进一步优化光纤电流传感系统。由于布里渊散射光的频移与光纤的温度和应变存在线性关系，而不同空间模式的光，其对温度和应变的响应不同，本发明系统采用少模光纤中传输的两种空间模式的布里渊频移，精准测量出光纤电流传感系统的温度和应变信息。基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的原理，利用强度调制器和声光调制器使探测光和泵浦光之间的频差满足光纤的布里渊频率(针对1310nm光源，大致为10.5GHz)范围，从而得到布里渊增益谱，布里渊增益谱的频率移动可实现温度和应变的变化量的检测。系统采用相干检测的方案，降低噪声对系统的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中模式调制器的原理示意图；
图3为本发明中信号处理模块的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及光纤电流传感器，尤其涉及一种由少模光纤组成的测量精准的光纤电流传感器；提出了一种基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器；少模光纤因其传输容量大而备受瞩目，随着少模光纤制备技术的逐渐成熟，近几年来，出现了将少模光纤应用在分布式传感器的研究。
光纤电流传感器的误差来源主要有三个：工艺误差、温度误差和应变误差。其中工艺误差随着熔接工艺及制备工艺的成熟已经逐步减小，但是温度和应变误差对光纤电流传感器的精度问题影响较大。温度误差主要来自传感部分，温度改变会造成传感光纤的热胀冷缩，改变了光纤表面的应力分布，产生温致线性双折射；温度还会改变光纤费尔德常数，这是光纤感应磁场的基本参数。应变误差来源于光纤受到轴向的拉伸应力而发生应变，导致光纤中产生了应变线性双折射。
本发明首次将少模光纤应用在光纤电流传感器中，消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度，使系统满足工业化0.2精度等级。
本发明提供的基于少模光纤的光纤电流传感器包括：激光光源，光电探测器，光纤耦合器，强度调制器，波形产生器，声光调制器，模式调制器，少模光纤，光纤环形器，相位调制器，1/4波片和传感光纤环；激光光源的尾纤与第一光纤耦合器的输入光纤熔接，第一光纤耦合器的一根尾纤与光电探测器的输入光纤熔接，另一根尾纤与第二光纤耦合器的输入光纤熔接，第二光纤耦合器的一根尾纤通过强度调制器与模式调制器的输入光纤熔接，模式调制器的尾纤与少模光纤熔接，第二光纤耦合器的另一根尾纤经过声光调制器与模式调制器的输入光纤熔接，波形产生器与声光调制器连接，少模光纤和模式调制器的尾纤分别与光纤环形器的两根输入光纤熔接，光纤环形器的一根尾纤与光电探测器的输入光纤熔接，光纤环形器的另一根尾纤以45°与相位调制器的输入光纤熔接，相位调制器的尾纤以0°与光纤1/4波片熔接，光纤1/4波片与传感光纤环的输入光纤熔接，传感光纤的末端镀有反射膜。
相对于普通的光纤电流传感器，本发明首次在光纤电流传感器中添加少模光纤，利用少模光纤的特性，进一步优化光纤电流传感系统。由于布里渊散射光的频移与光纤的温度和应变存在线性关系，而不同空间模式的光，其对温度和应变的响应不同，本发明系统采用少模光纤中传输的两种空间模式的布里渊频移，精准测量出光纤电流传感系统的温度和应变信息。基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的原理，利用强度调制器和声光调制器使探测光和泵浦光之间的频差满足光纤的布里渊频率(针对1310nm光源，大致为10.5GHz)范围，从而得到布里渊增益谱，布里渊增益谱的频率移动可实现温度和应变的变化量的检测。系统采用相干检测的方案，降低噪声对系统的影响。
本发明使用的少模光纤没有特殊的结果或芯/包层结构，因此少模光纤的集成工艺与标准单模光纤兼容，整体系统更容易实现搭建，且成本较低。在多参数传感方面，少模光纤相比其他特种光纤更有优势。
本发明基于少模光纤的光纤电流传感器能够精准测量出该系统的温度和应变信息，实现系统的温度和应变误差补偿，基本上消除了温度和应变环境因素对系统传感性能的影响，提高了系统的测量精度。并且本发明系统可根据测量的温度和应变信息，实时对系统进行调整，如对光源部分和传感光纤的封装等部分进行完善。
光纤电流传感器利用传感光纤的法拉第效应实现测量的，即被测导线周围的磁场引起传感光纤中两束不同旋向的圆偏振光以不同速度传输从而产生相位差，通过测量干涉后的信号复制可以间接测量导线中电流的大小。当两束旋向相反的圆偏振光经过光纤时，由于法拉第效应，两束圆偏振光的传播速度发生改变，引起两束光之间相位差发生变化。通过测量相干的两束光之间的干涉光强的变化就可以间接测量导线电流的大小。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感，现结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明如下：
参照图1，本发明所示基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器包括：激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、强度调制器4、模式调制器5、少模光纤6、波形产生器7、声光调制器8、模式调制器9、光纤环形器10、相位调制器11、1/4波片12、传感光纤环13、导线14、反射镜15、光电探测器16和输出单元17。
从激光器1输出的光经过第一光纤耦合器2分为两束光，其中一束光经过第二光纤耦合器3再次分为两束光，一束光经过强度调制器4形成连续探测光，连续探测光经过模式调制器5调制光纤中传播的空间模式，进入少模光纤6。而另一束光经过由波形产生器7控制的声光调制器8形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器9调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器10从相反的方向进入少模光纤6。
参照图1，本发明所示基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器包括三条通道：上通道是连续探测光通道，经过强度调制(IM)后，产生一个双边带信号，经过窄带半带滤波器滤除低边带，得到单边带信号，经过模式调制模块进入少模光纤部分。中通道是脉冲泵浦光通道，声光调制器由波形产生器驱动，入射光经过声光调制(AOM)后，调制成一个高斯脉冲信号，然后通过模式调制模块从相反的方向进入少模光纤部分。下通道是本机振荡光通道，提供相干检测。
参照图2，模式调制器包括：准直透镜19、偏振分束器20、反射镜21、空间光调制器22、反射镜23、偏振分束器24、准直透镜25。单模光纤18中的光通过准直透镜19扩束，进入偏振分束器20分为两束光，一束光通过反射镜21，同另一束光一起射入空间光调制器22上受到调制，一束输出光通过反射镜23进入偏振分束器24，另一束输出光直接进入偏振分束器24，再次经过准直透镜25，耦合进少模光纤26。模式调制器具有调制进入少模光纤中的光的空间模式的功能，主要体现在空间光调制器22上，空间光调制器22可以对光波的空间分布进行调制，通过成像在空间光调制器的像素平面上，光的像素与空间光调制器的像素一一对应，光受到调制器上像素的调制，输出的光具有特定的空间模式。通过控制空间光调制器22上的相位模式，即可调制相应的光空间模式。
少模光纤能够传输两种不同的空间模式，当少模光纤受到的温度和应变发生变化时，其散射光的布里渊频移会发生相应的变化，针对不同的空间模式i和j，其布里渊频移对温度和应变的响应不同，可表示为：此处H是传输矩阵；Ai(j)和Bi(j)分别表示模式i(j)的温度和应变系数。因此可求解出温度和应变的变化量：此处分母矩阵行列式det(H)需要有精确的数值，才能保证较高的辨别精度。
基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)原理，泵浦光和探测光分别从光纤的两端注入光纤中，当两路光之间的频差满足布里渊频移，泵浦光的能量转移给探测光，得到布里渊增益谱。
参照图1，经过光纤环形器10后，进入与主轴45°熔接的相位调制器11，两束正交的线偏振光经过1/4波片12后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环13，受到导线14中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜15后，两束圆偏振光模式互换(左旋变右旋，右旋变左旋)，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F。经过1/4波片12后恢复成线偏振光，通过相位调制器11进行二次相位调制后，返回光纤环形器10后，进入信号处理模块16。
激光经过光纤耦合器1后，另一束光作为本机振荡光进入信号处理模块16，提供相干检测，输出单元17得到测量的电流值。
参照图3，信号处理模块包括：移相器，乘法器，低通滤波器(LPF)，检测布里渊频移模块(包括傅里叶变换FFT，扫描积分，拟合布里渊增益谱)，温度应变补偿模块，相位解调模块。探测光信号和参考光信号均与相乘器连接，输出连接低通滤波器(LPF)，进入检测布里渊频移模块，信号经过傅里叶变换FFT模块后转换成频谱，以一定的步长(通常取250MHz)在布里渊频移10.5GHz周围扫描积分，拟合得到洛伦兹线型的布里渊增益谱。当少模光纤所处环境的温度和应变发生改变时，布里渊增益谱中心频率会发生移动。测量频移量之后，根据布里渊频移同温度、应变之间的关系式，得到温度和应变信息，进入温度应变补偿模块。温度应变补偿模块的原理是按照温度和应变两种环境因素对光纤电流传感器的影响，确定的补偿关系式。探测光信号与移相π/2后的参考光进入相乘器，输出连接低通滤波器(LPF)，形成与上路信号正交的下路信号，两路信号与相位解调模块相连，相位解调模块是将两路信号相除，得到与光强无关，与频率、相位差有关的信号。从相位差信息可以得到测量电流的大小。
参照图3，在双通道中，信号通道将探测光信号一分为二，参考通道将输出两路相互正交的正余弦信号，其中一路是经过移相得到的。将探测光信号分别与正交的参考光信号在相关器中进行运算，输出倍频和差频的两路信号。经过低通滤波器滤除倍频信号，得到正交的IQ信号。将IQ信号进行矢量运算后即可得到相位差信息。同时，将I信号进行傅里叶变换成频谱，在布里渊频移处进行扫描，得到布里渊增益谱，观察在不同温度和应变情况下的布里渊增益谱中心频率位置。针对LP01和LP11两种光波模式，检测布里渊频移解调得到温度应变的变化量。根据得到的温度应变信息补偿系统的温度和应变误差，从而保证了测量电流的精确度。
探测光信号可表示为：参考光信号可表示为：探测光与参考光信号相乘后，得到：经过低通滤波器(LPF)后，滤除高阶信号，得到I信号：将参考光信号移相π/2后，再与探测光信号相乘滤波后，得到Q信号：I信号与Q信号相互正交。由于已知ωs-ωr，两路正交信号，可以相除得到：进而解调得到相位信息从相位差即可间接得到测量电流的大小：仿真实验表明，本发明系统可以实现电流的精准测量，实现温度和应变的误差补偿，系统达到0.2级测量精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，包括：激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、强度调制器(4)、模式调制器(5)、少模光纤(6)、波形产生器(7)、声光调制器(8)、模式调制器(9)、光纤环形器(10)、相位调制器(11)、1/4波片(12)、传感光纤环(13)、导线(14)、反射镜(15)、光电探测器(16)和输出单元(17)；
所述激光器(1)输出的光经过第一光纤耦合器(2)分为第一束光和第二束光，其中第一束光经过所述第二光纤耦合器(3)再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器(4)形成连续探测光，连续探测光经过所述模式调制器(5)调制光纤中传播的空间模式，进入所述少模光纤(6)；而第四束光经过由波形产生器(7)控制的声光调制器(8)形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器(9)调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器(10)从相反的方向进入少模光纤(6)；
光从少模光纤(6)传出后，经过光纤环形器(10)，进入相位调制器(11)，两束正交的线偏振光经过1/4波片(12)后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环(13)，受到导线(14)中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜(15)后，两束圆偏振光模式互换，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F；经过1/4波片(12)后恢复成线偏振光，通过相位调制器(11)进行二次相位调制后返回光纤环形器(10)后，进入信号处理模块(16)；
第二束光作为振荡光进入信号处理模块(16)，提供相干检测，由输出单元(17)得到测量的电流值。
2.如权利要求1所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述相位调制器(11)与主轴45°熔接。
3.如权利要求1所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述模式调制器(9)包括：准直透镜(19)、偏振分束器(20)、反射镜(21)、空间光调制器(22)、反射镜(23)、偏振分束器(24)和准直透镜(25)；
泵浦光通过准直透镜(19)扩束后进入偏振分束器(20)分为两束光，一束光通过反射镜(21)反射后与另一束光一起射入空间光调制器(22)上受到调制，一束输出光通过反射镜(23)进入偏振分束器(24)，另一束输出光直接进入偏振分束器(24)，再次经过准直透镜(25)，并耦合进少模光纤(26)。
4.如权利要求3所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述空间光调制器(22)用于对光波的空间分布进行调制，通过成像在空间光调制器的像素平面上，光的像素与空间光调制器的像素一一对应，光受到调制器上像素的调制，输出的光具有特定的空间模式。
5.如权利要求4所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，通过控制所述空间光调制器(22)上的相位模式来调制相应的光空间模式。
6.如权利要求1-5任一项所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括：第一乘法器、第二乘法器、移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、布里渊频移检测模块、补偿模块和相位解调模块；
所述第一乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第一乘法器的第二输入端用于连接参考光信号；
所述移相器的输入端连接至所述参考光信号，所述第二乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第二乘法器的第二输入端连接至所述移相器的输出端；
所述第一低通滤波器的输入端连接至所述第一乘法器的输出端，所述第二低通滤波器的输入端连接至所述第二乘法器的输出端，所述布里渊频移检测模块的输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端；所述补偿模块的输入端连接至所述布里渊频移检测模块的输出端；
所述相位解调模块的第一输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第二输入端连接至所述第二低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第三输入端连接至所述补偿模块的输出端；所述相位解调模块的输出端用于输出待测电流值。
7.如权利要求6所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述布里渊频移检测模块包括：依次连接的FFT模块，扫描积分模块和布里渊增益谱拟合模块；FFT模块用于实现傅里叶变换功能，将时域信号变换至频域并加以分析；所述扫描积分模块用于实现在布里渊频率周围进行扫描积分，构成有布里渊增益信号和无布里渊增益信号的频谱；所述布里渊增益谱拟合模块用于平滑布里渊增益谱线型，拟合成洛伦兹线型，实现捕捉布里渊增益谱中心频率的移动量。
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