CN107796300B - 使用环路增益来确定干涉对比度的闭环干涉型传感器 - Google Patents
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Abstract
为了测量基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置中的干涉的对比度，反馈控制器(12)中的反馈环路的增益被评估。这个增益被发现是对比度的量度。以这种方式评估的对比度例如能够被用于在确定传感器装置的被测量时的周期消除歧义。传感器装置能够例如是高电压传感器或电流传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置中的干涉对比度的方法。本发明还涉及这种基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置。
在这个上下文中，“基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置”是一种传感器装置，其适合于依靠第一与第二波(其中至少一个经过了感测元件)之间的光学干涉来测量被测量（measurand）。它包括用于改变两个波之间的相移的相位调制器以及用于从波的干涉来确定测量信号的光传感器。反馈控制器通过控制相位调制器将测量信号保持在给定参考值。
背景技术
基于干涉型测量的宽范围光学DC电压感测的关键问题是如何跨许多2π周期唯一地确定电压引起的电光相移。为此，在先前专利申请[1]中已经证明基于干涉-对比度的方法，其对于超出±500 kV的电压范围工作良好。
调制相位检测(MPD) [2]是用来在光学系统中测量相移的强大询问技术。以此技术，高频相位调制波形被叠加到待测量相移上。这个相移则能够从偏振测定光学响应波形的测量来得出。MPD技术的极大优点在于，因为感兴趣相移从偏振测定响应波形的形状而不是绝对信号幅度来计算，所以测量(以及具体地其零点稳定性)大体上不受光功率波动或损耗变化所影响。与传统偏振测定相位测量技术相比，MPD享有优良的精度、DC稳定性和健壮性。
通常，MPD传感器按照互易（reciprocal）配置、以萨格纳克干涉仪的形式或者以反射形式来实现，以便消除来自系统中的附加双折射元件(例如PM光纤或相位调制器晶体)的相移，其可例如随温度变化或机械扰动而缓慢漂移。这类互易MPD方案通常称作“非互易相位调制”，因为非互易强加的相位调制和待测量相移是测量信号中保留的唯一相移。已经看到互易MPD方案在光纤陀螺仪[2]以及后来在光纤电流传感器(FOCS) [3、4]中得到广泛采用。近来，已经表明，MPD的非互易形式、即差分MPD [5]也能够被用来实现类似性能，这对于要求块状（bulk）光学感测元件的应用具有极大益处。
MPD技术能够被用于光学电压感测[6]，其中普克尔晶体中的两个正交偏振光波之间的差分电光相移被测量以确定所施加电压。在其中所要求电压范围大于感测晶体的π电压的情况下，已经表明，可通过另外测量干涉对比度[1](其作为低相干光源的相干范围之内的两个偏振光波之间的组延迟(以及等效地相移)的函数而改变)对相移周期消除歧义。相移主值和干涉对比度的组合允许在许多2π周期中的电光相移的明确确定，覆盖电压范围> ±500 kV。作为示例[1]，已经表明，在开环正弦波MPD方案中，干涉对比度可通过测量光学响应的DC电平来确定。
大多数商业MPD传感器使用以闭环控制的方波调制，并且由[1]所教导的方案不适用于这类系统。
发明内容
因此，要解决的问题是要提供上面提及的闭环类型的方法和装置，其允许测量干涉对比度或者测量取决于这个干涉对比度的值。
这个问题通过独立权利要求的方法和装置来解决。实施例通过从属权利要求、其组合以及连同附图的描述给出。
具体来说，该方法包括下列步骤：
-依靠光源来生成第一和第二光波：这是要被用于探测感测元件的光。
-发送至少所述第一波通过感测元件，其中所述感测元件的至少一个折射率取决于被测量：以这种方式，被测量相关的相移在两个波之间被生成。有利地，两种波均通过感测元件、但在不同偏振下发送。甚至更有利地，波被反射回到感测元件中以便两次通过它。
-发送所述第一和/或所述第二波通过相位调制器，以用于相加所述第一与第二波之间的相移或相移调制
，其中所述相移调制
通过控制信号
来控制：这个相移调制
加到通过感测元件所生成的被测量相关的相移。
-使所述第一和所述第二波发生干涉(在它们至少一次经过感测元件和相位调制器之后)，并且确定光传感器中的测量干涉信号
：干涉信号至少准周期地取决于所述第一与第二波之间的相移。
-将由于相位调制器引起的所述测量信号
的调制幅度用于确定误差信号
。
-将所述误差信号
馈送到反馈环路，以用于生成所述控制信号
，其中反馈环路争取以反馈环路增益G将误差信号
保持为零。为了实现反馈控制的最佳响应性和稳定性，理想反馈环路增益将被设置为
并且如此被调整以便保持反馈控制系统操作在所述最佳条件中。
此外，该方法包括将所述增益G用于确定所述波的干涉对比度的步骤。
在另一方面中，本发明涉及一种基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置，包括：
-控制单元：这是控制装置的操作的单元。在有利实施例中，控制单元适合和构造成执行本文描述的方法的步骤的一个或多个。
-光源，用于生成第一和第二光波：这又是用于探测感测元件的光。
-感测元件，具有取决于被测量的至少一个折射率，其中所述光源被定位成发送至少所述第一波通过所述感测元件：以这种方式，被测量相关的相移在两个波之间被生成。感测元件能例如是普克尔效应电光晶体。
-相位调制器，适合和构造成相加所述第一与第二波之间的相移调制
，其中所述相移调制
通过控制信号
来控制：这个相移调制
加到由感测元件所生成的相移。
-光传感器，适合和构造成从所述第一和所述第二波在通过所述感测元件和所述相位调制器之后的干涉来确定测量信号：以这种方式，几乎周期地取决于两个波之间的相移的信号能够被得出。
-反馈控制器，适合和构造成将所述干涉信号的调制幅度用于确定误差信号
，并且生成所述控制信号
，其中所述反馈控制器具有最佳增益G
这种反馈控制器争取以为最佳稳定性和响应性所调整的增益将误差信号保持为零。
此外，控制单元适合和构造成将最佳增益G用于确定波的干涉对比度。
本发明基于如下理解：最佳增益G是在光传感器处的波的干涉对比度的函数，即，干涉对比度能够从最佳增益G来确定。
在这个上下文中，表达“确定干涉对比度”要被理解，使得干涉对比度显式地被确定，或者使得取决于干涉对比度的量被确定。
有利地，两个等级
之间的相位调制
被生成。在这种情况下，
是通过控制信号所控制的偏移量（offset）。有利地，
。
在这种情况下，调制
下的干涉信号的幅度被测量，其中I+和I-分别是在调制相位等级
的干涉信号电平。这个信号
被用作要由控制系统来保持为零的误差信号。
有利地，传感器装置包括对于相位调制器的电压驱动器，从而生成上面提及的相位调制。
在有利实施例中，最佳增益G能够被用于计算所述被测量。
具体来说，在干涉型光学传感器装置中，测量信号常常是被测量的准周期函数。在这个上下文中，“准周期”和“准周期性”被理解成描述测量信号是被测量的周期函数，除了其振荡幅度(即，干涉对比度)具体因光源的受限相干长度而改变之外。因此，最佳增益G能够被用于测量信号的准周期性的消除歧义，如例如[1]所教导的。
在特别有利的实施例中，本发明能够被用于感测电压。在那种情况中，所述被测量被说成是电压。感测元件位于通过电压所生成的电场中。以及感测元件的至少一个折射率取决于电场，即，感测元件是电光感测元件、具体是展现普克尔效应的晶体，其中材料的线性双折射是所施加电场的线性函数。
本发明特别适合于测量至少100 kV、具体为至少500 kV的高电压。它能够有利地被用于DC电压。但是它也能够被用于测量AC电压。
本发明对于各种HVDC应用（包含例如在直流气体绝缘变电站(DC GIS)中的HVDCLight、HVDC Classic和离岸DC应用）是理想的。
在另一有利实施例中，本发明能够被用于感测电流。在那种情况中，被测量被说成是电流。感测元件位于通过电流所生成的磁场中。以及感测元件的至少一个折射率取决于磁场，例如感测元件是磁光感测元件、具体是缠绕携带电流的导体的光纤，其中圆双折射是磁场的线性函数。
在又一有利实施例中，本发明能够被用于感测光学陀螺仪中的加速度。
增益能够例如通过间断地测量该测量干涉信号幅度对控制信号
的变化的响应来确定。术语“间断地”在这种情况下有利地被理解为这个确定步骤的周期或者非周期发生，而控制环路的正常操作在确定步骤之间进行。
在另一有利实施例中，本发明涉及一种方法，其中确定的最佳增益G被用来校正在传感器装置中、具体在光学电压感测中具体由于漂移和/或组件未对齐引起的系统误差。
本发明表明，有可能使用例如闭环方波MPD系统的反馈环路增益来确定干涉对比度，而无需附加硬件。测量干涉对比度的能力例如实现扩展超出2π的明确相移测量范围，其对一些应用、例如光学DC电压测量至关重要。本发明还能够被用来监测PER(偏振消光比)变化，并且对于FOCS系统中的电流测量比例因子的对应变化进行校正。
本发明证明，在没有任何附加硬件的情况下，干涉对比度能够在MPD检测方案中从环路增益(其在当前ABB系统中连续被测量以用于操作调节)被容易地确定。
结合例如如[1]所描述的基于干涉对比度的周期消除歧义方法，本发明提供实现宽电压范围中的光学DC电压感测的核心技术。
闭环方波调制相位检测(MPD)方案的具体优点是优良比例因子和零点稳定性，其两者均对于DC电压的准确测量是所需要的。本发明证明，在没有任何附加硬件的情况下，干涉对比度能够在MPD检测方案中从环路增益(其由控制系统连续被测量以用于操作调节)被容易地确定。结合基于干涉对比度的周期消除歧义方法，本发明提供实现宽电压范围中的光学DC电压感测的核心技术。
以闭环MPD的干涉对比度的测量对感测系统的进一步改进也是有益的，其中测量比例因子对光纤链路的偏振消光比(PER)是敏感的。例如由于光纤连接器性质的变化引起的PER变化直接反映在干涉对比度中；因此，监测干涉对比度提供控制和补偿比例因子变化的这类系统误差的方式，这对于在长时间和宽温度范围内来保持高测量精度是重要的。
附图说明
当考虑本发明的以下详细描述，本发明将被更好地理解，并且除了上面阐述的那些之外的目的将变得显而易见。本描述参考附图，其中：
图1示出以闭环MPD的反射光学电压传感器的框图；
图2a示出作为所施加电压和对应相移的函数的干涉对比度
和未调制光学功率
；
图2b示出干涉对比度
和预计环路增益G；对于图2a、图2b的计算对于反射BGO电压传感器被执行，其中40 nm FWHM高斯谱以1310 nm为中心，并且组延迟偏移量为
fs，对于环路增益假定
；
图3在部分(a)中示出偏振测定响应曲线，并且在部分(b)中示出在设置点处的相移
(点线)和偏振测定输出
(虚线)的方波调制波形；对于标绘图，假定
并且
；环形增益计算序列占用调制循环0至3。
具体实施方式
使用闭环MPD相移检测方案的反射光学电压传感器的设计在图1中被示出。
该装置包括MPD光电子模块1，其包含低相干光源2。来自光源2的光通过偏振器3、相位调制器4来馈送，并且馈入偏振保持(PM)光纤5的两种偏振方向中。
准直仪6通过45°法拉第旋转器7发送来自PM光纤5的这些波，并且发送到普克尔效应晶体8的第一端，其暴露于通过待测量电压所生成的电场。在晶体的第二端处，波由反射器9反射，并且通过组件3-8发送回。
分束器10布置在光源2与偏振器3之间，并且将返回光的至少部分发送到光传感器11中。
图1的装置还包括用于控制相位调制器4的反馈控制器12以及用于控制装置的操作的控制单元13。这两个组件(其功能在下文更详细被描述)能够被实现为单个硬件单元(例如微控制器)或者实现为单独硬件单元。
法拉第旋转器6把来自PM光纤5的两种线性偏振在它们沿感测晶体8的电光轴(主折射率轴)传播之前旋转45°。反射波再次经过法拉第旋转器6，在相同方向上将偏振进一步旋转45°，由此进行从输入偏振的组合的90°旋转，这相当于两个正交线性偏振之间的交换。
相位调制器4操作在适合于从调制器4传播到反射器9并且返回的光波的往返时间的频率，使得由相位调制器在波通过它的两遍（two pass）中引起的相对相移具有相反符号，并且两遍中的相位调制因此由于光偏振中的交换而相加。
光源2的相干长度有利地在
与
之间(其中
是光源的中心波长)，以便在将两个偏振之间的相位改变2π的数倍时得到干涉对比度A的良好变化。
以这种低相干光源1和适当选择的组延迟偏移量τ0(例如依靠双折射元件)，电压测量范围能够被设置，使得干涉对比度随所施加电压极大地且单调地变化(参见图2)，由此实现宽测量范围(> ±500 kV)中的电压的明确确定。
在MPD系统中，相位调制
在相位调制器4中被加到感兴趣相移
、即在这里是由被测量所引起的相移，以及偏振测定光学响应在返回波(在它们经过偏振器3之后)中被测量。这个响应是干扰波的强度
其中
是总光功率，以及A是干涉对比度。
在闭环方波调制系统中，调制
有利地是在两个等级
之间交替的方波，其中
是动态控制的反馈相位[2]。
能够被认为是反馈控制器12用于控制相位调制器4的控制信号。
在两个调制等级的对应测量偏振测定响应是
反馈环路误差信号是两个偏振测定响应等级之间的差
系统被操作在误差信号
被保持在0的点，其对应于
。因此，在操作点处，待测量相移偏移量
只是动态控制的反馈相移
的反数。设计的电压范围中的预期的环路增益在图2b中标绘。
反馈控制器12中的反馈环路的最佳环路增益被发现是相对于在设置点处的误差信号的反馈相移的导数，即
作为对于控制环路的重要控制参数，最佳环路增益G由控制单元13例如按照下列方式来确定。间断地、具体来说周期地(但是可能也按照非周期方式)，对于施加到相位调制器12的控制信号
的变化的测量信号的响应、具体来说是误差信号
的响应被测量。
例如，相位调制序列
被调用，由此小相位偏差
(通常
)与正常相位调制
相加或者减去正常相位调制
(参见图3)：
在这里，
对应于当前将误差信号
设置为零的控制信号
。
对应地，在四个调制等级的偏振测定响应为
从这些，能够将与
对应的两个误差信号计算为
最佳环路增益则能够被计算为
所计算的最佳环路增益G则被用于设置反馈相移的幅度。
从上述结果看到，在MPD系统中测量的环路增益值G与干涉对比度A和总光功率
相关。相反，能够将干涉对比度A计算为
在上面描述的调制方案中，总光功率
正好是在操作点
处的光学响应等级
的两倍。因此，实际上它能作为光学响应
的DC偏移量来测量，而AC振荡幅度
被用作用来控制反馈环路的误差信号。
然而，应当注意，在一些应用、例如相移的周期消除歧义(例如对于光学DC电流感测)中，没有必要的是，确定干涉对比度A的绝对值，但跟随其相对变化是充分的。在这类情况中，可记录环路增益G和总光学功率
的相对变化，而无需确定其绝对比例（scale）。例如，可将在某个时刻(例如在操作开始时)所测量的环路增益和总光学功率的值设置为常数，并且相应地评估所有后续测量。如果光学功率保持在恒定等级，则其测量可能完全不被需要。
以所测量的干涉对比度A，则能够确定相移驻留在哪个周期中，并且遵循[1](由此其公开完整地被附上)所描述的规程将所测量的相移主值转换成对应唯一全范围值。对于光学电压传感器，明确电压值则能够从全范围相移来计算。
在FOCS传感器中，从环路增益所计算的干涉对比度能够同样地被用来扩展测量范围，其在没有历史跟踪的情况下在当前产品中限制到2π相移。
此外，在一些FOCS传感器中，电流测量比例因子受到传感器头与光电子设备之间的光纤链路的偏振消光比所影响，这进而直接影响干涉对比度。因此，干涉对比度的测量能够被用来监测偏振消光比的变化，并且补偿电流测量比例因子的对应变化。因此，还在这种情况中，干涉对比度能够被用来以更准确方式确定被测量。
一般来说，所确定增益G能够被用来校正传感器装置中的系统误差、具体来说是由于漂移和/或组件未对齐的系统误差，特别是如果系统误差影响干涉对比度的话。
注释：
电光晶体5能够由展现取决于所施加电场的双折射的任何其他电光元件来替代。
在用于测量导体中的电流的另一应用中，感测元件能够例如是缠绕导体的光纤。在那种情况中，四分之一波延迟器被使用而不是法拉第旋转器7。
有利地，光学传感器装置具有互易配置、例如以萨格纳克干涉仪形式或者以反射形式，其中具体来自PM光纤5和/或感测元件8的相移被消除。在那种情况中，相位调制器4如提及的那样有利地被操作以在从调制器4到反射器9并且返回的往返行程对应的频率施加两个波之间的相反相移。
当装置是电压传感器时，本文所示的技术允许以测量范围> ±500 kV的光学DC电压传感器的系统误差的补偿，以实现精度 < 0.2%。
技术对于HVDC空气绝缘系统、HVDC电缆和DC气体绝缘切换(GIS)系统中的应用是理想的。这种GIS可被填充有优选地在具有例如比如从氮、二氧化碳和氧中选择的背景气体的混合物中的基于SF6的介电气体或备选气体(例如氟甲酮或氟腈)。
它们允许去除宽范围(> 16个相位周期或者等效地 > ±500 kV)中的周期方面（periodwise）测量歧义性。
它们提供用于闭环调制相位检测系统中的干涉对比度的测量的手段（means）以用于歧义性去除。
以及它们还使得有可能通过操作期间比例因子的变化的校正来增强光纤电流传感器的精度(偏振消光比PER的监测和控制)。
虽然示出和描述本发明的当前优选实施例，但是清楚地理解，本发明并不局限于此，而是可在以下权利要求书的范围之内以别的方式来体现和实践。
所引述的参考文献
参考数字列表
1: 光电子模块
2: 光源
3: 偏振器
4: 相位调制器
5: 光纤
6: 准直仪
7: 法拉第旋转器
8: 普克尔效应晶体8
9: 反射器
10: 分束器
11: 光传感器
12: 反馈控制器
13: 控制单元。
Claims (9)
1.一种用于测量基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置中的干涉对比度(A)的方法，所述方法包括下列步骤：
依靠光源(2)来生成第一光波和第二光波，
发送至少所述第一光波通过感测元件(8)，其中所述感测元件(8)的至少一个折射率取决于被测量，所述被测量是借助于所述第一光波和所述第二光波之间的光学干涉而被测量的，
发送所述第一光波和所述第二光波通过相位调制器，以用于相加所述第一光波与所述第二光波之间的相移调制φm，其中所述相移调制φm通过控制信号φf来控制，
使所述第一光波和所述第二光波发生干涉，并且确定光传感器(11)中的测量的干涉信号(I)，
将所述测量的干涉信号(I)的调制幅度用于确定误差信号ΔI，并且将所述误差信号ΔI馈送到反馈环路以用于控制所述相移调制φm，其中所述反馈环路以反馈环路增益G来控制所述控制信号φf以便将所述误差信号ΔI保持为零，
将所述反馈环路增益G调整成值
所述方法的特征在于将所述增益G用于确定所述第一光波与所述第二光波的干涉对比度(A)的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将所述增益G用于计算所述被测量的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，包括将所述增益G用于对作为所述被测量的函数的所述测量的干涉信号(I)的准周期性的消除歧义的步骤。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述被测量是电压，所述感测元件(8)位于通过所述电压所生成的电场中，并且所述至少一个折射率取决于所述电场。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述被测量是电流，所述感测元件(8)位于通过所述电流所生成的磁场中，并且所述至少一个折射率取决于所述磁场。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，包括间断地测量所述测量的干涉信号(I)对所述控制信号φf的变化的响应。
7.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述增益G用来校正具体由于漂移和/或组件未对齐引起的所述传感器装置的系统误差。
8.一种基于干涉的闭环相位调制光学传感器装置，包括：
控制单元(13)，
光源(2)，用于生成第一光波和第二光波，
感测元件(8)，具有取决于被测量的至少一个折射率，其中所述光源(2)被定位成发送至少所述第一光波通过所述感测元件(8)，
相位调制器(4)，适合和构造成相加所述第一光波与所述第二光波之间的相移调制φm，其中所述相移调制φm通过控制信号φf来控制，
光传感器(11)，适合和构造成从所述第一光波和所述第二光波在通过所述感测元件(8)和所述相位调制器(4)之后的干涉来确定测量信号(I)，
反馈控制器(12)，适合和构造成将所述测量信号(I)的调制幅度用于确定误差信号ΔI，并且生成所述控制信号φf，其中所述反馈控制器具有最佳增益G
其特征在于，所述控制单元(13)适合和构造成将所述增益G用于确定所述第一光波与所述第二光波的干涉对比度(A)。
9.如权利要求8所述的传感器装置，其中，所述控制单元(13)适合和构造成执行如权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤。
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