CN108254616A - 一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器。本发明将偏振干涉式光纤温度传感器与螺线管式光学小电流传感器进行了集成，通过偏振干涉式光纤温度传感器实现螺线管式光学小电流传感器的温度补偿，有效提高了螺线管式光学小电流传感器全温（‑40°C～70°C）范围内的测量精度；本发明通过合理地光路设计，使得偏振干涉式光纤温度传感器与螺线管式光学小电流传感器共用光源、信号处理器和保偏光纤传输光缆，能够降低系统成本，提高系统的集成度，减小产品在现场的铺设难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学电流传感器，尤其涉及一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器。
背景技术
长期以来，电磁式互感器一直扮演着电力系统运行监视的重要角色。变电站中测量监视和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。随着电网电压的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点，如电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在铁芯饱和、铁磁谐振过电压等。
随着变电站自动化技术的深入发展，出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型智能化一次设备。光学电流互感器属于无源电子式互感器，在高压端不存在电子元器件，无需供电，绝缘结构简单，运行可靠，抗干扰能力强，无磁饱和和铁磁谐振，具有体积小、动态测量范围大、响应频带宽、可测交直流信号等优点，成为现阶段电力行业电流信号采集方案的研究热点。
基于Faraday磁光效应的光学电流互感器的研究已经取得了许多可喜的成果。但在实用中还存在着不少问题，如运行稳定性以及小电流测量的精度等。其中，环境温度是影响光学电流互感器测量准确度的主要因素。
光学小电流传感器在小电流测量时多选用高Verdet常数的顺磁性材料来提高测量的灵敏度，但顺磁性材料的Verdet常数稳定性受温度的影响也较大。目前，减小环境温度引入误差的办法多采用算法补偿或光学器件互补偿技术，但由于光学小电流传感器受温度影响的器件及参数较多，不能实现温度误差的完全消除。采用无源光纤温度传感器实现光学小电流传感器的温度补偿，能够根据光学小电流传感器的实际温度特性，消除环境温度变化对光学小电流传感器测量准确度的影响。而现有温度传感器件普遍存在结构复杂、体积较大的缺陷，难以实现与光学小电流传感器的集成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器，在螺线管式光学小电流传感器中集成偏振干涉式光纤温度传感器，在实现对电流数据进行精确温度补偿的同时，大幅提高了系统集成度。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器，包括：光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃、螺线管、第二环形器、第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤、信号处理单元；所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤的末端均镀有介质全反射膜；所述螺线管用于待测电流信号的电-磁转换，所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤均设置于螺线管的中心线附近；第一起偏器的输出端与相位调制器的输入端呈45°角熔接；第二保偏光纤与温度传感保偏光纤呈45°角熔接；第一环形器从第一端口接收光源发出的一部分探测光并经第二端口依次传输至第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃，第一环形器的第三端口、相位调制器的电输入端分别与信号处理单元连接；第二环形器从第一端口接收光源发出的另一部分探测光并经第二端口依次传输至第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤，第二环形器的第三端口与信号处理单元连接；所述信号处理单元用于向相位调制器发送调制信号，并根据温度传感保偏光纤所采集的温度信息对磁光玻璃所采集的电流信息进行补偿处理。
优选地，所述光源为宽频光源。
优选地，所述光学小电流传感器还包括光功率采集模块，用于监视光源输出功率并将监视结果传输至信号处理单元。
优选地，第一保偏光纤和第二保偏光纤使用一根二芯保偏光缆实现。
优选地，所述相位调制器为直波导型相位调制器。
优选地，所述λ/4波片为光纤型λ/4波片或晶体型λ/4波片。
优选地，所述磁光玻璃为高弗尔德Verdet常数顺磁性磁光玻璃。
优选地，光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第二环形器、第二起偏器、信号处理单元被集成为一个主机，λ/4波片、磁光玻璃、温度传感保偏光纤被集成为一个传感探头。
优选地，第一起偏器和/或第二起偏器为45°倾斜保偏光纤光栅。
相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：
本发明将偏振干涉式光纤温度传感器与螺线管式光学小电流传感器进行了集成，通过偏振干涉式光纤温度传感器实现螺线管式光学小电流传感器的温度补偿，有效提高了螺线管式光学小电流传感器全温(-40℃～70℃)范围内的测量精度。
本发明通过合理地光路设计，使得偏振干涉式光纤温度传感器与螺线管式光学小电流传感器共用光源、信号处理器和保偏光纤传输光缆，能够降低系统成本，提高系统的集成度，减小产品在现场的铺设难度。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的结构示意图；
图2为温度补偿的流程示意图。
图中含有以下附图标记：
1：主机；2：传输光缆；3：传感探头；4：光源；5：1×3分束器；6：第一环形器；7：第一起偏器；8：相位调制器；9：信号处理器；10：第二环形器；11：第二起偏器；12：λ/4波片；13：磁光玻璃；14：温度传感保偏光纤；15：螺线管；51～53：1×3分束器5的3个输出端；61～63：第一环形器6的三个端口；101～103：第二环形器10的三个端口；81：相位调制器8的输入端；82：相位调制器8的输出端；83：相位调制器8的电信号输入端。
具体实施方式
针对现有技术所存在的问题，本发明的思路是在螺线管式光学小电流传感器中集成偏振干涉式光纤温度传感器，在实现对电流数据进行精确温度补偿的同时，大幅提高系统集成度，降低系统成本。
偏振干涉式光纤温度传感器是基于保偏光纤的温度双折射效应进行温度检测的传感装置，当环境温度发生变化时，温度双折射效应会导致保偏光纤本征模之间的位相差随温度变化。因此，基于保偏光纤的温度双折射及偏振干涉效应可以实现高灵敏度的温度测量。相对于市场上现有的光纤光栅温度传感器及拉曼散射式温度传感器，偏振干涉式光纤温度传感器具有结构简单、成本低、测量精度高的优点；相对于荧光式光纤温度传感器，偏振干涉式光纤温度传感器具有测量精度高、传输距离远、可扩展等优点。
具体而言，本发明具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器，包括：光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃、螺线管、第二环形器、第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤、信号处理单元；所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤的末端均镀有介质全反射膜；所述螺线管用于待测电流信号的电-磁转换，所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤均设置于螺线管的中心线附近；第一起偏器的输出端与相位调制器的输入端呈45°角熔接；第二保偏光纤与温度传感保偏光纤呈45°角熔接；第一环形器从第一端口接收光源发出的一部分探测光并经第二端口依次传输至第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃，第一环形器的第三端口、相位调制器的电输入端分别与信号处理单元连接；第二环形器从第一端口接收光源发出的另一部分探测光并经第二端口依次传输至第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤，第二环形器的第三端口与信号处理单元连接；所述信号处理单元用于向相位调制器发送调制信号，并根据温度传感保偏光纤所采集的温度信息对磁光玻璃所采集的电流信息进行补偿处理。
上述传感器中同时存在电流传感通道和温度传感通道。在电流传感通道中，光源发出的光经过第一起偏器后，形成线偏振光。线偏振光以45°角进入相位调制器后，分成正交的两束线偏光分别沿第一保偏光纤的快、慢轴传输进入相位调制器，信号处理单元对相位调制器加入方波及阶梯波相位调制信号，实现闭环控制，能够解决系统的余弦敏感性和方向性问题，提高系统测量的线性度、动态范围和小电流测量精度。两束线偏光经过λ/4波片后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入磁光玻璃。磁光玻璃的Faraday磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相移。两束圆偏振光经反射膜反射后，偏振模式互换，并再次穿过磁光玻璃，使产生的非互易相移加倍。两束圆偏振光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光。经过第一起偏器后，携带相位信息的干涉光由第一环形器送往信号处理单元解调出被测电流信息。为提高小电流测量的灵敏度及稳定性，可采用多匝导线缠绕形成的螺线管，以增强螺线管中心处的磁场强度，磁光玻璃置于螺线管中心处，同时可提高磁光玻璃抗外磁场干扰的能力。
温度传感通道是基于保偏光纤温度双折射效应的偏振干涉式光纤温度传感器，其由光源(与电流传感通道共用)、第二环形器、第二起偏器和温度传感保偏光纤组成。光源发出的光经过第二起偏器后成为线偏振光，进入第二保偏光纤，第二保偏光纤与温度传感保偏光纤呈45°角熔接，温度传感保偏光纤的另一端镀有全反射膜，实现对入射光的反射。当环境温度发生变化时，温度双折射效应会改变温度传感保偏光纤中两本征模的传播常数差，从而导致本征模之间的位相差随温度变化。信号处理单元通过检测因位相差引起的干涉场的能量变化，即可获得温度变化信息。
上述技术方案中的光源优选采用宽频光源。
还可以在上述技术方案中进一步增加光功率采集模块，用于监视光源输出功率并将监视结果传输至信号处理单元。可利用其实现温度传感、电流传感信号的处理算法优化，例如利用其进行光源功率的实时监视，结合归一化信号解调算法，可消除光源老化及出纤功率波动对系统测量精度的影响，提高系统的可靠性及稳定性。
为了实现光信号安全可靠传输，可将第一保偏光纤和第二保偏光纤利用一根二芯保偏光缆实现。
所述相位调制器优选采用直波导型相位调制器。
所述λ/4波片优选采用光纤型λ/4波片或晶体型λ/4波片。
所述磁光玻璃优选采用高Verdet常数顺磁性磁光玻璃。
为了进一步提高系统集成度，可将光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第二环形器、第二起偏器、信号处理单元集成为一个主机，将λ/4波片、磁光玻璃、温度传感保偏光纤集成为一个传感探头。
第一起偏器和第二起偏器可以采用偏振片或倾斜光纤光栅实现，为了提高集成度，优选采用45°倾斜保偏光纤光栅。
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例的光学小电流传感器包括主机1、传输光缆2和传感探头3。所述主机1包含宽谱光源4、1×3分束器5、第一环形器6、第一起偏器7、相位调制器8、信号处理器9、第二环形器10、第二起偏器11。所述传输光缆2采用2芯保偏光缆，分别传输电流信息及温度信息。所述传感探头3包含λ/4波片12、磁光玻璃13、温度传感保偏光纤14，设置于螺线管15的中心线附近。
如图1所示，宽谱光源4的输出端与1×3分束器5的输入端连接，1×3分束器5的输出端51与第一环形器6的端口61连接，第一环形器6的端口62与第一起偏器7的输入端连接，第一起偏器7的输出端与相位调制器8的输入端81呈45°角熔接，相位调制器8的输出端82与传输光缆2一条纤芯的输入端连接，该纤芯的输出端与λ/4波片12的输入端连接，λ/4波片12的输出端与磁光玻璃13的输入端连接，磁光玻璃13的末端镀有介质全反射膜，第一环形器6的端口63与信号处理器9的端口91连接，用于收集电流采集信息，信号处理器9的端口94与相位调制器8的电信号端口83连接，用于产生闭环方波调制信号。
1×3分束器5的输出端52与信号处理器9的端口92连接，用于监视光源输出功率。
1×3分束器5的输出端53与第二环形器10的端口101连接，第二环形器10的端口102与第二起偏器11的输入端连接，第二起偏器11的输出端与传输光缆2另一条纤芯的输入端连接，该纤芯的输出端与温度传感保偏光纤14的输入端连接，温度传感保偏光纤14的末端镀有介质全反射膜。
λ/4波片12、磁光玻璃13、温度传感保偏光纤14所构成的电流及温度传感探头放置在螺线管15的中心处。
螺线管式光学小电流传感器的工作原理如下：
根据系统各器件的传输模型，可得信号处理器的端口91输入的光强信号：
其中，I0为输入光强，N为螺线管匝数，V为磁光玻璃的Verdet常数，I为被测电流。Φs、Φl分别是加入的方波和阶梯波调制相移。δ为对轴角度误差、波片长度误差等因素引起的等效误差系数。
取方波调制相移Φs＝±π/2，将同频方波参考信号与PD输出信号进行相关解调，可得：
Idiff＝I0[δsin(φl)-(1-δ)sin(4VNI+φl)] (2)
据闭环解调算法，阶梯波产生反馈补偿相移Фl，使得Idiff＝0，可得：
φl＝-4VNI(1+δ) (3)
补偿相移Фl即为解调输出。
偏振干涉式光纤温度传感器的工作原理如下：
根据系统各器件的传输模型，可得信号处理器的端口93输入的光强信号：
Iout＝1/2Iin[1+cos(2δx-2δy)] (4)
其中，δx及δy为温度传感保偏光纤快、慢轴的相位延迟；Iin为入射光光强。
由于温度变化，导致光在快、慢轴方向上的传播常数差发生变化，通过对输出光强Iout的探测，可得温度变化信息。
螺线管式光学小电流传感器与偏振干涉式光纤温度传感器的工作原理以及相关的调制解调、信号处理等均为现有技术，此处不再赘述。
信号处理单元根据偏振干涉式光纤温度传感器所采集温度信息对电流信息进行补偿，可采用各种现有方法，本实施例中所采用的温度补偿算法流程如图2所示，具体原理如下：
电流传感器的误差来源主要是温度。实际电流值与测量值之间存在对应关系
其中，Ic表示温度补偿前测量的电流大小，I表示实际电流，尺度因子表示I与Ic之间的对应关系，它是一个关于温度的函数。
通过在不同温度条件下进行电流标定，获得与温度t的数值大小，将结果进行四阶多项式拟合，得到
温度补偿时，温度传感器采集温度信息，根据(6)式获得尺度因子大小，将电流传感器测量的电流值和值代入(5)式，得到温度补偿后电流大小。
Claims (9)
1.一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器，其特征在于，包括：光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃、螺线管、第二环形器、第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤、信号处理单元；所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤的末端均镀有介质全反射膜；所述螺线管用于待测电流信号的电-磁转换，所述磁光玻璃和温度传感保偏光纤均设置于螺线管的中心线附近；第一起偏器的输出端与相位调制器的输入端呈45°角熔接；第二保偏光纤与温度传感保偏光纤呈45°角熔接；第一环形器从第一端口接收光源发出的一部分探测光并经第二端口依次传输至第一起偏器、相位调制器、第一保偏光纤、λ/4波片、磁光玻璃，第一环形器的第三端口、相位调制器的电输入端分别与信号处理单元连接；第二环形器从第一端口接收光源发出的另一部分探测光并经第二端口依次传输至第二起偏器、第二保偏光纤、温度传感保偏光纤，第二环形器的第三端口与信号处理单元连接；所述信号处理单元用于向相位调制器发送调制信号，并根据温度传感保偏光纤所采集的温度信息对磁光玻璃所采集的电流信息进行补偿处理。
2.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，所述光源为宽频光源。
3.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，还包括光功率采集模块，用于监视光源输出功率并将监视结果传输至信号处理单元。
4.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，第一保偏光纤和第二保偏光纤使用一根二芯保偏光缆实现。
5.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，所述相位调制器为直波导型相位调制器。
6.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，所述λ/4波片为光纤型λ/4波片或晶体型λ/4波片。
7.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，所述磁光玻璃为高弗尔德常数顺磁性磁光玻璃。
8.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，光源、第一环形器、第一起偏器、相位调制器、第二环形器、第二起偏器、信号处理单元被集成为一个主机，λ/4波片、磁光玻璃、温度传感保偏光纤被集成为一个传感探头。
9.如权利要求1所述光学小电流传感器，其特征在于，第一起偏器和/或第二起偏器为45°倾斜保偏光纤光栅。
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