CN108287262A - 全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统及测量方法，包括LD扫频光源、数据采集模块、振动测量模块和计算机，LD扫频光源模块连接有第一耦合器连接，第一耦合器分别连接有温度传感探头、光电转化模块和第一光环形器连接，第一光环形器依次连接有光纤偏振器、相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤1/4波片和传感环连接，并通过光电转化模块与数据采集模块连接，传感环套设于电流线上，数据采集模块分别与LD扫频光源和计算机连接，并通过光电转化模块与第一耦合器连接，振动测量模块分别与数据采集模块和振动探头连接，温度传感探头和振动探头设置于传感环上，提高系统的测量准确度与可靠性，具有结构简单、响应速度快和分辨率高。

Description

全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统及测量方法。

背景技术

电能是我们生活生产活动中利用最普遍的能源形态之一，由于其来源广、便于运输、存储与使用，使电能成为能源与当今人类活动交互的枢纽。在电能的产生、输送与使用过程中，对电流的测量是必不可少的。针对各种不同场景的电流测量，科学家与工程师们发明了多种基于不同原理的电流测量装置。特别是当今现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验。全光纤电流互感器是一种无源电子式电流互感器，具有动态范围大、测量频带宽、抗电磁干扰性能好、体积小、重量轻、便于与高压设备集成、可测直流信号等优点，作为下一代电流互感器是目前研究的热点。

至今，我国在全光纤电流互感器领域已经进行了长达20多年的理论探索、近10年的应用实践，这使得该项目从技术方案到制造工艺，从试验方法到应用规范已初具雏形，但受限于我国光电产业的发展水平和国外基础器件的垄断，国内的产品在一些关键技术指标上仍然无法满足相关标准的要求，无法投入实际使用。

FOCT在现场运行过程中会受到各种外在因素，这些因素将引起全光纤电流互感器内部关键状态量发生变化，从而降低产品的准确性。而温度与振动则是影响FOCT准确性的重要因素。若能实时精确监测FOCT传感环的温度及振动情况，结合补偿算法，可大大提高FOCT的准确度与可靠性。因此，有必要寻求FOCT的温度和振动反馈补偿系统，满足实际应用要求。FOCT-全光纤式光学电流互感器技术及工程应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统及测量方法，提高系统的测量准确度与可靠性，具有结构简单、响应速度快和分辨率高。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，包括LD扫频光源、第一耦合器、温度传感探头、第一光环形器、光纤偏振器、相位调制器、保偏延迟线、1/4光纤波片、光电转化模块、数据采集模块、振动测量模块和计算机，

其中，LD扫频光源模块与第一耦合器的201端口连接，第一耦合器的203端口与温度传感探头连接，第一耦合器的204端口与第一光环形器301端口连接，第一光环形器的302端口依次与光纤偏振器、相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤1/4波片和传感环连接，传感环套设于电流线上，第一耦合器的202端口和第一光环形器的303端口通过光电转化模块分别与数据采集模块的1502端口和1504端口连接，数据采集模块的1504端口与LD扫频光源连接，数据采集模块的1505端口与计算机连接，数据采集模块的1503端口与振动测量模块连接，振动测量模块连接有振动探头，温度传感探头和振动探头设置于传感环上。

按照上述技术方案，光电转化模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一耦合器的202端口通过第一光电探测器与数据采集模块的1502端口连接，第一光环形器的303端口通过第二光电探测器与数据采集模块的1504端口连接。

按照上述技术方案，温度传感探头为光纤布拉格光栅。

按照上述技术方案，所述的光纤布拉格光栅的反射率大于90％，且温度在-40℃～70℃范围内变化时，布拉格波长偏移不超过2nm，并且光纤布拉格光栅进行了应力去敏处理。

按照上述技术方案，振动探头为两个串联的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔。

按照上述技术方案，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔中的弱光纤布拉格光栅中心波长相同，长度小于5mm，反射率大约为4％。

按照上述技术方案，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔使用低相干干涉检测技术进行解调，通过获得两个弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔中的弱光纤布拉格光栅之间的光纤段的相位变化信息，从而对振动信号进行高灵敏度的解调，对振动频率、幅度信息进行实时监测。

按照上述技术方案，振动测量模块包括SLED光源、第二光环行器、第二耦合器和CCD探测模块，SLED光源与第二光环行器的1801端口连接，第二光环行器的1802端口与振动探头连接，第二光环行器的1803端口与第二耦合器的2101端口连接，第二耦合器通过CCD探测模块与数据采集模块的1503端口连接。

按照上述技术方案，传感环包括高双折射转光纤探头。

一种采用以上所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统的测量方法，包括以下步骤：

1)LD扫频光源输出的扫频光输入到第一耦合器，扫频光被第一耦合器被分为两束探测光，分别为温度探测光和电流探测光；

2)电流探测光从第一耦合器，依次经第一光环器、光纤偏振器、相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤1/4波片和传感环，至反射镜形成反射光经原路返回经第一光环形器通过光电转化模块传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块经过数据处理后解调出电流线中传输的电流值；

3)温度探测光从第一耦合器，传输至温度传感探头，温度传感探头形成的反射光信号经第一耦合器通过光电转化模块传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块依据温度传感探头形成的反射光信号解调出光纤传感环所处环境温度信息；

4)振动测量模块通过振动探头获得传感环的振动信号，并将振动信号传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块依据振动信号解调出传感环的振动频率；

5)计算机通过数据采集模块，使用PGC零差解调法对全光纤电流互感器所测得的信号进行解调，并且结合解调得到传感环的温度信息以及频率信号，利用全光纤电流互感器温度振动补偿进行补偿计算，补偿温度与振动对FOCT系统的影响，修正得出电流线中传输的电流值。

本发明具有以下有益效果：

本发明的电流互感器系统通过温度传感探头和振动探头，在测量电流线中传输的电流值，并实时测量光纤传感环的温度参数和振动参数，计算机结合温度和振动参数，补偿和修正所测得电流线中的电流值，提高系统的测量准确度与可靠性，具有结构简单、响应速度快和分辨率高。

附图说明

图1是本发明实施例中全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统的原理示意图；

图中，1-LD扫频光源，2-第一耦合器，3-第一光环形器，4-光纤偏振器，5-45°熔接，6-相位调制器，7-光纤布拉格光栅，8-电流线，9-弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔，10-反射镜，11-光纤1/4波片，12-保偏光纤延迟线，13-第一光电探测器，14-第二光电探测器，15-数据采集模块，16-计算机，17-SLED光源，18-第二光环行器，19-CCD探测模块，20-传感环，21-第二耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1所示，本发明提供的一个实施例中的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，包括LD扫频光源1、第一耦合器2、温度传感探头、第一光环形器3、光纤偏振器4、相位调制器6、1/4光纤波片、保偏延迟线、光电转化模块、数据采集模块15、振动测量模块和计算机16，

其中，LD扫频光源1模块与第一耦合器2的201端口连接，第一耦合器2的203端口与温度传感探头连接，第一耦合器2的204端口与第一光环形器3的301端口连接，第一光环形器3的302端口依次与光纤偏振器4、相位调制器6、保偏光纤延迟线12、光纤1/4波片11和传感环20连接，传感环20套设于电流线8上，第一耦合器2的202端口和第一光环形器3的303端口通过光电转化模块分别与数据采集模块15的1502端口和1504端口连接，数据采集模块15的1504端口与LD扫频光源1连接，数据采集模块15的1505端口与计算机16连接，数据采集模块15的1503端口与振动测量模块连接，振动测量模块连接有振动探头，温度传感探头和振动探头设置于传感环20上。

进一步地，光电转化模块包括第一光电探测器13和第二光电探测器14，第一耦合器2的202端口通过第一光电探测器13与数据采集模块15的1502端口连接，第一光环形器3的303端口通过第二光电探测器14与数据采集模块15的1504端口连接。

进一步地，温度传感探头为光纤布拉格光栅7，光纤布拉格光栅7记为FBG。

进一步地，所述的光纤布拉格光栅7的反射率大于90％，且温度在-40℃～70℃范围内变化时，布拉格波长偏移不超过2nm，并且光纤布拉格光栅7进行了应力去敏处理，降低其对应力敏感性，提高温度的测量精度。

进一步地，所述的LD扫频光源1为使用内调制的方法，通过线性控制LD激光器管芯温度达到调谐LD激光器输出波长，实现对光栅的实时温度解调。

进一步地，振动探头为两个串联的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9；弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9记为wFBG-FP，弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9中的弱光纤布拉格光栅记为wFBG。

进一步地，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9中的弱光纤布拉格光栅中心波长相同，长度小于5mm，反射率大约为4％。

进一步地，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9使用低相干干涉检测技术进行解调，通过获得两个弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9中的弱光纤布拉格光栅之间的光纤段的相位变化信息，从而对振动信号进行高灵敏度的解调，对振动频率、幅度信息进行实时监测。

进一步地，振动测量模块包括SLED光源17、第二光环行器18、第二耦合器21和CCD探测模块19，SLED光源17与第二光环行器18的1801端口连接，第二光环行器18的1802端口与振动探头连接，第二光环行器18的1803端口与第二耦合器21的2101端口连接，第二耦合器21通过CCD探测模块19与数据采集模块15的1503端口连接。

进一步地，第二耦合器21的2102端口和2103端口分别与CCD探测模块19的两个输入端连接。

进一步地，所述的FOCT采用PGC零差解调对电信号进行检测。

进一步地，传感环20包括高双折射转光纤探头。

进一步地，光纤偏振器4和相位调制器6之间设有45°熔接5，45°熔接5的其作用在于将一束偏振光分成正交的两部分。

一种采用以上所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统的测量方法，包括以下步骤：

1)LD扫频光源1输出的扫频光输入到第一耦合器2，扫频光被第一耦合器2被分为两束探测光，分别为温度探测光和电流探测光；

2)电流探测光从第一耦合器2，依次经第一光环器、光纤偏振器4、相位调制器6、保偏光纤延迟线12、光纤1/4波片11和传感环20，至反射镜10形成反射光经原路返回经第一光环形器3通过光电转化模块传输至数据采集模块15，计算机16通过数据采集模块15经过数据处理后解调出电流线8中传输的电流值；

3)温度探测光从第一耦合器2，传输至温度传感探头，温度传感探头形成的反射光信号经第一耦合器2通过光电转化模块传输至数据采集模块15，计算机16通过数据采集模块15依据温度传感探头形成的反射光信号解调出光纤传感环20所处环境温度信息；

4)振动测量模块通过振动探头获得传感环20的振动信号，并将振动信号传输至数据采集模块15，计算机16通过数据采集模块15依据振动信号解调出传感环20的振动频率；

5)计算机16通过数据采集模块15，使用PGC零差解调法对全光纤电流互感器所测得的信号进行解调，并且结合解调得到传感环20的温度信息以及频率信号，利用全光纤电流互感器温度振动补偿进行补偿计算，补偿温度与振动对FOCT系统的影响，修正得出电流线8中传输的电流值，提高系统的测量准确度与可靠性。

一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，包括以下步骤：

(1)、通过线性控制LD激光器管芯温度达到调谐LD激光器输出波长，得出激光器调谐波长与管芯温度的对应关系，当LD当光电二极管接收到光信号，转化为触发信号，在数据采集模块15中将驱动电压解调为波长信号；

(2)、使用低相干光源，检测干涉信号的变化可以获得两个wFBG之间的光纤段的相位变化信息，从而实现对振动的检测；

(3)、使用PGC零差解调法对全光纤电流互感器所测得的信号进行解调，并且结合解调得到的波长信号以及频率信号，利用全光纤电流互感器温度振动补偿算法，补偿温度与振动对FOCT系统的影响，提高系统的测量准确度与可靠性。

本发明的工作原理：

如图1所示，在本发明的一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统包括LD扫频光源1、第一耦合器2、第一光环形器3、光纤偏振器4、相位调制器6、光纤布拉格光栅7、电流线8、弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9、反射镜10、光纤1/4波片11、保偏光纤延迟线12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、数据采集模块15、计算机16、SLED光源17、第二光环行器18、CCD探测模块19、传感环20，第二耦合器21。

本发明的一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统的工作原理和测量方法如下：

LD扫频光源1输出的扫频光I0输入到第一耦合器2的输入端201，分为两束探测光，其中第一耦合器2的第二输出端203输出为温度探测光，第一耦合器2的第二输出端204输出为电流探测光。

温度探测光从第一耦合器2的第一输出端203输出到光纤布拉格光栅7(光纤布拉格光栅7记为FBG)。FBG是一种反射型光栅，光纤中的入射光通过FBG时，对满足布拉格相位条件的光辉有很强的反射，对不满足布拉格相位条件的光，反射很微弱，相当于一个窄带反射器，起到波长选择的作用。

当光信号入射到光纤布拉格光栅7时，波长满足方程(1)的光波会被光栅藕合到反向传输，形成反射波。

λ_B＝2n_effΛ (1)

其中，反射峰值波长称为Bragg波长，记为λ_B。neff是光纤的有效折射率，Λ是光栅周期。

应变和温度的改变都会影响Bragg光纤光栅的有效折射率neff以及光栅周期Λ，从而导致光栅的Bragg波长改变。因此在实际的传感应用中，FBG温度传感器采用应力去敏封装结构，充分消除外界应力对光纤光栅温度传感器的影响，只考虑光纤光栅的温度传感效应。

当传感器所处温度场温度变化时，温度与光纤光栅波长变化的关系为：

式中，Δλ_B为Bragg波长随温度的变化量，α为光纤的热膨胀系数，ξ是光纤的热光系数，ΔT为温度变化量。

因此可以通过测量FBG反射的波长来解调其所处的环境温度值。而LD光源受数据采集单元15的第一输出端1504输出的三角波信号线性控制LD扫频光源1的芯管温度达到内调制LD扫频光源1输出波长。标定得出了LD扫频光源1调谐波长与管芯温度的对应关系，在此基础上，建立了环境温度与三角波信号强度的关系。当LD扫频光源1输出的波长正好为布拉格波长时，FBG7反射光输入第一耦合器2的第一输出端203，从第二输入端202输出至第一光电探测器13。FBG7反射光信号转化为温度电信号输入到数据采集单元15的第二输入口1502,。数据采集单元接收到温度电信号的同时采取此时的三角波信号强度，就可以解调出环境温度。

电流探测光从第一耦合器2的第二输出端204输出至第一光环形器3的第一输入端301，从第一光环形器3的第二输出端302输出至光纤偏振器4，光信号从自然光转换为线偏振光。线偏振光的偏振方向与相位调制器6的轴向成45°角进入相位调制器6，线偏振光被分成等量的相互正交的线偏振光，两束正交线偏振光的相位差可由相位调制器6进行调制。经过相位调制之后的两束正交线偏振光经过保偏光纤延迟线12，传输到光纤1/4波片11，两束正交的线偏转光被转换为右旋和左旋圆偏振光进入到传感光纤环20中。在电流线8产生磁场的作用下，由于法拉第效应这两束圆偏振光的相位会发生变化。它们在反射膜端面处反射后，偏振模式互换再次穿过传感光纤，使法拉第效应产生的相位差加倍，获得的相位差为：

其中为法拉第相位差，N为光纤传感环20匝数，V为verdet常数，I为电流线8中的电流。反射的两束圆偏振光经过光纤1/4波片11后，恢复为线偏振光，传输至光纤偏振器4时发生干涉，通过干涉光的强度，利用PGC零差相位解调法提取法拉第相位差，来达到测量电流的目的。

SLED光源17输出的光信号输入至第二光环行器18的第一输入端1801，从第二光环行器18的第一输出端1802输出至弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔9(wFBG-FP)。wFBG-FP是由两个弱布拉格光纤光栅(wFBG)组成的法布里-珀罗腔(F-P)。与FBG类似，wFBG也具有相应的布拉格波长，但反射率只有4％，因此两个wFBG的反射光强度差别较小。两束反射光传输至第二光环行器18的第二输出端1802，从第二光环行器18的第三输出端1803输出至第二耦合器21的输入端2101，第二耦合器21的第一输出端2102,、第二输出端2103分别输入至平衡探测器19的两个输入端，将wFBG-FP反射光信号转化为电信号，输入至数据采集模块15利用低相干干涉检测技术进行解调，得到wFBG-FP的腔长变化频率。

通过标定确定分别确定温度补偿曲线以及振动补偿曲线。通过FBG获得的环境温度信息以及wFBG-FP获得的振动频率信息，利用相应的对应曲线对FOCT解调的电流信息进行补偿修正，提高系统的测量准确度以及可靠性。

综上所述，本发明结合FBG测温与FOCT电流互感器系统，同时利用LD扫频光源实现对FBG波长解调与FOCT的PGC零差相位解调，结构简单且实用；本发明结合FBG与wFBG-FP实时测量光纤传感环20的温度与振动参数，结合FOCT温度振动补偿算法对FOCT测量数据进行补偿，提高系统的测量准确度与可靠性，具有结构简单、响应速度快、分辨率高的特点。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，包括LD扫频光源、第一耦合器、温度传感探头、第一光环形器、光纤偏振器、相位调制器、保偏延迟线、1/4光纤波片、光电转化模块、数据采集模块、振动测量模块和计算机，

其中，LD扫频光源模块与第一耦合器的201端口连接，第一耦合器的203端口与温度传感探头连接，第一耦合器的204端口与第一光环形器301端口连接，第一光环形器的302端口依次与光纤偏振器、相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤1/4波片和传感环连接，传感环套设于电流线上，第一耦合器的202端口和第一光环形器的303端口通过光电转化模块分别与数据采集模块的1502端口和1504端口连接，数据采集模块的1504端口与LD扫频光源连接，数据采集模块的1505端口与计算机连接，数据采集模块的1503端口与振动测量模块连接，振动测量模块连接有振动探头，温度传感探头和振动探头设置于传感环上。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，光电转化模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一耦合器的202端口通过第一光电探测器与数据采集模块的1502端口连接，第一光环形器的303端口通过第二光电探测器与数据采集模块的1504端口连接。

3.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，温度传感探头为光纤布拉格光栅。

4.根据权利要求3所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅的反射率大于90％，且温度在-40℃～70℃范围内变化时，布拉格波长偏移不超过2nm，并且光纤布拉格光栅进行了应力去敏处理。

5.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，振动探头为两个串联的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔。

6.根据权利要求5所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔中的弱光纤布拉格光栅中心波长相同，长度小于5mm，反射率大约为4％。

7.根据权利要求5所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，所述的弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔使用低相干干涉检测技术进行解调，通过获得两个弱光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔中的弱光纤布拉格光栅之间的光纤段的相位变化信息，从而对振动信号进行高灵敏度的解调，对振动频率、幅度信息进行实时监测。

8.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，振动测量模块包括SLED光源、第二光环行器、第二耦合器和CCD探测模块，SLED光源与第二光环行器的1801端口连接，第二光环行器的1802端口与振动探头连接，第二光环行器的1803端口与第二耦合器的2101端口连接，第二耦合器通过CCD探测模块与数据采集模块的1503端口连接。

9.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统，其特征在于，传感环包括高双折射转光纤探头。

10.采用权利要求1所述的全光纤电流互感器温度和振动反馈补偿系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)LD扫频光源输出的扫频光输入到第一耦合器，扫频光被第一耦合器被分为两束探测光，分别为温度探测光和电流探测光；

2)电流探测光从第一耦合器，依次经第一光环器、光纤偏振器、相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤1/4波片和传感环，至反射镜形成反射光经原路返回经第一光环形器通过光电转化模块传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块经过数据处理后解调出电流线中传输的电流值；

3)温度探测光从第一耦合器，传输至温度传感探头，温度传感探头形成的反射光信号经第一耦合器通过光电转化模块传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块依据温度传感探头形成的反射光信号解调出光纤传感环所处环境温度信息；

4)振动测量模块通过振动探头获得传感环的振动信号，并将振动信号传输至数据采集模块，计算机通过数据采集模块依据振动信号解调出传感环的振动频率；

5)计算机通过数据采集模块，使用PGC零差解调法对全光纤电流互感器所测得的信号进行解调，并且结合解调得到传感环的温度信息以及频率信号，利用全光纤电流互感器温度振动补偿进行补偿计算，补偿温度与振动对FOCT系统的影响，修正得出电流线中传输的电流值。