CN109521244A - 基于s波片实现的电流测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于S波片实现的电流测量方法，属于电力系统高电流测量技术领域。采用光源和起偏器产生线偏振光，经过磁光薄膜，在磁场作用下线偏振光偏振面发生旋转，且旋转角度正比于待测电流大小，再经S波片和检偏器转换为具有暗纹的条形光斑的线性平移，最后通过PSD位移传感器测量光斑的位移量，即可实现电流的线性测量。优点在于：可以实现对法拉第磁致旋光角的直接线性测量，测量范围大，测量模式与光功率无关。

Description

基于S波片实现的电流测量方法
技术领域
本发明涉及属于电力系统电流测量技术领域，特别涉及一种基于S波片实现的电流测量方法，基于S波片实现对法拉第磁致旋光角的线性测量。
背景技术
电流互感器是反映电力系统运行状态的重要设备，是连接一、二次设备的重要纽带，其准确度和可靠性是保证系统测量准确性和继电保护装置动作可靠性的重要前提。目前电力系统中采用的电流互感器绝大部分都是基于电磁感应原理，随着电压等级和传输容量的不断提升，电磁式电流互感器暴露出一些难以忽视的缺陷，如绝缘难度大、易磁饱和、模拟信号输出、使用频带窄、铁芯剩磁影响、响应速度慢、不能测量直流电流等问题，严重阻碍了智能电网的发展。
随着电子技术和光学传感技术的兴起，光学电流互感器受到了国内外的重视并得到了快速的发展。相对于传统的电磁式电流互感器，光学互感器具有以下优点：(1)优良的绝缘性能和性价比。(2)无磁饱和以及铁磁谐振等问题。(3)测量频带宽、动态范围大。(4)实现了高低压之间的彻底隔离，可靠性和安全性高。(5)体积小、重量轻、经济性好。
光学电流互感器的测量原理基于磁光晶体的法拉第效应，即在磁场作用下，线偏振光通过磁光晶体，其偏振面发生旋转，旋转的角度正比于磁场的大小。通常采用偏光干涉解调方法测量输出光强，但这一测量模式具有光功率相关性，易受光功率波动的影响；利用正弦函数小角度时的近似线性变换测量法拉第旋转角，导致动态测量范围和测量谐波的能力有限；此外，温漂和线性双折射产生的随机噪声降低了互感器长期运行的稳定性与可靠性，制约了其实用化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于S波片实现的电流测量方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明无运动器件、测量模式与光功率的大小无关、自动确定旋光方向、分辨率高。S波片是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，其工作原理为快轴与慢轴随空间变化。入射线偏振光经过磁光薄膜时，在外加磁场作用下使线偏振光偏振面发生旋转，通过S波片与检偏器解调，形成具有暗纹的条形光斑的直线移动，通过PSD位移传感器检测光斑移动，实现对待测电流的测量。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于S波片实现的电流测量方法，光源1设置在起偏器2的一侧，起偏器2的另一侧设置磁光薄膜3，S波片4置于磁光薄膜3和检偏器5之间，所述检偏器5的另一侧设置PSD位移传感器6；所述光源1出射的光经起偏器2起偏后得到线偏振光，通过磁光薄膜3时，在外加磁场作用下使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与待测电流成正比，经S波片4和检偏器5将线偏振光转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，通过PSD位移传感器6测量条形光斑的移动距离，实现对待测电流的测量。
所述的S波片4是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，是一种快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角正比于横坐标x，满足如下关系式：
S波片的总长度为2l，当x＝0，快轴方向平行于x轴，当x＝±l时，快轴与x轴的夹角为45度；S波片与偏振片配合，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为(-π/2,+π/2)。
本发明的有益效果在于：
通过S波片将线偏振光偏振面的转化为光斑的位移，并通过PSD定位光斑暗条纹，计算光斑的位移量，从而实现电流测量。本发明突破了光强检测模式对法拉第旋转角近似线性测量的限制，实现了电流的大范围测量；具有光功率无关性，消除了光强波动等因素的影响；使用磁光薄膜作为传感元件，解决了线性双折射问题；PSD位移传感器具有分辨率高等优点，适用于交直流电流测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的S波片的快轴方向变化图；
图3为本发明偏光通过S波片和检偏器后形成的光斑图像；
图4为光强分布计算坐标图；
图5本发明的出射光斑示意图。
图中：1、光源；2、偏振片；3、透明物质；4、S波片；5、检偏器；6、PSD位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的基于S波片实现的电流测量方法，通过S波片与检偏器将线偏振光偏振面的旋转转换为具有暗纹的条形光斑的直线移动，暗纹移动的距离正比于待测电流的大小，通过PSD位移传感器检测暗纹移动的距离,实现电流的测量。测量范围大，且不受光源波动的影响。包括光源1、偏振片2、磁光薄膜3、S波片4、检偏器5、PSD位移传感器6，光源1设置在起偏器2的一侧，起偏器2的另一侧设置磁光薄膜3，S波片4置于磁光薄膜3和检偏器5之间，所述检偏器5的另一侧设置PSD位移传感器6；所述光源1出射的光经起偏器2起偏后得到线偏振光，通过磁光薄膜3时，在外加磁场作用下使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与待测电流成正比，经S波片4和检偏器5将线偏振光转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，通过PSD位移传感器6测量条形光斑移动的距离，实现了电流的测量。
本发明的S波片测量原理
S波片是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，其为快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角正比于横坐标x，如附图2和4所示，其满足如下关系式：
S波片的总长度为2l，当x＝0，快轴方向平行于x轴，当x＝±l时，快轴与x轴的夹角为45度；S波片与检偏器配合使用，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为(-π/2,+π/2)。
S波片的琼斯矩阵可以写为：
参见图1所示，本发明的基于S波片实现的光学电流互感器，所述光源1出射的光经起偏器2起偏后得到线偏振光，通过磁光薄膜3时，在外加磁场作用下使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与待测电流成正比，经S波片4和检偏器5将线偏振光转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，通过PSD位移传感器6测量条形光斑移动的距离和方向，实现了对电流的测量。这一测量模式与光功率的大小无关，仅与光强的分布有关，且测量范围大。
设入射线偏振光的偏振方向与系统x坐标的夹角为θ，其琼斯矢量为
经过S波片后，出射光的琼斯矢量为
经过检偏器后，出射光的琼斯矢量为
则出射光斑的强度分布可表示为
因此，当满足如下条件时，出射光强极小
由于偏振角θ的检测范围和波片的横坐标x受如下条件限制
设(7)式中n＝0，光斑极小值坐标x与入射光偏振角的范围满足
可见，光斑极小值的坐标与入射光偏振角满足线性关系。通过对暗纹极小值进行定位，可以测量入射光偏振方向的旋转角度。附图5为θ＝0时，出射光斑的强度分布仿真图像。
本发明PSD的检测原理是：
本发明采用一维PSD检测光斑的位移量。PSD是一种基于横向光电效应的光电器件，对光敏面的入射光点位置敏感。设PSD两端接收的电流信号为I1和I2，则光斑的位置信息为：
其中k为缩放因子。当入射光为具有一定光强分布的图象时，X代表图像光斑的重心位置。
根据式(6)，基于S波片检偏原理的出射光斑重心表达式为
其中，2a为PSD的光敏面长度。
求解上式，得
设光敏面长度2a大于光斑长度2l相同，即a>l，有
通过PSD定位光斑暗纹的重心位置，确定位移量θ。根据法拉第磁光效应，待测磁场H与θ可通过式(14)进行计算
θ＝VHl (14)
式中：V为磁光材料的费尔德(Verdet)常数；H为电流磁场的强度；l为通光长度。由于H与电流成正比，通过测量θ实现电流测量。
实施例：
实验系统的额定电流为300A；采用单横模LD光源，工作波长为808nm；采用LPVIS050偏振片，波长范围为550-1500nm；采用Bi-Gd-YIG磁光薄膜，厚度为400um，费尔德常数为1.5deg/cm.Oe；采用RPC-800S波片，波长范围为800±20nm；采用光敏面为9mm×9mm的一维PSD，波长范围为400-1200nm。
通过NT700电子式互感器校验仪对本发明进行对比测量，结果如表1所示，满足0.5级电子式电流互感器准确度要求。
表1基本准确度实验数据
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于S波片实现的电流测量方法，其特征在于：光源（1）设置在起偏器（2）的一侧，起偏器（2）的另一侧设置磁光薄膜（3），S波片（4）置于磁光薄膜（3）和检偏器（5）之间，所述检偏器（5）的另一侧设置PSD位移传感器（6）；所述光源（1）出射的光经起偏器（2）起偏后得到线偏振光，经过磁光薄膜（3），在磁场作用下线偏振光偏振面发生旋转，且旋转角度正比于待测电流大小，经S波片（4）和检偏器（5）将线偏振光转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，通过PSD位移传感器（6）测量条形光斑移动的距离，实现对待测电流的测量。
2.根据权利要求1所述的基于S波片实现的电流测量方法，其特征在于：所述的S波片（4）是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，是一种快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角θ正比于横坐标x，满足如下关系式：
(1)
S波片的总长度为2l,当x = 0，快轴方向平行于x轴，当x = ±l时，快轴与x轴的夹角为45度；S波片与偏振片配合，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为( -π/2, +π/2)。
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