CN109765417A - 一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法 - Google Patents

Abstract

一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法，属于光学电流传感测量技术领域，提出一种抗温度干扰的能力强、补偿准确、测量误差小的全光纤电流互感器传感装置。本发明中，SLD光源、光纤起偏器、光电探测器均与光纤耦合器连接，光纤起偏器依次与相位调制器、保偏光纤延迟线连接，保偏光纤延迟线、1/4波片和传感部分连接，被测导线穿过传感部分，传感部分和光电探测器均与信号处理单元连接，信号处理单元与相位调制器连接；温度补偿算法为：传感环内等角度分布N个温度传感器，每个温度传感器测得该点传感光纤的温度值，通过温度补偿角公式计算补偿角度。本发明可提高全光纤电流互感器测量准确度的温度稳定性。

Description

一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及 温度补偿算法

技术领域

本发明属于光学电流传感测量技术领域，具体涉及一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法。

背景技术

随着智能电网的发展，电网的电压等级越来越高，传统的电磁式电流互感器由于存在磁路饱和问题，动态性能不好，绝缘安全性不理想等种种弊端，已经不能满足现代智能电网系统建设的需求。而随着现代光纤技术、数字电子技术的发展，全光纤式电流互感器取代传统的电磁式电流互感器已成为发展的必然趋势。

全光纤电流互感器是基于Faraday磁致旋光效应和安培环路定律的一种电流互感器，采用传感光纤对电流进行测量，而传感光纤对运行环境温度的波动较为敏感，会导致测量准确度的温度漂移问题。为解决互感器的温漂问题，通常采用在信号处理单元的壳体外置温度传感光纤，实时测得环境温度并通过相应算法补偿温度导致的的测量误差，进而提高全光纤电流互感器准确度的温度稳定性，但环境温度突变或传感部分局部受热不均等因素会导致温度传感器的补偿效果变差，降低测量准确度。

环境温度是影响全光纤电流互感器测量准确度的主要因素。全光纤电流互感器的传感头部分受环境温度影响较大。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，但由于全光纤电流互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。目前市场上成熟的光学温度传感器主要有荧光式、光纤光栅式、Raman/Brillouin散射式等几种，但多少存在易受磁场影响、解调原理复杂，价格昂贵等问题。

综上所述，现有的全光纤电流互感器对于温度突变和局部受热不均匀的情况存在补偿不准确的问题，很难能满足现代电力系统对电流测量的要求。

因此，就需要一种抗温度干扰的能力强、补偿准确、误差小的全光纤电流互感器传感装置。

发明内容

本发明针对现有的全光纤电流互感器抗外界温度干扰的能力差、温度传感器与传感部分受热不均匀导致的温度补偿不准确、传感环受热不均匀导致测量误差大的缺陷，提出了一种抗干扰的能力强、补偿准确、误差小的全光纤电流互感器传感装置。

本发明所涉及的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法的技术方案如下：

本发明所涉及的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，它包括SLD光源、光纤耦合器、光纤起偏器、相位调制器、保偏光纤延迟线、1/4波片、传感部分、被测导线、光电探测器和信号处理单元；所述SLD光源与光纤耦合器的第一端连接，所述光纤起偏器的一端与光纤耦合器的第二端连接，所述光电探测器的一端与光纤耦合器的第三端连接，所述光纤起偏器的另一端与相位调制器的第一端连接，所述相位调制器的第二端与保偏光纤延迟线的一端连接，所述保偏光纤延迟线的另一端与1/4波片的一端连接，所述1/4波片的另一端与传感部分的输入端连接，所述被测导线穿过传感部分，所述传感部分的输出端与信号处理单元的第一输入端连接，所述光电探测器的另一端与信号处理单元的第二输入端连接，所述信号处理单元的输出端与相位调制器的第三端连接；所述光纤耦合器、光纤起偏器、相位调制器、保偏光纤延迟线、1/4波片、传感部分、光电探测器和信号处理单元构成双闭环反馈结构。

进一步地：所述传感部分包括反射镜、传感光纤、温度传感器、铝合金外壳、温度传感器信号线和柔性隔热垫；所述传感光纤的一端与1/4波片连接、另一端与反射镜连接，所述传感光纤黏合在温度传感器上侧，所述温度传感器黏合在柔性隔热垫上侧，所述柔性隔热垫黏合在铝合金外壳的内部，所述温度传感器信号线与信号处理单元的第一输入端连接。

进一步地：所述温度传感器采用热电偶式温度传感器。

进一步地：所述传感部分内嵌有N个温度传感器，所述N个温度传感器等角度均匀分布在传感光纤绕制成的传感环上，且N＞1且N为正整数。

进一步地：所述N个温度传感器等角度分布，任意相邻两个温度传感器的夹角δ大小为：

进一步地：所述柔性隔热垫采用柔性隔热材料。

一种基于所述的嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置的温度补偿算法，所述温度补偿算法为：

所述传感光纤绕制成的传感环内等角度分布N个温度传感器，每个温度传感器测得该点传感光纤的温度值为T_i(i＝1,2…，N)，温度补偿角θ_T大小为：

式中，N为温度传感器个数；β_T为温度补偿的二次相位调制角大小；α_T为温度补偿的一次相位调制角大小；θ_Ti为第i个温度传感器测得的温度补偿角；T_i为第i个温度传感器测得的温度值；T₀为初始标定温度；k(T_i)为第i个温度传感器解调后得到的温度补偿角系数。

本发明所涉及的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法的有益效果是：

本发明所涉及的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置及温度补偿算法，采用了传感环内部嵌入多点等角度分布的温度传感器的双反馈结构，并通过相应的温度补偿算法提高全光纤电流互感器抗外界温度干扰的能力，内嵌温度传感器的结构可以有效的防止温度传感器与传感光纤温度不一致导致的补偿不准确；N个温度传感器等角度分布，并通过相应的温度补偿算法，可以有效地抑制传感环受热不均匀导致的测量误差。本发明可以有效地解决温度传感器与传感光纤温度不一致导致的补偿不准确的问题和传感环受热不均匀导致的测量误差温度，可靠性高，双反馈结构，测量电流精度较高，抗温度干扰能力强。

附图说明

图1是全光纤电流互感器传感装置结构示意图；

图2是传感部分俯视结构示意图；

图3是图2中传感部分左视局部结构示意图；

图中，1为SLD光源、2为光纤耦合器、3为光纤起偏器、4为相位调制器、5为保偏光纤延迟线、6为1/4波片、7为传感部分、8为被测导线、9为光电探测器、10为信号处理单元、7-1为反射镜、7-2为传感光纤、7-3为温度传感器、7-4为铝合金外壳、7-5为温度传感器信号线、7-6为柔性隔热垫。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1-图3说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，它包括SLD光源1、光纤耦合器2、光纤起偏器3、相位调制器4、保偏光纤延迟线5、1/4波片6、传感部分7、被测导线8、光电探测器9和信号处理单元10；所述SLD光源1与光纤耦合器2的第一端连接(光纤耦合器2的左上半部分)，所述光纤起偏器3的一端与光纤耦合器2的第二端连接，所述光电探测器9的一端与光纤耦合器2的第三端连接，所述光纤起偏器3的另一端与相位调制器4的第一端连接，所述相位调制器4的第二端与保偏光纤延迟线5的一端连接，所述保偏光纤延迟线5的另一端与1/4波片6的一端连接，所述1/4波片6的另一端与传感部分7的输入端连接，所述被测导线8穿过传感部分7，所述传感部分7的输出端与信号处理单元10的第一输入端连接，所述光电探测器9的另一端与信号处理单元10的第二输入端连接，所述信号处理单元10的输出端与相位调制器4的第三端连接；所述光纤耦合器2、光纤起偏器3、相位调制器4、保偏光纤延迟线5、1/4波片6、传感部分7、光电探测器9和信号处理单元10构成双闭环反馈结构。

光纤耦合器2与SLD光源1连接端的下半部分接光电探测器9，光电探测器9将光学信号转换为模拟电信号传递给信号处理单元10进行解调，信号处理单元10同时接收传感部分7发出的电信号进行调制，信号处理单元10将调制和解调制的信号用以控制相位调制器4进行反馈处理；所述光纤耦合器2、光纤起偏器3、相位调制器4、保偏光纤延迟线5、1/4波片6、传感部分7、光电探测器9构成双闭环反馈结构。

更为具体地：所述传感部分7包括反射镜7-1、传感光纤7-2、温度传感器7-3、铝合金外壳7-4、温度传感器信号线7-5和柔性隔热垫7-6；所述传感光纤7-2的一端与1/4波片6连接、另一端与反射镜7-1连接，所述传感光纤7-2黏合在温度传感器7-3上侧，所述温度传感器7-3黏合在柔性隔热垫7-6上侧，所述柔性隔热垫7-6黏合在铝合金外壳7-4内部，所述温度传感器信号线7-5与信号处理单元10的第一输入端连接。

所述铝合金外壳内部7-4一侧采用树脂黏合所述柔性隔热垫7-6下侧；所述柔性隔热垫7-6上侧用树脂黏合所述温度传感器7-3下侧；所述温度传感器7-3上侧用树脂黏合传感光纤7-2；温度传感器的信号线7-5接信号处理单元10；信号处理单元10同时接收温度传感器7-3发出的电信号进行调制，SLD光源1发出一束光，经过光纤起偏器3起偏后变为线偏振光，线偏振光通过相位调制器4进行初次调制后通过保偏延迟线5到1/4波片6，1/4波片6将线偏振光变为圆偏振光传输到传感部分7中的传感光纤7-2，圆偏振光通过传感光纤7-2传输到反射镜7-1，在这个光传输过程同时被测导线8上流过的电流I产生的磁场作用也作用在传感光纤7-2上，偏振光的角度在磁场的作用下发生偏转，再通过反射镜7-1反射，由于光的偏转方向只与磁场方向有关，与光传输方向无关，所以反射后圆偏振光沿着传感光纤7-2原路返回，偏振光在磁场作用下发生二次偏转，使得偏转角加倍，反射后的圆偏振光再通过1/4波片6将圆偏振光转换为线偏振光并通过保偏光纤延迟线5传输到相位调制器4进行光信号的二次调制，再通过光纤起偏器3进行检偏，再通过光纤耦合器2将带有被测电流信息的线偏振光传输到光电探测器9，光电检测器9将光强信号转为电信号传输到信号处理单元10进行调解，将解调的被测电流值I输出，同时作为光调制信号通过相位调制器4对光信号进行实时反馈调制；传感部分7中的温度传感器7-3实时感测到传感光纤7-2上几个关键部位的温度值，温度传感器7-3将感测到的温度值转换为电信号通过信号线7-5最终传输到信号处理单元10，信号处理单元10通过相应的温度补偿算法得到调制电信号，通过相位调制器4对光信号进行反馈补偿调制。

更为具体地：所述温度传感器7-3采用热电偶式温度传感器。

更为具体地：所述传感部分7内嵌有N个温度传感器7-3，所述N个温度传感器7-3等角度均匀分布在传感光纤7-2绕制成的传感环上，且N＞1且N为正整数。

更为具体地：所述N个温度传感器7-3等角度分布，任意相邻两个温度传感器7-3的夹角δ大小为：

更为具体地：所述柔性隔热垫7-6采用柔性隔热材料。

实施例2

结合图1-图3说明本实施例，在本实施例中，本实施例所述的一种基于所述的嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置的温度补偿算法，所述温度补偿算法为：

所述传感光纤7-2绕制成的传感环内等角度分布N个温度传感器7-3，每个温度传感器7-3测得该点传感光纤7-2的温度值为Ti＝1,2…，N，温度补偿角θ_T大小为：

式中，N为温度传感器个数；β_T为温度补偿的二次相位调制角大小；α_T为温度补偿的一次相位调制角大小；θ_Ti为第i个温度传感器测得的温度补偿角；T_i为第i个温度传感器测得的温度值；T₀为初始标定温度；k(T_i)为第i个温度传感器解调后得到的温度补偿角系数。

SLD光源发出一束光，经过光纤起偏器3起偏后变为线偏振光，线偏振光通过相位调制器4进行初次调制，调制角度大小为α_I+α_T，初次调制后的线偏振光再通过保偏延迟线5到1/4波片6，1/4波片6将线偏振光变为圆偏振光传输到传感部分7中的传感光纤7-2，圆偏振光通过传感光纤7-2传输到反射镜7-1，在这个光传输过程同时被测导线8上流过的电流I产生的磁场作用，偏振光的角度在磁场的作用下发生偏转，大小为再通过反射镜7-1反射，由于光的偏转方向只与磁场方向有关，与光传输方向无关，所以反射后圆偏振光沿着传感光纤7-2原路返回，偏振光在磁场作用下发生二次偏转，使得偏转角加倍为反射后的圆偏振光再通过1/4波片6将圆偏振光转换为线偏振光并通过保偏光纤延迟线5传输到相位调制器4进行光信号的二次调制，二次调制角大小为β_I+β_T，再通过光纤起偏器3进行检偏，再通过光纤耦合器2将带有被测电流信息的线偏振光传输到光电探测器9，光电检测器9将光强信号转为电信号传输到信号处理单元10进行解调得到被测电流I的反馈角θ_I，另一方面传感部分7中的N点等角度分布的温度传感器7-3实时感测到传感光纤7-2上的温度值Ti，温度传感器7-3将感测到的温度值转换为电信号通过信号线7-5最终传输到信号处理单元10，信号处理单元10通过温度补偿算法得每个温度传感器的温度补偿角θ_Ti＝(T_i-T₀)k(T_i)，并计算得到总温度补偿角信号处理单元10将反馈角θ_I和温度补偿角θ_T一并处理后，再通过相位调制器4对光信号进行反馈补偿调制，同时将解调的被测电流值I输出，并得到光强公式

式中，J₀是光强，是法拉第旋转角，N1为传感光纤匝数，I为被测电流，V为传感光纤的Verdet常数；θ_I为被测电流I的反馈角；θ_T为温度补偿角。

其中，

式中，N为温度传感器个数；θ_Ti为第i个温度传感器测得的温度补偿角；T_i为第i个温度传感器测得的温度值；k(T_i)为第i个温度传感器解调后得到的温度补偿角系数；T₀为初始标定温度；β_T为温度补偿的二次相位调制角大小；α_T为温度补偿的一次相位调制角大小；β_I为被测电流I反馈的二次相位调制角大小；α_I为被测电流I反馈的一次相位调制角大小。

虽然本发明所揭示的实施例如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，它包括SLD光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤起偏器(3)、相位调制器(4)、保偏光纤延迟线(5)、1/4波片(6)、传感部分(7)、被测导线(8)、光电探测器(9)和信号处理单元(10)；所述SLD光源(1)与光纤耦合器(2)的第一端连接，所述光纤起偏器(3)的一端与光纤耦合器(2)的第二端连接，所述光电探测器(9)的一端与光纤耦合器(2)的第三端连接，所述光纤起偏器(3)的另一端与相位调制器(4)的第一端连接，所述相位调制器(4)的第二端与保偏光纤延迟线(5)的一端连接，所述保偏光纤延迟线(5)的另一端与1/4波片(6)的一端连接，所述1/4波片(6)的另一端与传感部分(7)的输入端连接，所述被测导线(8)位于传感部分(7)内部，所述传感部分(7)的输出端与信号处理单元(10)的第一输入端连接，所述光电探测器(9)的另一端与信号处理单元(10)的第二输入端连接，所述信号处理单元(10)的输出端与相位调制器(4)的第三端连接；所述光纤耦合器(2)、光纤起偏器(3)、相位调制器(4)、保偏光纤延迟线(5)、1/4波片(6)、传感部分(7)、光电探测器(9)和信号处理单元(10)构成双闭环反馈结构。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，所述传感部分(7)包括反射镜(7-1)、传感光纤(7-2)、温度传感器(7-3)、铝合金外壳(7-4)、温度传感器信号线(7-5)和柔性隔热垫(7-6)；所述传感光纤(7-2)的一端与1/4波片(6)连接、另一端与反射镜(7-1)连接，所述传感光纤(7-2)黏合在温度传感器(7-3)上侧，所述温度传感器(7-3)黏合在柔性隔热垫(7-6)上侧，所述柔性隔热垫(7-6)黏合在铝合金外壳(7-4)内部下侧，所述温度传感器信号线(7-5)与信号处理单元(10)的第一输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，所述温度传感器(7-3)采用热电偶式温度传感器。

4.根据权利要求2所述的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，所述传感部分(7)内嵌有N个温度传感器(7-3)，所述N个温度传感器(7-3)等角度均匀分布在传感光纤(7-2)绕制成的传感环上，且N＞1且N为正整数。

5.根据权利要求4所述的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，所述N个温度传感器(7-3)等角度分布，任意相邻两个温度传感器(7-3)的夹角δ大小为：

6.根据权利要求2所述的一种嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置，其特征在于，所述柔性隔热垫(7-6)采用柔性隔热材料。

7.一种基于权利要求2所述的嵌入分布式温度传感器的全光纤电流互感器传感装置的温度补偿算法，其特征在于，所述温度补偿算法为：

所述传感光纤(7-2)绕制成的传感环内等角度分布N个温度传感器(7-3)，每个温度传感器(7-3)测得该点传感光纤(7-2)的温度值为T_i(i＝1,2…，N)，温度补偿角θ_T大小为：

式中，N为温度传感器个数；β_T为温度补偿的二次相位调制角大小；α_T为温度补偿的一次相位调制角大小；θ_Ti为第i个温度传感器测得的温度补偿角；T_i为第i个温度传感器测得的温度值；T₀为初始标定温度；k(T_i)为第i个温度传感器解调后得到的温度补偿角系数。