CN110007125B - 双光路光学电流传感器 - Google Patents

双光路光学电流传感器 Download PDF

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Abstract

双光路光学电流传感器，涉及电流测量领域。本发明是为了解决现有光学电流传感器由于存在线性双折射和入射起偏角偏差而无法准确测量电流直流分量或非周期分量的问题。本发明光源输出的光通过光纤分束器分为两束光，一束光依次通过第一光纤准直器、第一偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱、第二偏振分光棱镜和第二光纤准直器入射至第一探测器；另一束光依次通过第三光纤准直器、第二偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱、第一偏振分光棱镜和第四光纤准直器入射至第二探测器；第一探测器的电信号输出端和第二探测器的电信号输出端同时连接信号处理单元的电信号输入端。本发明用于实现对直流分量或非周期分量的准确测量。

Description

双光路光学电流传感器
技术领域
本发明属于电力系统中电流测量领域。
背景技术
光学电流互感器基于法拉第磁光效应原理测量电流，其实质是沿传感光路的磁场积分，因其卓越的性能和潜在的优势，已经成为电流互感器发展的主要方向。与全光纤电流互感器相比，磁光玻璃光学电流互感器具有结构简单、光学元件少、稳定性好和成本低等优势，是较为理想的一种光学电流互感器。
在光学电流互感器的使用中，一般通过检测法拉第旋转角的大小得到被测电流信息，采用的信号处理方法主要有单光路方案和双探测器差除和方案。单光路方案通过交直流分离方法剔除光源波动的影响，一般用于交流测量；如果需要保留被测信号中的直流分量或非周期分量，则需要采用双探测器差除和方案。
公开日为2009-12-09、公开号为CN101598774A、名称为《一种金属化封装的磁光传感器》中国专利，是目前在交流测量中最常用的双输出光学电流传感器，如图2所示，它包含一路输入两路输出，可以实现双探测器差除和方案。根据本领域的技术知识，其实现电流测量的方法可以描述为：
第一探测器和第二探测器接收到的光学电流传感器输出光强Jout1和Jout2分别表示为：其中：
Figure BDA0002026441430000011
Figure BDA0002026441430000012
其中，Jin为光学电流传感器的输入光强，也即光源输出光强；θ为起偏器透光轴与系统坐标轴之间的预偏角，即入射起偏角；
Figure BDA0002026441430000013
为在被测电流产生的磁场的作用下光学电流传感器线偏振光通过磁光玻璃后偏振面旋转的角度，也即法拉第旋转角，其计算公式为：
Figure BDA0002026441430000014
式中：V为磁光玻璃材料的费尔德常数，H为被测电流产生的磁场强度，L为磁光玻璃的长度。
ψ为综合考虑
Figure BDA0002026441430000021
和磁光玻璃的线性双折射δ的影响，产生的相移，其计算公式为：
Figure BDA0002026441430000022
两探测器将光电转换之后的信号输入信号处理单元，实现差除和方案，其计算公式为：
Figure BDA0002026441430000023
在不考虑线性双折射和入射起偏角的影响时，即δ＝0和θ＝0°、45°或90°，上式简化为：
Figure BDA0002026441430000024
法拉第旋转角一般比较小，于是有：
Figure BDA0002026441430000025
法拉第旋转角与被测电流呈比例关系。因此，在理想情况下，这种光学电流传感器能通过双探测器差除和方案实现对直流分量或非周期分量的准确测量。
但是，事实上光学电流传感器中的磁光玻璃不可避免的会存在固有双折射与安装和温度变化等引起的应力双折射，入射起偏角θ也不可能准确地预设为0°、45°或90°。这样，在线性双折射与入射起偏角的共同作用下,这种光学电流传感器的输出就会产生一个直流分量
Figure BDA0002026441430000026
与感应被测电流产生的法拉第旋转角相比是不可或略的，而且这个直流分量还会随着传感器周围环境温度变化等因素发生改变，也不可能通过预先定标加以消除，使得这个直流分量与被测直流电流或被测交流中的非周期分量无法区分，严重影响了双输出的光学电流传感器对直流分量或非周期分量的测量准确度。
中国专利201110376332.6和欧洲专利EP0729033A2公开的双向传输的光学电流传感器也实现双探测器差除和方案，如图3所示。根据本领域的技术知识，其实现电流测量的方法可以描述为：
第一探测器和第二探测器接收到的光学电流传感器的输出光强Jout1和Jout2可以表示为：
Figure BDA0002026441430000027
Figure BDA0002026441430000028
这样，两探测器将光电转换之后的信号输入信号处理单元，实现差除和方案，其计算公式为：
Figure BDA0002026441430000031
虽然入射起偏角θ不能精准地预设为0°、45°或90°，但是这个偏差会在很小的范围内，使得
Figure BDA0002026441430000032
因此，双向传输的光学电流传感器的输出可以近似描述为：
Figure BDA0002026441430000033
双向传输的光学电流传感器的输出不包含干扰直流分量，可以实现对直流分量或非周期分量的测量。但是，从公式(1)、(2)和(8)、(9)可以看出，这种双向传输的光学电流传感器的光源输出光功率的大小是双输出的光学电流传感器的4倍，才能达到相近的输出光强，也即这种双向传输的光学电流传感器对光源输出光功率要求比较高。更为重要的是，这种双向传输的结构使得光学电流传感器的正反向输出光都会有小部分光通过耦合器耦合入光源，从而影响光源输出的稳定性，进而影响光学电流传感器的测量稳定性和测量准确度。
发明内容
本发明是为了解决现有光学电流传感器由于存在线性双折射和入射起偏角偏差而无法准确测量电流直流分量或非周期分量的问题，现提供双光路光学电流传感器。
双光路光学电流传感器，包括：第一偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱、第二偏振分光棱镜、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、光纤分束器、第一探测器、第二探测器和信号处理单元；
磁光玻璃光柱用于感应被测导体的电流信息，
光源输出的光通过光纤分束器分为两束能量相等的光，
一束光依次通过第一光纤准直器和第一偏振分光棱镜入射至磁光玻璃光柱的一端，磁光玻璃光柱另一端输出的光依次通过第二偏振分光棱镜和第二光纤准直器入射至第一探测器的光敏面上；
另一束光依次通过第三光纤准直器和第二偏振分光棱镜入射至磁光玻璃光柱的另一端，磁光玻璃光柱一端输出的光依次通过第一偏振分光棱镜和第四光纤准直器入射至第二探测器的光敏面上；
第一探测器的电信号输出端和第二探测器的电信号输出端同时连接信号处理单元的电信号输入端；
信号处理单元还包括以下软件实现的子单元：
采集单元，采集第一探测器和第二探测器发送的电信号，
解调单元，对采集到的电信号进行解调，获得输出结果。
上述第一偏振分光棱镜的透光轴与第二偏振分光棱镜的透光轴夹角为45°。
上述光源与光纤分束器之间、光纤分束器与第一光纤准直器之间、光纤分束器与第三光纤准直器之间、第三光纤准直器与第一探测器之间、第四光纤准直器与第二探测器之间均通过多模光纤实现光信号的传输。
上述依次通过第一偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱和第二偏振分光棱镜的光路、与依次通过第二偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱和第一偏振分光棱镜的光路为相互独立的并行光路。
上述解调单元中，通过差除和算法对采集到的电信号进行解调。
上述第二光纤准直器的出射光光强Jout1为：
Figure BDA0002026441430000041
第四光纤准直器的出射光光强Jout2为：
Figure BDA0002026441430000042
上式中，Jin为光源输出的光强，ψ为相移，
Figure BDA0002026441430000043
为法拉第旋转角，θ为入射起偏角。
上述信号处理单元(11)的输出结果u为：
Figure BDA0002026441430000044
上述第一偏振分光棱镜、磁光玻璃光柱、第二偏振分光棱镜、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器和第四光纤准直器均通过光学胶固定在金属基板上。
本发明具有以下技术效果：
本发明所述的双光路光学电流传感器，其第一传感光路和第二传感光路的两路输出通过差除和运算，使得双光路光学电流传感器的输出不包含线性双折射与入射起偏角共同作用产生的干扰直流分量，能够实现对直流分量或非周期分量的准确测量。
同时，由于两个传感光路的相对独立性，消除了现有技术中双向传输的光学电流传感器输出光对光源输出稳定性的影响，有效地提高了光学电流传感器的测量稳定性和测量准确度，特别适用于直流电流的测量。
综上所述，本发明所述的双光路光学电流传感器不仅适用于交流电流的准确测量，还同样适用于直流电流的准确测量。
附图说明
图1为本发明所述的双光路光学电流传感器的结构示意图；
图2为背景技术中所述的一种金属化封装的磁光传感器的结构示意图；
图3为背景技术中所述的双向传输的光学电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的双光路光学电流传感器包括：第一偏振分光棱镜1、磁光玻璃光柱2、第二偏振分光棱镜3、第一光纤准直器4-1、第二光纤准直器4-2、第三光纤准直器4-3、第四光纤准直器4-4、金属基板5、光纤分束器8、第一探测器9、第二探测器10和信号处理单元11。
第一偏振分光棱镜1和第二偏振分光棱镜3分别位于磁光玻璃光柱2的两端、且第一偏振分光棱镜1的透光轴与第二偏振分光棱镜3的透光轴夹角为45°，第一光纤准直器4-1和第四光纤准直器4-4均位于第一偏振分光棱镜1的外侧，第二光纤准直器4-2和第三光纤准直器4-3均位于第二偏振分光棱镜3的外侧，第一偏振分光棱镜1、磁光玻璃光柱2、第二偏振分光棱镜3、第一光纤准直器4-1、第二光纤准直器4-2、第三光纤准直器4-3和第四光纤准直器4-4均通过光学胶固定在金属基板5上。
光源7与光纤分束器8之间通过多模光纤连接、光纤分束器8与第一光纤准直器4-1之间通过多模光纤连接、光纤分束器8与第三光纤准直器4-3之间通过多模光纤连接、第三光纤准直器4-3与第一探测器9之间通过多模光纤连接、第四光纤准直器4-4与第二探测器10之间通过多模光纤连接。
第一探测器9的电信号输出端和第二探测器10的电信号输出端同时连接信号处理单元11的电信号输入端。
上述硬件连接完成之后，构成双光路光学电流传感器，其工作原理如下：
当有电流流过被测导体6时，磁光玻璃光柱2能够感应被测导体6的电流信息。光源7发出光强为Jin的自然光、并通过光纤分束器8分为两束能量均为Jin/2的自然光。
其中一束自然光依次经过第一光纤准直器4-1准直、第一偏振分光棱镜1转变成线偏振光、线偏振光入射至磁光玻璃光柱2的一端，由于被测导体6中电流产生磁场，在该磁场作用下，线偏振光陈胜了法拉第旋转角-
Figure BDA0002026441430000065
并发生偏转，之后从磁光玻璃光柱2另一端输出，磁光玻璃光柱2另一端的出射光又依次经过第二偏振分光棱镜3和第二光纤准直器4-2，至此，形成了第一传感光路，第一传感光路输出的光强，即：第二光纤准直器4-2的出射光光强Jout1为：
Figure BDA0002026441430000061
同理于第一传感光路，光纤分束器8出射的另一束自然光依次经过第三光纤准直器4-3准直、第二偏振分光棱镜3转变成线偏振光、线偏振光入射至磁光玻璃光柱2的另一端，由于被测导体6中电流产生磁场，在该磁场作用下，线偏振光陈胜了法拉第旋转角
Figure BDA0002026441430000062
并发生偏转，之后从磁光玻璃光柱2一端输出，磁光玻璃光柱2一端的出射光又依次经过第一偏振分光棱镜1和第四光纤准直器4-4，至此，形成了第二传感光路，第二传感光路输出的光强，即：第四光纤准直器4-4的出射光光强Jout2为：
Figure BDA0002026441430000063
上述公式12和13中，ψ为相移，θ为入射起偏角。
上述第一传感光路通过第一偏振分光棱镜1、磁光玻璃光柱2和第二偏振分光棱镜3时、与第二传感光路通过第二偏振分光棱镜3、磁光玻璃光柱2和第一偏振分光棱镜1时，两光路为相互独立的并行光路。
第一传感光路和第二传感光路输出的光分别入射至第一探测器9的光敏面和第二探测器10的光敏面上，第一探测器9和第二探测器10将采集到的光信号转换为电信号并送入信号处理单元11中。在信号处理单元11中，通过差除和算法对采集到的电信号进行解调，具体解调过程为：
Figure BDA0002026441430000064
进一步的，由于
Figure BDA0002026441430000071
因此本实施方式中，信号处理单元11的输出结果u能够近似为：
Figure BDA0002026441430000072
根据
Figure BDA0002026441430000073
法拉第旋转角
Figure BDA0002026441430000074
与流过被测导体6的电流产生的磁场强度H成比例关系，进而最终实现电流的测量。
在实际应用时，信号处理单元11中对采集到的电信号进行解调时，并不限于经典的差除和算法，还可以采用单光路方案实现对交流电流的准确测量。
根据以上具体实施方式中能够得出：
1、本实施方式所述的双光路光学电流传感器的输出与现有技术中双向传输的光学电流传感器的输出在数学模型上是一致的。本实施方式所述的双光路光学电流传感器的输出也不包含线性双折射与入射起偏角共同作用而产生的干扰直流分量，因此本实施方式能够实现对被测电流直流分量或非周期分量的准确测量。
2、从物理结构上，本实施方式所述的双光路光学电流传感器的两个传感光路具有相对的独立性，因此消除了现有技术中双向传输的光学电流传感器输出光对光源输出稳定性的影响，本实施方式有效地提高了光学电流传感器的测量稳定性和测量准确度。
3、将公式(8)、(9)分别与公式(12)、(13)进行对比，能够得出，本实施方式光源输出光功率达到现有技术中双输出的光学电流传感器的1/2时，就能得到相近的输出光强，也即本本实施方式所述的双光路光学电流传感器对光源输出光功率要求较低。

Claims (6)

1.双光路光学电流传感器，其特征在于，包括：第一偏振分光棱镜(1)、磁光玻璃光柱(2)、第二偏振分光棱镜(3)、第一光纤准直器(4-1)、第二光纤准直器(4-2)、第三光纤准直器(4-3)、第四光纤准直器(4-4)、光纤分束器(8)、第一探测器(9)、第二探测器(10)和信号处理单元(11)；
磁光玻璃光柱(2)用于感应被测导体(6)的电流信息，
光源(7)输出的光通过光纤分束器(8)分为两束能量相等的光，
一束光依次通过第一光纤准直器(4-1)和第一偏振分光棱镜(1)入射至磁光玻璃光柱(2)的一端，磁光玻璃光柱(2)另一端输出的光依次通过第二偏振分光棱镜(3)和第二光纤准直器(4-2)入射至第一探测器(9)的光敏面上；
另一束光依次通过第三光纤准直器(4-3)和第二偏振分光棱镜(3)入射至磁光玻璃光柱(2)的另一端，磁光玻璃光柱(2)一端输出的光依次通过第一偏振分光棱镜(1)和第四光纤准直器(4-4)入射至第二探测器(10)的光敏面上；
第一探测器(9)的电信号输出端和第二探测器(10)的电信号输出端同时连接信号处理单元(11)的电信号输入端；
信号处理单元(11)还包括以下软件实现的子单元：
采集单元，采集第一探测器(9)和第二探测器(10)发送的电信号，
解调单元，对采集到的电信号进行解调，获得输出结果；
依次通过第一偏振分光棱镜(1)、磁光玻璃光柱(2)和第二偏振分光棱镜(3)的光路、与依次通过第二偏振分光棱镜(3)、磁光玻璃光柱(2)和第一偏振分光棱镜(1)的光路为相互独立的并行光路；
通过差除和算法对采集到的电信号进行解调；
第二光纤准直器(4-2)的出射光光强Jout1为：
Figure FDA0002942570350000011
第四光纤准直器(4-4)的出射光光强Jout2为：
Figure FDA0002942570350000012
上式中，Jin为光源(7)输出的光强，ψ为相移，
Figure FDA0002942570350000013
为法拉第旋转角，θ为入射起偏角。
2.根据权利要求1所述的双光路光学电流传感器，其特征在于，第一偏振分光棱镜(1)的透光轴与第二偏振分光棱镜(3)的透光轴夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的双光路光学电流传感器，其特征在于，
光源(7)与光纤分束器(8)之间、
光纤分束器(8)与第一光纤准直器(4-1)之间、
光纤分束器(8)与第三光纤准直器(4-3)之间、
第三光纤准直器(4-3)与第一探测器(9)之间、
第四光纤准直器(4-4)与第二探测器(10)之间均通过多模光纤实现光信号的传输。
4.根据权利要求1所述的双光路光学电流传感器，其特征在于，信号处理单元(11)的输出结果u为：
Figure FDA0002942570350000021
5.根据权利要求4所述的双光路光学电流传感器，其特征在于，信号处理单元(11)的输出结果u近似为：
Figure FDA0002942570350000022
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的双光路光学电流传感器，其特征在于，第一偏振分光棱镜(1)、磁光玻璃光柱(2)、第二偏振分光棱镜(3)、第一光纤准直器(4-1)、第二光纤准直器(4-2)、第三光纤准直器(4-3)和第四光纤准直器(4-4)均通过光学胶固定在金属基板(5)上。
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张艳 等."一种新型传感结构的光学直流电流传感器".《中国电机工程学报》.2009,第29卷(第3期), *

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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Yu Wenbin

Inventor after: Zhang Guoqing

Inventor after: Yin Dong

Inventor after: Guo Zhizhong

Inventor after: Wang Guizhong

Inventor after: Li Hongbo

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GR01 Patent grant
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