CN110672903A - 光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置，用于对光纤电流传感器输出端所输出的反馈相移进行非线性校正；反馈相移非线性校正装置包括校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器；校正系数发生器输入端与光纤电流传感器输出端连接，校正系数发生器输出端与第一乘加器一输入端连接，第一乘加器另一输入端与光纤电流传感器输出端连接，第一乘加器输出端与第二乘加器一输入端连接，第二乘加器另一输入端与光纤电流传感器输出端连接，第二乘加器输出端输出校正后的反馈相移。本发明还提供一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统和一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，改善柔性光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

Description

光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤电流传感技术领域，尤其涉及一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置、系统及方法。

背景技术

大电流技术在冶金、电力、国防军工、可控核聚变研究等领域应用广泛，准确的电流测量与安全生产、节能减排、产品质控及重大科学研究密切相关。基于Faraday磁光效应的干涉型光纤电流传感器具有测量精度高、动态范围大、频响范围宽(可同时测量交流和直流电流)、抗外磁场干扰能力强、便携性好等特点，在大电流测量领域具有广阔的应用前景。超大电流载流母线往往很难断开，要求大电流传感器可以开口安装。柔性光纤电流传感器是将传感光纤封装为柔性光缆，可在不断开载流母线的条件下以一定的圈数直接围绕被测电流形成敏感环路，很好地满足了大电流在线测量的实际需求。

光纤电流传感器采用反射式Sagnac干涉仪作为传感光路，利用1/4波片将两束正交的线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，两束正交的圆偏振光在首尾闭合的光纤敏感环中往返传输，产生与被测电流成正比的相位差。由于光路结构的互易性，两束信号光的干涉光强仅携带被测电流产生的Faraday相移。干涉光强由光电探测器转化为电信号。在信号处理方面，传感器采用闭环信号检测技术，检测系统从干涉光强中解调出Faraday相移，并实时产生与之大小相等，符号相反的反馈相移，将系统锁定在正交工作点上，保证传感器在大动态范围内具有高线性度。反馈相移同时将作为传感器的输出。

为抑制光纤弯曲造成的线性双折射的影响，柔性光纤电流传感器通常采用椭圆双折射光纤作为传感光纤。该光纤是由保偏光纤预制棒拉丝的同时旋转形成的，其双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋分布，螺距的大小由旋转周期和拉丝速度决定。描述这种光纤特性的两个重要参数是螺距L_t和线拍长L_b(未旋转状态下保偏光纤的拍长)，定义η＝2L_b/L_t。

椭圆双折射光纤的偏振本征模式是两束正交的椭圆偏振光，其椭圆度与η有关，η越大，偏振本征模越趋近于圆偏振光。理想情况下，传感光纤的偏振本征模式为左旋、右旋圆偏振光，传感器闭环系统检测到的相位差仅为被测电流成产生的Faraday相移，反馈相移与被测电流成正比。但是，实际中η并不容易做到很大，通常在1～5之间。在这种情况下，进入椭圆双折射光纤的圆偏振光无法保持偏振态，传感器闭环系统检测到的相位差除与被测电流产生的Faraday相移有关外，还与由线拍长和螺距决定的线性双折射和圆双折射有关，反馈相移与被测电流之间为非线性关系，且被测电流越大，非线性越显著，严重影响了传感器在大动态范围内的测量准确度。

现有柔性光纤电流传感器普遍存在非线性问题，无法保证大动态范围内的测量准确度。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种光纤电流传感器反馈相移非线性的校正装置，使得柔性光纤电流传感器闭环检测模块产生的反馈相移与被测电流之间恢复线性关系，改善柔性光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

本发明的问题之一，是这样实现的：

一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置，用于对光纤电流传感器的输出端所输出的反馈相移进行非线性校正；其特征在于：所述反馈相移非线性校正装置包括校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器；所述校正系数发生器的输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述校正系数发生器的输出端与第一乘加器的一输入端连接，所述第一乘加器的另一输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述第一乘加器的输出端与第二乘加器的一输入端连接，所述第二乘加器的另一输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述第二乘加器的输出端输出校正后的反馈相移。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种光纤电流传感器反馈相移非线性的校正系统，使得柔性光纤电流传感器闭环检测模块产生的反馈相移与被测电流之间恢复线性关系，改善柔性光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

本发明的问题之二，是这样实现的：

一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，包括反馈相移非线性测试设备、光纤电流传感器和反馈相移非线性校正装置，所述反馈相移非线性校正装置包括校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器；

所述反馈相移非线性测试设备与光纤电流传感器连接，所述光纤电流传感器的输出端输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器的输入端、第一乘加器的一输入端和第二乘加器的一输入端连接，所述校正系数发生器的输出端与第一乘加器的另一输入端连接，所述第一乘加器的输出端与第二乘加器的另一输入端连接，所述第二乘加器的输出端输出校正后的反馈相移。

进一步地，所述反馈相移非线性测试设备包括电流标准源、第一电源线、第二电源线及等安匝线圈，所述电流标准源的正极与第一电源线的输入端连接，所述第一电源线的输出端与等安匝线圈的输入端连接，所述等安匝线圈的输出端与第二电源线的输入端连接，所述第二电源线的输出端与电流标准源的负极连接，所述等安匝线圈绕设成M匝，所述光纤电流传感器围绕于等安匝线圈中。

进一步地，所述光纤电流传感器包括柔性传感光缆、传感光路和闭环信号检测模块，所述柔性传感光缆围绕于等安匝线圈中形成N匝光纤敏感环，所述光纤敏感环还通过传感光路与闭环信号检测模块连接，所述闭环信号检测模块输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器连接。

进一步地，所述光纤敏感环由熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤封装而成。

进一步地，所述光纤电流传感器为柔性电流传感器。

本发明要解决的技术问题之三，在于提供一种光纤电流传感器反馈相移非线性的校正方法，使得柔性光纤电流传感器闭环检测模块产生的反馈相移与被测电流之间恢复线性关系，改善柔性光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

本发明的问题之三，是这样实现的：

一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，该方法需提供上述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，包括如下步骤：

步骤1、所述电流标准源输出标准电流i₀，经M匝等安匝线圈和N匝光纤敏感环等效放大，得到光纤电流传感器的量程上限等效测试电流I₀＝MNi₀，记录光纤电流传感器此时输出的反馈相移Φ₀，得到光纤电流传感器的比例因子：

步骤2、依次减小等效测试电流，记录等效测试电流为I_n时光纤电流传感器输出的反馈相移Φ_n，计算非线性误差e_n，n＝{1，2，3，…}，得到反馈相移非线性误差曲线e-Φ：

步骤3、根据反馈相移非线性误差曲线计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}，并存储于校正系数发生器中；

步骤4、所述校正系数发生器根据光纤电流传感器输出的反馈相移Φ的大小、非线性校正系数k_n和b_n输出相应的反馈系数k和b；

步骤5、按一次线性函数预测光纤电流传感器输出的反馈相移的非线性误差e：e＝kΦ+b；

步骤6、根据非线性误差e对光纤电流传感器输出的反馈相移Φ进行校正补偿，得到校正后的反馈相移Φ_out：Φ_out＝Φ(1-e)；

步骤7、通过对所述光纤电流传感器中闭环信号检测模块产生的反馈相移进行校正后，使得校正后的反馈相移与穿设于N匝光纤敏感环中的载流导体中的被测电流之间恢复线性关系，提高光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

进一步地，所述步骤3中非线性校正系数的计算方法如下：

(1)按非线性误差每变化ε为一段对反馈相移非线性误差曲线e-Φ进行分段，得到相应的分段点的坐标(Φ_n，e_n)，其中e_n＝ε(n-1)，n＝{1，2，3，…}；

(2)根据分段点的坐标计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}：

进一步地，所述步骤4中所述校正系数发生器根据光纤电流传感器输出的反馈相移Φ的大小、非线性校正系数k_n和b_n输出相应的反馈系数k和b，具体为：

a、当|Φ|>Φ₀时，k＝k₁，b＝-k₁Φ₀；

b、当Φ_n-1≥|Φ|>Φ_n时，k＝k_n，b＝b_n，n＝{1，2，3，…}；

c、当Φ_p≥|Φ|≥0时，k＝0，b＝e_p，(Φ_p，e_p)为反馈相移非线性误差曲线e-Φ上距离e轴最近的分段点。

本发明的优点在于：通过本发明使得柔性光纤电流传感器中闭环信号检测模块产生的反馈相移与被测电流之间恢复线性关系，提高了柔性光纤电流传感器在大动态范围内的线性度，改善了测量准确度。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置的结构示意图。

图2为本发明一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统的结构示意图。

图3为本发明中反馈相移非线性测试设备和光纤电流传感器的结构示意图。

图4为本发明一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法的执行流程图。

图中标号说明：

10-反馈相移非线性测试设备、11-电流标准源、12-第一电源线、13-第二电源线、14-等安匝线圈、20-反馈相移非线性补偿设备、21-校正系数发生器、22-第一乘加器、23-第二乘加器、30-(柔性)光纤电流传感器、31-柔性传感光缆、32-传感光路、33-闭环信号检测模块、34-光纤敏感环。

具体实施方式

为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置，用于对光纤电流传感器30的输出端所输出的反馈相移进行非线性校正；所述反馈相移非线性校正装置20包括校正系数发生器21、第一乘加器22和第二乘加器23；所述校正系数发生器21的输入端与光纤电流传感器30的输出端连接，所述校正系数发生器21的输出端与第一乘加器22的一输入端连接，所述第一乘加器22的另一输入端与光纤电流传感器30的输出端连接，所述第一乘加器22的输出端与第二乘加器23的一输入端连接，所述第二乘加器23的另一输入端与光纤电流传感器30的输出端连接，所述第二乘加器23的输出端输出校正后的反馈相移。所述光纤电流传感器30为柔性光纤电流传感器。

如图2和图3所示，本发明的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，包括反馈相移非线性测试设备10、光纤电流传感器30和反馈相移非线性校正装置20，所述光纤电流传感器30为柔性光纤电流传感器，所述反馈相移非线性校正装置20包括校正系数发生器21、第一乘加器22和第二乘加器23；

所述反馈相移非线性测试设备10与光纤电流传感器30连接，所述光纤电流传感器30的输出端输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器21的输入端、第一乘加器22的一输入端和第二乘加器23的一输入端连接，所述校正系数发生器21的输出端与第一乘加器22的另一输入端连接，所述第一乘加器22的输出端与第二乘加器23的另一输入端连接，所述第二乘加器23的输出端输出校正后的反馈相移；

所述校正系数发生器21：含有非线性校正系数存储器，可根据柔性光纤电流传感器30的闭环信号检测模块33输出的反馈相移Φ的大小自动检索存储器并输出相应的反馈系数k和b；

所述第一乘加器22：接收校正系数发生器21输出的反馈系数k和b及柔性光纤电流传感器30的闭环信号检测模块33输出的反馈相移Φ，按照线性函数预测反馈相移的非线性误差e，完成对反馈相移Φ、反馈系数k和b的加、减、乘和/或除的计算后，得到非线性误差e；

所述第二乘加器23：接收第一乘加器22输出的非线性误差e，对闭环信号检测模块33输出的反馈相移Φ进行补偿，得到最终输出Φ_out，完成对反馈相移Φ和非线性误差e的加、减、乘和/或除的计算后，得到最终输出Φ_ou。

较佳地，所述反馈相移非线性测试设备10包括电流标准源11、第一电源线12、第二电源线13及等安匝线圈14，所述电流标准源11的正极与第一电源线12的输入端连接，所述第一电源线12的输出端与等安匝线圈14的输入端连接，所述等安匝线圈14的输出端与第二电源线13的输入端连接，所述第二电源线13的输出端与电流标准源11的负极连接，所述等安匝线圈14绕设成M匝，所述光纤电流传感器30围绕于等安匝线圈14中；

所述光纤电流传感器30包括柔性传感光缆31、传感光路32和闭环信号检测模块33，所述柔性传感光缆31围绕于等安匝线圈14中形成N匝光纤敏感环34，所述光纤敏感环34为柔性光纤敏感环，所述光纤敏感环34还通过传感光路32与闭环信号检测模块33连接，所述闭环信号检测模块33输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器21、第一乘加器22和第二乘加器23连接；

所述光纤敏感环34由熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤封装而成。

如图4所示，本发明的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，该方法需提供上述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，包括如下步骤：

步骤1、所述电流标准源11输出标准电流i₀，经M匝等安匝线圈和N匝光纤敏感环等效放大，得到光纤电流传感器30的量程上限等效测试电流I₀＝MNi₀，通过等安匝线圈14和光纤敏感环34对电流的等效放大作用，降低了对电流标准源11功率的要求。在此等效测试电流作用下，记录光纤电流传感器30此时输出的反馈相移Φ₀，得到光纤电流传感器30的比例因子：

步骤2、依次减小等效测试电流，记录等效测试电流为I_n时光纤电流传感器30输出的反馈相移Φ_n，计算非线性误差e_n，n＝{1，2，3，…}，得到反馈相移非线性误差曲线e-Φ：

步骤3、根据反馈相移非线性误差曲线计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}，并存储于校正系数发生器21中；非线性校正系数的计算方法如下：

(1)按非线性误差每变化ε为一段对反馈相移非线性误差曲线e-Φ进行分段，得到相应的分段点的坐标(Φ_n，e_n)，其中e_n＝ε(n-1)，n＝{1，2，3，…}；

(2)根据分段点的坐标计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}：

步骤4、所述校正系数发生器21根据光纤电流传感器30输出的反馈相移Φ的大小、非线性校正系数k_n和b_n输出相应的反馈系数k和b；具体为：

a、当|Φ|>Φ₀时，k＝k₁，b＝-k₁Φ₀；

b、当Φ_n-1≥|Φ|>Φ_n时，k＝k_n，b＝b_n，n＝{1，2，3，…}；

c、当Φ_p≥|Φ|≥0时，k＝0，b＝e_p，(Φ_p，e_p)为反馈相移非线性误差曲线e-Φ上距离e轴最近的分段点；

步骤5、按一次线性函数预测光纤电流传感器30输出的反馈相移的非线性误差e：

e＝kΦ+b； (5)

步骤6、根据非线性误差e对光纤电流传感器30输出的反馈相移Φ进行校正补偿，得到校正后的反馈相移Φ_out：

Φ_out＝Φ(1-e) (6)

步骤7、通过对所述光纤电流传感器30中闭环信号检测模块33产生的反馈相移进行校正后，使得校正后的反馈相移与穿设于N匝光纤敏感环34中的载流导体(未图示)中的被测电流之间恢复线性关系，提高光纤电流传感器30在大动态范围内的线性度。

本发明的优点如下：

通过本发明使得柔性光纤电流传感器30中闭环信号检测模块33产生的反馈相移与被测电流之间恢复线性关系，提高了柔性光纤电流传感器30在大动态范围内的线性度，改善了测量准确度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置，用于对光纤电流传感器的输出端所输出的反馈相移进行非线性校正；其特征在于：所述反馈相移非线性校正装置包括校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器；所述校正系数发生器的输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述校正系数发生器的输出端与第一乘加器的一输入端连接，所述第一乘加器的另一输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述第一乘加器的输出端与第二乘加器的一输入端连接，所述第二乘加器的另一输入端与光纤电流传感器的输出端连接，所述第二乘加器的输出端输出校正后的反馈相移。

2.一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，其特征在于：包括反馈相移非线性测试设备、光纤电流传感器和反馈相移非线性校正装置，所述反馈相移非线性校正装置包括校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器；

所述反馈相移非线性测试设备与光纤电流传感器连接，所述光纤电流传感器的输出端输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器的输入端、第一乘加器的一输入端和第二乘加器的一输入端连接，所述校正系数发生器的输出端与第一乘加器的另一输入端连接，所述第一乘加器的输出端与第二乘加器的另一输入端连接，所述第二乘加器的输出端输出校正后的反馈相移。

3.如权利要求2所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，其特征在于：所述反馈相移非线性测试设备包括电流标准源、第一电源线、第二电源线及等安匝线圈，所述电流标准源的正极与第一电源线的输入端连接，所述第一电源线的输出端与等安匝线圈的输入端连接，所述等安匝线圈的输出端与第二电源线的输入端连接，所述第二电源线的输出端与电流标准源的负极连接，所述等安匝线圈绕设成M匝，所述光纤电流传感器围绕于等安匝线圈中。

4.如权利要求3所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，其特征在于：所述光纤电流传感器包括柔性传感光缆、传感光路和闭环信号检测模块，所述柔性传感光缆围绕于等安匝线圈中形成N匝光纤敏感环，所述光纤敏感环还通过传感光路与闭环信号检测模块连接，所述闭环信号检测模块输出反馈相移，其输出端分别与校正系数发生器、第一乘加器和第二乘加器连接。

5.如权利要求4所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置，其特征在于：所述光纤敏感环由熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤封装而成。

6.如权利要求2-5任意一项所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，其特征在于：所述光纤电流传感器为柔性电流传感器。

7.一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，其特征在于：该方法需提供如权利要求4所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正系统，包括如下步骤：

步骤1、所述电流标准源输出标准电流i₀，经M匝等安匝线圈和N匝光纤敏感环等效放大，得到光纤电流传感器的量程上限等效测试电流I₀＝MNi₀，记录光纤电流传感器此时输出的反馈相移Φ₀，得到光纤电流传感器的比例因子：

步骤2、依次减小等效测试电流，记录等效测试电流为I_n时光纤电流传感器输出的反馈相移Φ_n，计算非线性误差e_n，n＝{1，2，3，…}，得到反馈相移非线性误差曲线e-Φ：

步骤3、根据反馈相移非线性误差曲线计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}，并存储于校正系数发生器中；

步骤4、所述校正系数发生器根据光纤电流传感器输出的反馈相移Φ的大小、非线性校正系数k_n和b_n输出相应的反馈系数k和b；

步骤5、按一次线性函数预测光纤电流传感器输出的反馈相移的非线性误差e：e＝kΦ+b；

步骤6、根据非线性误差e对光纤电流传感器输出的反馈相移Φ进行校正补偿，得到校正后的反馈相移Φ_out：Φ_out＝Φ(1-e)；

步骤7、通过对所述光纤电流传感器中闭环信号检测模块产生的反馈相移进行校正后，使得校正后的反馈相移与穿设于N匝光纤敏感环中的载流导体中的被测电流之间恢复线性关系，提高光纤电流传感器在大动态范围内的线性度。

8.如权利要求7所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，其特征在于：所述步骤3中非线性校正系数的计算方法如下：

(1)按非线性误差每变化ε为一段对反馈相移非线性误差曲线e-Φ进行分段，得到相应的分段点的坐标(Φ_n，e_n)，其中e_n＝ε(n-1)，n＝{1，2，3，…}；

(2)根据分段点的坐标计算非线性校正系数k_n和b_n，n＝{1，2，3，…}：

9.如权利要求8所述的一种光纤电流传感器反馈相移非线性校正方法，其特征在于：所述步骤4中所述校正系数发生器根据光纤电流传感器输出的反馈相移Φ的大小、非线性校正系数k_n和b_n输出相应的反馈系数k和b，具体为：

a、当|Φ|>Φ₀时，k＝k₁，b＝-k₁Φ₀；

b、当Φ_n-1≥|Φ|>Φ_n时，k＝k_n，b＝b_n，n＝{1，2，3，…}；

c、当Φ_p≥|Φ|≥0时，k＝0，b＝e_p，(Φ_p，e_p)为反馈相移非线性误差曲线e-Φ上距离e轴最近的分段点。

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