CN110940843A - 一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，包括：可调谐滤波器用于接收光纤光栅的反射光，并输出光强度不同的滤波激光；数据处理模块用于进行光电转换，生成电压控制信号；波长调谐模块设置有差动放大模块和桥式电路，差动放大模块的信号输入端连接于桥式电路的连接端，差动放大模块的供电输入端连接于数据处理模块的输出端，用于接收电压控制信号，差动放大模块的放大输出端连接于可调谐激光器的调谐端，差动放大模块用于向可调谐激光器施加激光调谐电压，其中，桥式电路的连接端通过电容连接于波长调谐模块的低电压端。通过本申请中的技术方案，在解决环境温度和电路噪声对工作点造成偏移问题的同时，实现对高频电流的解调。
Description
技术领域
本申请涉及电流检测装置的技术领域，具体而言，涉及一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置。
背景技术
利用光纤光栅进行高频电流及谐波的检测，一种是采用强度解调方法，该方法虽可以解决数十kHz甚至更高频信号的测量，但是强度解调方法对工作点的工作条件要求非常高，环境温度和电路噪声往往都会造成工作点的偏移，进而影响传感器的解调精度和测量的准确性。特别是对于突变的干扰信号出现会造成传感器静态工作点的丢失。
另一种是采用波长解调方法，波长解调方法是通过测量光纤光栅的波长值改变解析被测信号幅值和频率，虽然可以克服上述强度解调方法中存在的问题，但是目前的波长解调方法多是1kHz左右的采样频率，不能满足高频电流的测量。
发明内容
本申请的目的在于：提供了一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，在解决环境温度和电路噪声对工作点造成偏移问题的同时，实现对高频电流的解调。
本申请的技术方案是：提供了一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，电流解调装置包括依次连接的驱动模块、可调谐激光器、光路耦合器和光纤光栅电流互感器，驱动模块驱动可调谐激光器产生单模激光，单模激光经过光路耦合器后泵入光纤光栅电流互感器的光纤光栅，电流解调装置还包括：可调谐滤波器，数据处理模块和波长调谐模块；可调谐滤波器用于接收光纤光栅的反射光，并输出光强度不同的滤波激光；数据处理模块用于对滤波激光进行光电转换，生成电压控制信号，并将电压控制信号发送至波长调谐模块；波长调谐模块设置有差动放大模块和桥式电路，差动放大模块的信号输入端连接于桥式电路的连接端，差动放大模块的供电输入端连接于数据处理模块的输出端，用于接收电压控制信号，差动放大模块的放大输出端连接于可调谐激光器的调谐端，差动放大模块用于根据电压控制信号，向可调谐激光器的调谐端施加激光调谐电压，其中，桥式电路的连接端通过电容连接于波长调谐模块的低电压端。
上述任一项技术方案中，进一步地，桥式电路的第一桥臂上串联有两个阻值相等的第一分压电阻R1和R2，第一桥臂的连接端连接于差动放大模块的第一信号输入端
第一桥臂的连接端还通过第一电容C1连接于低电压端；桥式电路的第二桥臂上串联有热敏电阻R4和第二分压电阻R3，第二桥臂的连接端连接于差动放大模块的第二信号输入端
第二桥臂的连接端还通过第二电容C2连接于低电压端，其中，热敏电阻R4位于可调谐激光器的调谐端。
上述任一项技术方案中，进一步地，差动放大模块的两个阻抗匹配端之间串联有电阻R5。
上述任一项技术方案中，进一步地，数据处理模块，具体包括：光电转换单元，模数转换单元，信号处理单元；光电转换单元用于将可调谐滤波器输出的滤波激光进行光电转换，生成光电信号，并将转换后的电信号发送至模数转换单元；模数转换单元用于将接收到的电信号进行数模转换，生成数字信号，并将转换后的数字信号发送至信号处理单元；信号处理单元用于根据波长调节算法和接收到的数字信号，生成电压控制信号。
本申请的有益效果是：
解决环境温度和电路噪声对可调谐激光器工作点造成偏移的问题，同时，实现对可调谐激光器中高频电流的解调。实现如下技术效果：
(1)使得波长调谐模块的输出电压与可调谐激光器作业温度呈现极高线性变化关系，进而对其发射激光的调谐；
(2)实现波长调谐模块的输出电压与调谐后的激光的中心波长在指定范围内连续变化；
(3)提高扫描频率，使得一个周期的最快扫描时间为0.4ms。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置的示意图；
图2是根据本申请的一个实施例的用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调方法的示意流程图；
图3是根据本申请的一个实施例的波长扫描控制模块的示意图；
图4是根据本申请的一个实施例的波长扫描控制模块温度与控制电压关系；
图5是根据本申请的一个实施例的电压与中心波长值的对应关系示意图；
图6是根据本申请的一个实施例的波长扫描示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，电流解调装置包括依次连接的驱动模块、可调谐激光器、光路耦合器和光纤光栅电流互感器，驱动模块驱动可调谐激光器产生单模激光，单模激光经过光路耦合器后泵入光纤光栅电流互感器的光纤光栅，电流解调装置还包括：可调谐滤波器，数据处理模块和波长调谐模块；可调谐滤波器用于接收光纤光栅的反射光，并输出光强度不同的滤波激光；
具体的，本实施例中的光纤光栅电流互感器其主要包括导磁线圈(聚磁环)、磁应变材料、和粘贴在磁应变材料表面的光纤光栅，被测通电线缆穿过导磁线圈，当线缆中的电流流过时，其圆周磁场耦合进入导磁线圈，驱动磁应变材料发生形变，进而拉动光纤光栅，使得其缝隙产生与电流同周期的变化。
在驱动模块的驱动下，可调谐激光器向光路耦合器中泵入单模激光，该单模激光经过光路耦合器后，进入缝隙周期性变化的光纤光栅中，导致光纤光栅中反射光的波长周期性变化，该周期性变化的反射光再次经由光路耦合器，进入可调谐滤波器，本实施例中的可调谐滤波器为可调谐F-P滤波器。
由于不同波长的反射光其光强度不同，因此，可调谐F-P滤波器将输出光强度不同的滤波激光至数据处理模块的光电转换单元中。
在本实施例中，数据处理模块具体包括：光电转换单元，模数转换单元，信号处理单元。首先由光电转换单元用于将可调谐滤波器输出的滤波激光进行光电转换，生成光电信号，并将转换后的电信号发送至模数转换单元，再由模数转换单元用于将接收到的电信号进行数模转换，生成数字信号，并将转换后的数字信号发送至信号处理单元，最后由信号处理单元用于根据波长调节算法和接收到的数字信号，生成电压控制信号，以便于波长调谐模块完成对可调谐激光器的调谐。
具体的，信号处理单元可以为CPU单元，也可以由FPGA单元和ARM单元共同构成，FPGA单元实现对模数转换模块的高速信号处理，ARM单元主要实现数字信号处理以及波长调谐算法的实现。优选的，信号处理单元上还可以设置RJ45接口，实现与远程数据服务器之间的TCP/IP数据传输。
ARM单元进行数字信号处理以及波长调谐算法的具体过程如图2所示。本实施例中，将可调谐激光器的电压V作为控制量，首先，通过初始化将所有控制变量进行初始化，然后控制电压V由0开始，进行循环递增，当电压V达到最大值40时，电压V重新从0开始计算，其中，电压V的递增步长根据激光波长扫描精度确定，本实施例中设定递增步长为1。
波长调谐模块设置有差动放大模块和桥式电路，差动放大模块的信号输入端连接于桥式电路的连接端，差动放大模块的供电输入端连接于数据处理模块的输出端，用于接收电压控制信号，差动放大模块的放大输出端连接于可调谐激光器的调谐端，差动放大模块用于根据接收到的电压控制信号，向可调谐激光器的调谐端施加激光调谐电压，其中，桥式电路的连接端通过电容连接于波长调谐模块的低电压端。
具体的，如图3所示，本实施例中的波长调谐模块为一个激光器温度控制电路，其中，差动放大模块选用型号为INA122P的芯片组成，该模块接收来自数据处理模块中信号处理单元的电压控制信号(电压V)，利用差动放大模块和桥式电路实现对激光器波尔贴的电流方向控制，进而实现升降温的控制。
进一步的，桥式电路的第一桥臂上串联有两个阻值相等的第一分压电阻R1和R2，第一桥臂的连接端连接于差动放大模块的第一信号输入端
第一桥臂的连接端还通过第一电容C1连接于低电压端；
桥式电路的第二桥臂上串联有热敏电阻R4和第二分压电阻R3，第二桥臂的连接端连接于差动放大模块的第二信号输入端
第二桥臂的连接端还通过第二电容C2连接于低电压端，其中，热敏电阻R4位于可调谐激光器的调谐端，即通过调谐热敏电阻R4两端的电压，实现对热敏电阻R4中电流的调谐，进而实现对可调谐激光器的调谐。
进一步的，差动放大模块的两个阻抗匹配端(引脚1和引脚5)之间串联有电阻R5。
桥式电路的两个桥臂上分别连接有第一分压电阻R1、R2，以及第二分压电阻R3、热敏电阻R4，热敏电阻R4位于可调谐激光器的调谐端，通过调整施加于热敏电阻R4两端的电压，调控热敏电阻R4的电流，即可实现对可调谐激光器发射激光的调谐。
为了避免交流噪声对差动放大模块输入信号的影响，在桥式电路两个连接端与电路的低电压端之间串联接入电容C1和C2。同样的，为了对差动放大模块的输出信号进行滤波抗噪，在其放大输出端V+与低电压端串联接入滤波抗噪电容C3。
差动放大模块的信号输入端
和
(引脚2和3)分别连接于桥式电路的两个连接端，差动放大模块的的供电输入端Vo(引脚7)连接于信号处理单元的输出端ADCINAO，以便于接收控制信号电压V。另一个供电输入端V-(引脚4)连接电路中的低电压端。
波长调谐模块的调谐过程为：通过桥式电路采集热敏电阻R4两端的电压，并输入进入INA122P(差动放大模块)的差动输入端(引脚2和3)，电压信号在INA122P中，根据ADCINA0V0的输入值进行比较，将比较差，经过放大输出端V+(引脚6)输出反馈至热敏电阻R4两端，调控热敏电阻R4的电流。
为了验证本实施例中的电流调节装置，设定第一分压电阻R1、R2和第二分压电阻R3的阻值为8.2kΩ，第一电容C1、第二电容C2和电容C3的取值为0.1μF，电阻R5的取值为2.2kΩ，桥式电路的供电电压为3.3V。通过试验得到的仿真曲线为图4至图6所示，通过图中的数据可以证明：
(1)激光器的温度与差动放大模块INA122P的控制电压呈现极高线性变化关系；
(2)通过本实施例中的电流调节装置，可以线形控制可调谐激光器的中心波长在1520-1560nm范围连续变化；
(3)试验过程中，利用CPU单元作为信号处理单元，发出PWM控制电压信号，使得本实施例中电流解调装置的最快扫描周期为0.4ms。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，可调谐滤波器用于接收光纤光栅的反射光，并输出光强度不同的滤波激光；数据处理模块用于进行光电转换，生成电压控制信号；波长调谐模块设置有差动放大模块和桥式电路，差动放大模块的信号输入端连接于桥式电路的连接端，差动放大模块的供电输入端连接于数据处理模块的输出端，用于接收电压控制信号，差动放大模块的放大输出端连接于可调谐激光器的调谐端，差动放大模块用于向可调谐激光器施加激光调谐电压，其中，桥式电路的连接端通过电容连接于波长调谐模块的低电压端。通过本申请中的技术方案，在解决环境温度和电路噪声对工作点造成偏移问题的同时，实现对高频电流的解调。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (4)
1.一种用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，其特征在于，所述电流解调装置包括依次连接的驱动模块、可调谐激光器、光路耦合器和光纤光栅电流互感器，所述驱动模块驱动所述可调谐激光器产生单模激光，所述所述单模激光经过所述光路耦合器后泵入所述光纤光栅电流互感器的光纤光栅，所述电流解调装置还包括：可调谐滤波器，数据处理模块和波长调谐模块；
所述可调谐滤波器用于接收所述光纤光栅的反射光，并输出光强度不同的滤波激光；
所述数据处理模块用于对所述滤波激光进行光电转换，生成电压控制信号，并将所述电压控制信号发送至所述波长调谐模块；
所述波长调谐模块设置有差动放大模块和桥式电路，所述差动放大模块的信号输入端连接于所述桥式电路的连接端，所述差动放大模块的供电输入端连接于所述数据处理模块的输出端，用于接收所述电压控制信号，所述差动放大模块的放大输出端连接于所述可调谐激光器的调谐端，所述差动放大模块用于根据所述电压控制信号，向所述可调谐激光器的所述调谐端施加激光调谐电压，其中，所述桥式电路的连接端通过电容连接于所述波长调谐模块的低电压端。
2.如权利要求1所述的用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，其特征在于，
所述桥式电路的第一桥臂上串联有两个阻值相等的第一分压电阻R1和R2，所述第一桥臂的连接端连接于所述差动放大模块的第一信号输入端
所述第一桥臂的连接端还通过第一电容C1连接于所述低电压端；
所述桥式电路的第二桥臂上串联有热敏电阻R4和第二分压电阻R3，所述第二桥臂的连接端连接于所述差动放大模块的第二信号输入端
所述第二桥臂的连接端还通过第二电容C2连接于所述低电压端，其中，所述热敏电阻R4位于所述可调谐激光器的所述调谐端。
3.如权利要求2所述的用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，其特征在于，其特征在于，所述差动放大模块的两个阻抗匹配端之间串联有电阻R5。
4.如权利要求1所述的用于光纤光栅电流传感器的高频电流解调装置，其特征在于，所述数据处理模块，具体包括：光电转换单元，模数转换单元，信号处理单元；
所述光电转换单元用于将所述可调谐滤波器输出的所述滤波激光进行光电转换，生成光电信号，并将转换后的所述电信号发送至所述模数转换单元；
所述模数转换单元用于将接收到的所述电信号进行数模转换，生成数字信号，并将转换后的所述数字信号发送至所述信号处理单元；
所述信号处理单元用于根据波长调节算法和接收到的所述数字信号，生成所述电压控制信号。
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