CN111721990A - 一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统 - Google Patents

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CN111721990A CN202010485309.XA CN202010485309A CN111721990A CN 111721990 A CN111721990 A CN 111721990A CN 202010485309 A CN202010485309 A CN 202010485309A CN 111721990 A CN111721990 A CN 111721990A
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Abstract

本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术领域，提供了一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，小型化光纤电流传感器包括：半导体激光器、磁光介质、探测器，信息处理系统包括：解调器和数据分析显示终端，其中，所述小型化光纤电流传感器紧贴于待测导线上进行测量；当测量所述待测导线上的电流时，半导体激光器发出激光，激光通过磁光介质，经过光纤传输至探测器，探测器将光信号转化成电信号，输入解调器，通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥‑萨伐尔定理与磁场强度B推算得到待测导线的电流强度I，并通过数据分析显示终端展示出来。解决了现有技术中电流检测方法存在体积大、重量重、易受激磁电流干扰的技术问题。

Description

一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统
技术领域
本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术领域，尤其涉及一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，利用光纤传感技术、信号处理技术快速检测导线中电流，适用于高压输电线路电流的实时检测。
背景技术
目前现有技术中常用的电流检测方法有以下几种：
分流器：分流器的原理简单，通常用在低频率小幅值电流测量中，但当应用在高频率大幅值的电流测量中会产生较大的误差。
交流电流互感器：交流电流互感器的传感原理简单，精度较高。但是交流电流互感器仅适用于数千安培以内的交流电流测量，被测电流过大，则互感器的激磁电流不再忽略不计，因此测量误差会增大。
直流电流互感器，直流电流互感器利用被测直流的变化导致铁芯线圈产生感抗，从而间接改变辅助交流电路的电流来反映被测电流的大小。其缺点是体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等。
霍尔电流传感器，霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量，应用于大流量的测量，但该器件存在体积大、重量重的缺点。
综上所述，现有技术中电流检测方法存在体积大、重量重、易受激磁电流干扰的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，利用光纤或波导本身能消除激磁电流影响的特点，采用带输入偏振片和输出偏振片的超短长度磁光光纤或磁光波导，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，并且本发明的小型化电流传感紧贴于输电导线上进行测量，可以集成为一个超小型的传感器挂在输电线路上，相对于其他有距离的传感器测量灵敏度更高，且可以做得更小，同时也避免了当通过有距离的传感器进行测量时，测量的位置容易发生变化，导致测量结果不稳定、不准确的情况发生。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，所述小型化光纤电流传感器包括：半导体激光器、以磁光光纤和磁光波导在内的任何一种形式存在的磁光介质、探测器，所述信息处理系统包括：解调器和数据分析显示终端，其中，所述小型化光纤电流传感器紧贴于待测输电导线上进行测量；
所述半导体激光器与所述磁光介质通过光纤连接，所述磁光介质与所述探测器通过光纤连接；
当测量所述待测输电导线上的电流时，所述半导体激光器发出激光，所述激光通过所述磁光介质，经过光纤传输至所述探测器，所述探测器将光信号转化成电信号，输入所述解调器，通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测输电导线的电流强度I，并通过所述数据分析显示终端展示出来；
所述磁光介质，具体包括：光纤、透镜、偏振片和磁光介质，其中，所述光纤包括输入光纤和输出光纤，所述透镜包括凸平透镜和平凸透镜，所述偏振片包括所述输入偏振片和所述输出偏振片；
在所述磁光介质中，所述激光作为入射光由所述输入光纤导入磁敏区，由所述凸平透镜聚焦后经过所述输入偏振片变成线偏振光，入射到所述磁光介质中，所述入射光的偏振面发生偏转；穿过所述磁光介质的光线经过与所述输出偏振片之后，光线被聚焦到所述输出光纤中；所述入射光经过所述磁光介质后，所述入射光的光强由输入强度I0变为输出光强I1。
进一步地，所述半导体激光器向所述磁光介质发送激光，针对于所述待测导线进行测量，并直接向所述探测器发送一束激光，经所述探测器处理后产生光电流输入所述解调器作为参考光强I0。
进一步地，所述通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的所述电流强度I，具体为：
根据磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，在平行于光的传播方向上施加一磁场，则光的偏振面发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越磁光介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd (1)
其中，比例系数V称为韦尔代常数，与介质性质及光波频率有关；
偏转角度θF根据所述参考光强I0和带偏振片的所述磁光介质所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·sin2θF (2)
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
Figure BDA0002518934410000031
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离所述待测导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。
通过公式(2)推算得到θF，代入公式(1)中计算得到所述磁场B，再通过公式(3)计算得到所述电流强度I。
进一步地，所述输入偏振片与所述输出偏振片互相垂直。
进一步地，所述磁光介质为超短长度的所述磁光光纤和所述磁光波导。
进一步地，所述探测器，还包括：前置放大电路和有源带通滤波；
所述前置放大电路，将光信号转换成电信号，并进行运算放大；
所述有源带通滤波，过滤掉所述电信号中的噪声，获得一个包含有磁场强度信息的所述电信号。
进一步地，所述解调器，还包括：带通滤波电路、相敏检测、移相电路、低通滤波电路；
所述带通滤波电路和所述低通滤波电路，用于对所述电信号的脉冲进行整形和限幅；
所述相敏检测和所述移相电路，用于检测相位和修复相位。
进一步地，被测点距离所述待测导线轴心的距离r,为提前输入的常量。
进一步地，所述磁光介质包括：高浓度掺铽晶体光纤或波导、高浓度掺铽玻璃光纤或波导、高浓度掺铽透明陶瓷光纤或波导、高浓度掺铽玻璃陶瓷光纤或波导。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过建立一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，所述小型化光纤电流传感器包括：半导体激光器、以磁光光纤和磁光波导在内的任何一种形式存在的磁光介质、探测器，所述信息处理系统包括：解调器和数据分析显示终端，其中，所述小型化光纤电流传感器紧贴于待测输电导线上进行测量；所述半导体激光器与所述磁光介质通过光纤连接，所述磁光介质与所述探测器通过光纤连接；当测量所述待测输电导线上的电流时，所述半导体激光器发出激光，所述激光通过所述磁光介质，经过光纤传输至所述探测器，所述探测器将光信号转化成电信号，输入所述解调器，通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的电流强度I，并通过所述数据分析显示终端展示出来。上述技术方案利用光纤或波导本身能消除激磁电流影响的特点，采用带输入偏振片和输出偏振片的超短长度磁光光纤或磁光介质波导，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的。
(2)本发明的方案是通过将小型化光纤电流传感器紧贴于待测导线上进行测量，可以集成为一个超小型的传感器挂在输电导线上，相对于其他有距离的传感器测量灵敏度更高，且可以做得更小，同时也避免了当通过有距离的传感器进行测量时，测量的位置容易发生变化，导致测量结果不稳定，不准确的情况发生。
(3)本发明通过优选的采用输入偏振片与输出偏振片垂直的方案，测量时电流传感器的灵敏度更高，对磁场更加的敏感。
(4)本发明通过优选的采用超短长度的磁光光纤和磁光波导，可以将电流传感器集成为一个超小的小型传感器，挂在输电线路上，对光纤的压力小，影响更小。
(5)本发明由于是采用通过将小型化光纤电流传感器紧贴于待测输电导线上进行测量的方案，被测点距离所述待测导线轴心的距离固定，可以提前将距离r输入系统中,无需每次都进行测量，减少了电流检测工作量的同时，提高了测量的准确性。
附图说明
图1为本发明一种小型化光纤电流传感器的整体框架图；
图2为本发明带偏振片的磁光介质波导的结构示意图；
图3为本发明磁光效应原理图；
图4为本发明距离待测导线r处的磁感应示意图；
图5为高压直导线中电流I与偏转角θF之间的关系示意图；
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施中的附图，对本申请实施中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性工作前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本本领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种小型化光纤电流传感器，其特征在于，所述小型化光纤电流传感器包括：半导体激光器、以磁光光纤和磁光波导在内的任何一种形式存在的磁光介质、探测器，所述信息处理系统包括：解调器和数据分析显示终端。
本发明的一个最大的优点在于，所述小型化光纤电流传感器紧贴于待测输电导线上进行测量，可以集成为一个超小型的传感器挂在输电导线上，相对于其他有距离的传感器测量灵敏度更高，且可以做得更小，同时也避免了当通过有距离的传感器进行测量时，比如说：通过手持的方式进行测量的有距离的传感器，测量的位置容易发生变化，导致测量结果不稳定、不准确的情况发生。
本发明的磁光介质包括磁光光纤和磁光波导在内的任意一种形式，亦或者是其他可以进行替代的材料，本发明不做任何限制。
所述半导体激光器与所述磁光介质通过光纤连接，所述磁光介质与所述探测器通过光纤连接；
通过本发明的小型电流传感器，测量所述待测输电导线上的电流时，所述半导体激光器发出激光，所述激光通过所述磁光介质，经过光纤传输至所述探测器，所述探测器将光信号转化成电信号，输入解调器，通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的电流强度I，并通过数据分析显示终端展示出来。
本发明的上述小型化光纤电流传感器的技术方案利用光纤或波导本身能消除激磁电流影响的特点，采用带输入偏振片和输出偏振片的超短长度磁光光纤或磁光波导，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的。
进一步地，所述半导体激光器向所述磁光介质发送激光，针对于所述待测导线进行测量，并直接向所述探测器发送一束激光，经所述探测器处理后产生光电流输入所述解调器作为参考光强I0。
进一步地，所述通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的所述电流强度I，具体的原理为：
如图3所示，根据磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，在平行于光的传播方向上施加一磁场，则光的偏振面将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越磁光介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd (1)
其中，比例系数V称为韦尔代常数，与介质性质及光波频率有关；
偏转角度θF根据所述参考光强I0和带偏振片的所述磁光介质所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·sin2θF (2)
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
Figure BDA0002518934410000071
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离所述待测导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。
通过公式(2)推算得到θF，代入公式(1)中计算得到所述磁场B，再通过公式(3)计算得到所述电流强度I。
进一步地，如图2所示，所述磁光介质，还包括：光纤、透镜、偏振片和磁光介质；
其中，所述光纤包括输入光纤和输出光纤，所述透镜包括凸平透镜和平凸透镜，所述偏振片包括所述输入偏振片和所述输出偏振片，所述磁光介质包括磁光光纤和磁光波导在内的任意一种形式；
入射光由所述输入光纤导入磁敏区，由所述凸平透镜聚焦后经过所述输入偏振片变成线偏振光，入射到所述磁光介质中，所述入射光的偏振面发生偏转；
穿过所述磁光介质的光线经过与所述输出偏振片之后，光线被聚焦到所述输出光纤中；
所述入射光经过所述磁光介质后，所述入射光的光强由输入强度I0变为输出光强I1。
进一步地，优选地，所述输入偏振片与所述输出偏振片采用互相垂直的方案，由于两个偏振片的偏振方向垂直，测得的透射光的强度与光在磁光介质中的偏振面旋转角度成正比，也就是与磁场强度沿晶体轴向的分量成正比。测量时电流传感器的灵敏度更高，对磁场更加的敏感。当然互相垂直的方案仅是一种优选方案，若仅对输入偏振片与输出偏振片的偏振方向的夹角进行简单改变，仍然属于本发明的保护范围。
进一步地，优选地，所述法拉第传输介质采用超短长度的所述磁光光纤和所述磁光波导，可以将电流传感器集成为一个超小的小型传感器，挂在输电线路上，对输入输出光纤的压力小，影响更小。
进一步地，所述探测器，还包括：前置放大电路和有源带通滤波；
所述前置放大电路，将光信号转换成电信号，并进行运算放大；所述有源带通滤波，过滤掉所述电信号中的噪声，获得一个包含有磁场强度信息的所述电信号。具体地，前置放大电路把光信号转换成电信号，但光信号的电信号又非常微弱，所以要把电路设计成低噪音，高增益的放大电路。也就是把光电探测器接收到的微弱光信号转化为电信号，并进行运算放大。运算放大器的使用不仅放大了信号，也放大了噪声，并且放大器本身也会引入新的噪声，所以要经过有源带通滤波才能得到一个包含有磁场强度信息的电信号。
进一步地，所述解调器，还包括：带通滤波电路、相敏检测、移相电路、低通滤波电路；
所述带通滤波电路和所述低通滤波电路，用于对所述电信号的脉冲进行整形和限幅；
所述相敏检测和所述移相电路，用于检测相位和修复相位。
进一步地，被测点距离所述待测导线轴心的距离r,为提前输入的常量。
具体地，在本实施例中，如图4所示，由于是采用通过将小型化光纤电流传感器紧贴于待测导线上进行测量的方案，被测点距离所述待测导线轴心的距离固定，可以提前将距离r输入系统中,无需每次都进行测量，减少了电流检测工作量的同时，提高了测量的准确性。
进一步地，所述磁光介质包括：高浓度掺铽晶体光纤或波导、高浓度掺铽玻璃光纤或波导、高浓度掺铽透明陶瓷光纤或波导、高浓度掺铽玻璃陶瓷光纤或波导。以上仅是对磁光介质的几种举例，不用于对本发明磁光介质的限制，磁光介质的材料还可以有很多种，在此不再一一列举。
实施例二
本实施例提供了一种通过本发明的小型化光纤电流传感器及信息处理系统测量待测输电导线后，计算得到电流强度的具体实施例，具体如下：
使用65-wt％掺镱硅酸盐光纤作为磁光光纤，长度d＝0.01m，Verder常数为V＝32rad/(T·m)，由法拉第磁光效应可知，在已知长度d和Verder常数V的情况下，偏转角θF与磁场强度B之间的关系为：
θF＝VBd＝32rad/(T·m)·0.01m·B＝0.32B(rad)
其中磁场强度B的单位为特斯拉(T)。可知，磁场强度B与偏转角θF成正比：
B＝3.12θF
其中，偏转角θF可根据参考光强I0和带偏振片的磁光光纤或波导产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·sin2θF
即可算出θF值大小，根据上述偏转角θF与磁场强度B之间的关系可计算出磁场强度B的大小。
当传感器中磁光光纤或波导与高压直流导线之间的距离为r＝0.05m时，已知磁导率为μ0＝4π×10-7H/m，由毕奥-萨伐尔定律可知：
Figure BDA0002518934410000091
计算可得，高压直流导线中电流I与磁场强度B之间成正比：
Figure BDA0002518934410000092
因此高压直导线中电流I与偏转角θF之间的成正比(如图5所示)：
I＝7.8×105θF
由已经算得的偏转角θF即可算出最后高压直导线中电流I大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述小型化光纤电流传感器包括：半导体激光器、以磁光光纤和磁光波导在内的任何一种形式存在的磁光介质、探测器，所述信息处理系统包括：解调器和数据分析显示终端，其中，所述小型化光纤电流传感器紧贴于待测输电导线上进行测量；
所述半导体激光器与所述磁光介质通过光纤连接，所述磁光介质与所述探测器通过光纤连接；
当测量所述待测输电导线上的电流时，所述半导体激光器发出激光，所述激光通过所述磁光介质，经过光纤传输至所述探测器，所述探测器将光信号转化成电信号，输入所述解调器，通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的电流强度I，并通过所述数据分析显示终端展示出来；
所述磁光介质，具体包括：光纤、透镜、偏振片和磁光介质，其中，所述光纤包括输入光纤和输出光纤，所述透镜包括凸平透镜和平凸透镜，所述偏振片包括所述输入偏振片和所述输出偏振片；
在所述磁光介质中，所述激光作为入射光由所述输入光纤导入磁敏区，由所述凸平透镜聚焦后经过所述输入偏振片变成线偏振光，入射到所述磁光介质中，所述入射光的偏振面发生偏转；穿过所述磁光介质的光线经过与所述输出偏振片之后，光线被聚焦到所述输出光纤中；所述入射光经过所述磁光介质后，所述入射光的光强由输入强度I0变为输出光强I1。
2.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述半导体激光器向所述磁光介质发送激光，针对于所述待测导线进行测量，并直接向所述探测器发送一束激光，经所述探测器处理后产生光电流输入所述解调器作为参考光强。
3.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述通过磁光效应和马吕斯定理计算得到磁场强度B，根据毕奥-萨伐尔定理与所述磁场强度B推算得到所述待测导线的所述电流强度I，具体为：
根据法拉第磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，在平行于光的传播方向上施加一磁场，则光的偏振面将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越所述磁光介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd (1)
其中，比例系数V称为韦尔代常数，与介质性质及光波频率有关；
偏转角度θF根据所述参考光强I0和带偏振片的所述磁光介质所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·sin2θF (2)
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
Figure FDA0002518934400000021
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离所述待测导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A；
通过公式(2)推算得到θF，代入公式(1)中计算得到所述磁场B，再通过公式(3)计算得到所述电流强度I。
4.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述输入偏振片与所述输出偏振片互相垂直。
5.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述磁光介质为超短长度的所述磁光光纤和所述磁光波导。
6.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述探测器，还包括：前置放大电路和有源带通滤波；
所述前置放大电路，将光信号转换成电信号，并进行运算放大；
所述有源带通滤波，过滤掉所述电信号中的噪声，获得一个包含有磁场强度信息的所述电信号。
7.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述解调器，还包括：带通滤波电路、相敏检测、移相电路、低通滤波电路；
所述带通滤波电路和所述低通滤波电路，用于对所述电信号的脉冲进行整形和限幅；
所述相敏检测和所述移相电路，用于检测相位和修复相位。
8.根据权利要求3所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，还包括：被测点距离所述待测导线轴心的距离r,为提前输入的常量。
9.根据权利要求1所述的小型化光纤电流传感器及信息处理系统，其特征在于，所述磁光介质包括：高浓度掺铽晶体光纤或波导、高浓度掺铽玻璃光纤或波导、高浓度掺铽透明陶瓷光纤或波导、高浓度掺铽玻璃陶瓷光纤或波导。
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