CN111751610A - 实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，包括低偏型SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、直波导相位调制器、法拉第旋光器、保偏传输光缆、光纤传感环、探测器和信号解调电子单元，所述的低偏型SLED光源通过单模光纤连接到光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光纤偏振器相熔接。本发明还涉及一种实现非互易动态相位调制的信号解调方法。采用了本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法，实现固定相位偏置的调制，也可实现动态反馈的调制，可以降低了电流传感器由于频繁调制引入的噪声，提高小信号测量精度，同时可以获得较高的测量带宽，可以根据实时检测的电流大小进行动态调制，提高电流传感器的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及光纤传感领域，具体是指一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法。
背景技术
当前在电力测量、工业电解等领域被广泛使用的光纤电流传感器主要采用Sagnac干涉式数字闭环调制方案实现，其主要特征为传感回路部分采用完全互易的光纤光路设计，以提高传感器抗干扰的能力。为了使光纤电流传感器工作在线性特性最佳区域，需要通过相位调制器施加调制信号，使传感器工作点位于±π/2相位处。包含相位调制器的光路部分为互易性光路的一部分，相位调制无法使工作点一直工作在+π/2或－π/2，因为相位调制器调制的结果为初始经过相位调制器和返回经过相位调制器所产生的调制相位只差，只能通过周期性调制信号，使传感器工作点交替位于±π/2相位处，且调制周期为光纤传感器光学渡越时间的2倍。在这种情况下，光纤电流传感器的电流值实际采样值频率受限于光学渡越时间，大大削弱了系统的测量带宽。其次在测量电流较大的情况下，系统的工作点也会偏离±π/2相位处，需要按上述周期施加阶梯波调制，阶梯高度产生的相位差大小刚好与电流产生的相位大小相互抵消，传感系统的工作点才不会偏离±π/2相位处。由于调制信号通道以及调制器、探测器本身具有一定的带宽，周期性调制会使探测器输出产生周期性脉冲波。脉冲波不能正确表达电流测量信息，所以脉冲波的宽度也一定程度降低了光纤电流传感器的测量带宽。在此方案下，光纤电流传感器的测量值带宽一般小于1MHz。
此外，另有一些开环型光纤电流传感方案，其主要带宽取决于传感光纤环的长度，根据设计需要一般可以实现10MHz及以上光学带宽。由于没有反馈调制机制，这类光纤电流传感器测量范围较小，且存在较大的线性失真。
随着特高压直流输电系统的建设，全光纤电流传感器由于具有无电磁干扰、动态范围大、可测直流等特点，在直流换流站中获得了广泛的应用，从而进一步促进了光纤电流传感器工程技术的成熟。于此同时，柔性直流工程中换流阀等测点对电流测量的响应时间、高次谐波测量精度等提出了更高的要求。此外，电磁炮、电磁弹射等各种新型电磁能装置中对电流测量需要同时满足测量带宽与测量范围方面的能力。由于上述主要两类光纤电流传感器的局限性，无法满足这些新场景的电流测量要求，光纤电流传感器进一步拓展其性能指标以满足上述测量场景的需要。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足测量精度高、测量带宽高、适用范围较为广泛的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法。
为了实现上述目的，本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法如下：
该实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其主要特点是，所述的光纤电流传感器包括低偏型SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、直波导相位调制器、法拉第旋光器、保偏传输光缆、光纤传感环、探测器和信号解调电子单元，所述的低偏型SLED光源通过单模光纤连接到光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光纤偏振器相熔接，所述的光纤偏振器与直波导相位调制器成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器另一端与法拉第旋光器输入端熔接；所述的法拉第旋光器输出端与保偏传输光缆熔接，所述的保偏传输光缆的另一端与测量处的光纤传感环熔接；所述的光纤耦合器中与光源接入端同侧的另一端与探测器相熔接，所述的探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述的信号解调电子单元的调制信号输出端连接直波导相位调制器的电控制端口。
较佳地，所述的光纤传感环由特殊旋转熊猫型高双折射光纤和金属反射膜构成。
较佳地，所述的特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分和匀速旋转率部分，所述的匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。
较佳地，所述的信号解调电子单元包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块，所述的光电信号调理与模数转换模块用于完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变，所述的数字计算模块用于完成电流信号解算以及调制信号产生，所述的调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
该基于上述的光纤电流传感器实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作、传感器系统相位偏置测量的处理操作和动态反馈电流信号解调的处理操作。
较佳地，所述的相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作，具体包括以下步骤：
(1-1)信号解调电子单元输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，以一定的周期控制调制信号输出最大调制值和最小调制值；
(1-2)判断最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差是否为2π，如果是，则探测器输出值相等；否则，信号解调电子单元根据探测器输出值调整控制调制信号输出范围的参数，直至最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π；
(1-3)信号解调电子单元实时调制，控制调制信号输出范围的参数值锁定规范化2π电压值，使达自动温度补偿。
较佳地，所述的传感器系统相位偏置测量的处理操作，具体包括以下步骤：
(2-1)在测量电流为0的情况下，信号解调电子单元控制调制信号输出遍历从最小值至最大值，获得探测器所测出的最大值与最小值；
(2-2)计算出最大值与最小值的平均值，控制调制信号输出直到探测器输出值等于这个平均值。
较佳地，所述的动态反馈电流信号解调的处理操作，具体为：
根据所检测的电流值大小，判断电流相位是否超出预期的非线性区域，如果是，则产生调制信号使探测器信号输出值保持在零点，使光纤电流互感器的工作点处于线性度最佳位置。
采用了本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法，实现固定相位偏置的调制，也可实现动态反馈的调制。在测量电流较小的情况下，电流传感器可以处于固定相位偏置的调制工作模式，可以降低了电流传感器由于频繁调制引入的噪声，提高小信号测量精度，同时可以获得较高的测量带宽；在电流较大时，可以根据实时检测的电流大小进行动态调制，当电流变化量过大偏离我们预期的线性范围时，可以进行反馈调制，提高电流传感器的测量范围。最后，非互易调制的光纤电流传感器调制解调不在需要依赖一个一定长度的光纤延时环及渡越时间，在动态调制模式下，可测量大电流的同时也可以提高电流传感器测量的测量带宽。
附图说明
图1为本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的结构示意图。
图2为本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的相位与探测器信号强度关系示意图。
图3为本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的信号解调电子单元功能框图。
附图标记：
1 低偏型SLED光源
2 光纤耦合器
3 光纤偏振器
4 直波导相位调制器
5 法拉第旋光器
6 保偏传输光缆
7 光纤传感环
8 探测器
9 信号解调电子单元
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其中包括低偏型SLED光源1、光纤耦合器2、光纤偏振器3、直波导相位调制器4、法拉第旋光器5、保偏传输光缆6、光纤传感环7、探测器8和信号解调电子单元9，所述的低偏型SLED光源1通过单模光纤连接到光纤耦合器2；所述的光纤耦合器2与光纤偏振器3相熔接，所述的光纤偏振器3与直波导相位调制器4成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器4另一端与法拉第旋光器5输入端熔接；所述的法拉第旋光器5输出端与保偏传输光缆6熔接，所述的保偏传输光缆6的另一端与测量处的光纤传感环7熔接；所述的光纤耦合器2中与光源接入端同侧的另一端与探测器8相熔接，所述的探测器8的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元9连接，所述的信号解调电子单元9的调制信号输出端连接直波导相位调制器4的电控制端口。
作为本发明的优选实施方式，所述的光纤传感环7由特殊旋转熊猫型高双折射光纤和金属反射膜构成。
作为本发明的优选实施方式，所述的特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分和匀速旋转率部分，所述的匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。
作为本发明的优选实施方式，所述的信号解调电子单元9包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块，所述的光电信号调理与模数转换模块用于完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变，所述的数字计算模块用于完成电流信号解算以及调制信号产生，所述的调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
该基于上述光纤电流传感器实现非互易动态相位调制的信号解调方法，所述的方法包括以下步骤相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作、传感器系统相位偏置测量的处理操作和动态反馈电流信号解调的处理操作。
所述的相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作，具体包括以下处理过程：
(1-1)信号解调电子单元9输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，以一定的周期控制调制信号输出最大调制值和最小调制值；
(1-2)判断最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差是否为2π，如果是，则探测器8输出值相等；否则，信号解调电子单元9根据探测器8输出值调整控制调制信号输出范围的参数，直至最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π；
(1-3)信号解调电子单元9实时调制，控制调制信号输出范围的参数值锁定规范化2π电压值，使达自动温度补偿。
所述的传感器系统相位偏置测量的处理操作，具体包括以下处理过程：
(2-1)在测量电流为0的情况下，信号解调电子单元9控制调制信号输出遍历从最小值至最大值，获得探测器8所测出的最大值与最小值；
(2-2)计算出最大值与最小值的平均值，控制调制信号输出直到探测器8输出值等于这个平均值。
所述的动态反馈电流信号解调的处理操作，具体包括以下处理过程：
根据所检测的电流值大小，判断电流相位是否超出预期的非线性区域，如果是，则产生调制信号使探测器8信号输出值保持在零点，使光纤电流互感器的工作点处于线性度最佳位置。
本发明的具体实施方式中，提出一种支持非互易调制的光纤电流传感器以及电流信号调制解调方法，其在保证测量范围的同时，具有较快的系统反应时间以及更高的电流测量带宽的特点。
本发明的该种支持非互易调制的光纤电流传感器，如图1所示，具体为：包括低偏型SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、直波导相位调制器，光纤45°法拉第旋光器，保偏传输光缆，光纤传感环，探测器，信号解调电子单元；低偏型SLED通过单模光纤连接到光纤耦合器；光纤耦合器与光纤偏振器相熔接，光纤偏振器与直波导相位调制器成45°准直熔接，直波导相位调制器另一端与光纤45°法拉第旋光器输入端熔接；光纤45°法拉第旋光器输出端与保偏传输光缆熔接，保偏传输光缆的另一端与测量处的光纤传感环熔接；光纤耦合器中与光源接入端同侧的另一端与探测器相熔接，探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，信号解调电子单元的调制信号输出端连接直波导相位调制器的电控制端口。
本发明所述的光纤45°法拉第旋光器输入输出尾纤类型为线偏振保偏光纤，输入光纤的保偏轴向与输出光纤的保偏轴向成45°角度，光纤45°法拉第旋光器的作用使输入线偏振光的偏振方向旋转45°角度，即偏振方向沿输入光纤的快轴方向，经过光纤45°法拉第旋光器后，偏振方向发生45°偏转，沿输出光纤快轴方向输出。反向传输时亦是如此。
光源发出的光经过光纤耦合器以及光纤起偏器后进入相位调制器，在相位调制器中以两种传播模式两种模式传播，分别为TE模和TM模，从相位调制出来的两种模式的光经过法拉第旋转器旋转45°后进入传输光缆的快慢轴，之后进入光纤电流传感环，两种传输模式的光在法拉第效应的作用下，在经过传感环后返回时，其相位发生了改变，一种模式的相位发生了
的变化，另一种模式的相位发生了
的变化，其中
为电流相位。返回的两种模式的光再经过法拉第旋转器旋转45°进入相位调制器，由于光纤传感环末端的反射，分别在两种模式传输的光在返回时交换了传输路径，这样可以达到补偿光路由于低频的应力变化引起的两种传播模式相位差(应力相位)。由于法拉第旋转镜的作用，两种传播模式的光再返回进入调制器时再次交换了传输通道，这样使互异性相位调制转变成了非互易性相位调制，使光纤电流传感器的信号调整解调方式具有更大的灵活性，已获得更快的测量以及测量带宽。
非互易动态相位调制技术的光纤电流互感器的信号解调主要包含相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿方法，传感器系统相位偏置测量方法，动态反馈电流信号解调方法。
支持非互易调制的光纤电流传感器的电流信号调制解调方法，具体为：
相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿方法：信号解调电子单元输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，在初始参数下，初始参数默认为所能设置的最大值，以一定的周期控制调制信号输出最大调制值和最小调制值，光纤电流互感器探测器输出信号强度是以相位2π为周期的变化关系，若最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π，则探测器输出值相等，否者信号解调电子单元根据探测器输出值调整控制调制信号输出范围的参数，直到最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π，此时控制调制信号输出范围的参数值为相位器的规范化2π电压值；由于相位调制器的半波电压随温度变化，信号解调电子单元以一定的周期实施上述过程，实时调制让控制调制信号输出范围的参数值锁定规范化2π电压值，达到自动温度补偿的目的。
相位偏置测量方法：在测量电流为0的情况下，信号解调电子单元控制调制信号输出遍历从最小值到最大值的整个过程，获得这个过程中探测器所测得的最大值与最小值，计算出最大值与最小值的平均值，然后控制调制信号输出直到探测器输出值等于这个平均值，次数调制信号的输出值为光纤电流传感器固有偏置，其具体含义光纤电流传感器中非互易残余的相位偏差，在解调电流值的过程中需要减去这个偏置以获得准确的电流测量值。
动态反馈电流信号解调方法：光纤电流互感器的探测器输出值是关于电流值大小的余弦函数，其相对变化关系为非线性关系，随着检测电流值的增大，会产生非线性失真，根据所检测的电流值大小进行判断，判断的依据为电流相位是否超出预期的非线性区域(例如0.1％)，产生一个调制信号使探测器信号输出值保持在零点，时刻让光纤电流互感器的工作点处于线性度最佳位置，准确获得电流测量值。
上述非互异性调制光路设计以及信号调制解调方法一样适用于采用sagnac干涉型其他光纤传感器，比如电压传感器、光纤陀螺仪等。
光纤传感环由特殊旋转熊猫型高双折射光纤、金属反射膜构成，特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分(尾纤)、匀变旋转率部分(光纤波片)以及匀速旋转率部分(法拉第效应感应光纤)，匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜(反射镜)，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。
所述的信号解调电子单元包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块。光电信号调理与模数转换模块完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变；数字计算模块完成电流信号解算以及调制信号产生；调制驱动模块完成调制信号的驱动输出。
下面结合上述对该实施结构特性对该发明的实施机制进行具体描述。
所述的光源发出的光经过耦合器分别进入调制器，在调制器内，光经过起偏后转变成线偏振光，且以偏振方向与相位调制器中调制晶体轴向成45°角度，进入调制波导部分时变成了两束相互正交的线偏振光，在对应的调制信号驱动下，光经过调制区域中时其两相互正交的线偏振光的相位差得到调制，偏振光出调制器后经过45°旋光镜线后以轴対轴的方式进入双折射传输光缆中，之后进入光纤传感环中。其中光纤传感环的变速旋转线性双折射光纤部分，将两正交线偏振光分别转换成左旋与右旋椭圆偏振光，且左旋与右旋椭圆偏振光具有相同的椭圆度，其椭圆度由未旋转线性双折射光纤的拍长与变速旋转过程的特征决定。左右旋椭圆偏振光进入匀速旋转率线性双折射光纤部分，在这部分光纤的传播过程中，左旋与右旋椭圆偏振光的传播速度受到探测电流磁场的作用，使左旋与右旋圆偏振光产生一定的相位差，左旋与右旋圆偏振光达到反射镜即金属膜后发生反射，并且交换传输通道，回传到匀速旋转率部分，其产生的相位差加倍。再次经过匀变旋转率部分两束光变回相互正交的线偏振光。其回传输至光纤旋光镜时，再次发生45°偏转后进入相位调制器，返回调制器的两束相互正交的偏振光还是各自按第一次经过调制器的模式传输，因此在调制器调制强度不变的情况下，两束相互正交的线偏振光的调制相位差加倍。回传至起偏处时，带有电流产生的相位差信息的两束正交线性偏振光发生干涉，其干涉产生后的光强度进入到探测器中。
该实施光路系统中进入探测器，探测器的输出信号电压强度可用如下公式表示：
V0为探测器偏置电压，在本案例中，探测器为Pin-FET型探测器，一般为-1.6v左右；S0为光源光功率大小；L为光路损耗系数；A为探测器响应系数；
为残余相位偏置；
为相位调制器产生的相位值；
为在测试电流磁场的法拉第效应作用下产生的相位。V为探测器输出电信号强度。
相位调制器调制关系可以由式(2)表示，
σ为调制比例系数，σ为一个常数；Uf为调制信号输出范围控制参数；Mv输出调制信号输出数字量；Uf·Mv代表调制信号强度。
相位电流与被测试电流可以由式(3)描述，
f为传感强度系数，N为传感光纤匝数；I为被测试电流大小。
根据系统损耗选取合适的光功率大小：信号解调电子单元输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，在初始参数下，初始参数默认为所能设置的最大值，通过调制器控制输出信号范围大于v2π并在此范围内变化，调节光功率大小使V的中值Vmid处在-0.1V与0.1V之间，且V的变化范围(Vmax-Vmin)大于1.5V，小于3V；其中V值通过光电转化以及模数转化后由信号解调电子单元得知。
相位调制器2π相位电压自测与锁定：在光功率选取好的条件下，通过调制控制2π相位电压(或半波电压)的参数，使调制信号最大输出值Uf·Mvmax与最小输出值Uf·Mvmin所产生的V值相等，若V值不是所有变化情况中的最大值或最小值，调制信号从最小值到最大值变化的过程中，仅出现一次与最大值或最小值所产生相等的V值。若V值是所有变化情况中的最大值或最小值，调制信号从最小值到最大值变化的过程中，不出现与最大值或最小值所产生相等的V值。
施加偏置相位调制：施加一定的调制信号强度Mvbias，在该调制下，
使V输出等于Vmid。
动态调制获得检测电流：初始化完成后，测试电流为0时，探测器输出信号强度为V0，当有测试电流I时，探测器输出信号强度为VI，则被测试电流强度产生的电流相位
k为输出比例系数，可以设定。从中可以获得电流值大小
若被测试电流大小超过一定限值时(限值具体根据测量的线性特性要求确定)，例如
可启动反馈调制使调制相位
可得测试的电流相对于反馈调制之前的电流变化量为
当电流变化进一步超过限值时，进一步进行反馈
最终获得的测试电流为I＝∑In。
采用了本发明的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法，实现固定相位偏置的调制，也可实现动态反馈的调制。在测量电流较小的情况下，电流传感器可以处于固定相位偏置的调制工作模式，可以降低了电流传感器由于频繁调制引入的噪声，提高小信号测量精度，同时可以获得较高的测量带宽；在电流较大时，可以根据实时检测的电流大小进行动态调制，当电流变化量过大偏离我们预期的线性范围时，可以进行反馈调制，提高电流传感器的测量范围。最后，非互易调制的光纤电流传感器调制解调不在需要依赖一个一定长度的光纤延时环及渡越时间，在动态调制模式下，可测量大电流的同时也可以提高电流传感器测量的测量带宽。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的光纤电流传感器包括低偏型SLED光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤偏振器(3)、直波导相位调制器(4)、法拉第旋光器(5)、保偏传输光缆(6)、光纤传感环(7)、探测器(8)和信号解调电子单元(9)，所述的低偏型SLED光源(1)通过单模光纤连接到光纤耦合器(2)；所述的光纤耦合器(2)与光纤偏振器(3)相熔接，所述的光纤偏振器(3)与直波导相位调制器(4)成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器(4)另一端与法拉第旋光器(5)输入端熔接；所述的法拉第旋光器(5)输出端与保偏传输光缆(6)熔接，所述的保偏传输光缆(6)的另一端与测量处的光纤传感环(7)熔接；所述的光纤耦合器(2)中与光源接入端同侧的另一端与探测器(8)相熔接，所述的探测器(8)的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元(9)连接，所述的信号解调电子单元(9)的调制信号输出端连接直波导相位调制器(4)的电控制端口。
2.根据权利要求1所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的光纤传感环(7)由特殊旋转熊猫型高双折射光纤和金属反射膜构成。
3.根据权利要求2所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分和匀速旋转率部分，所述的匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。
4.根据权利要求1所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的信号解调电子单元(9)包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块，所述的光电信号调理与模数转换模块用于完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变，所述的数字计算模块用于完成电流信号解算以及调制信号产生，所述的调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
5.一种基于权利要求1所述的光纤电流传感器实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其特征在于，所述的方法包括相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作、传感器系统相位偏置测量的处理操作和动态反馈电流信号解调的处理操作。
6.根据权利要求5所述的实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其特征在于，所述的相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作，具体包括以下步骤：
(1-1)信号解调电子单元(9)输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，以一定的周期控制调制信号输出最大调制值和最小调制值；
(1-2)判断最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差是否为2π，如果是，则探测器(8)输出值相等；否则，信号解调电子单元(9)根据探测器(8)输出值调整控制调制信号输出范围的参数，直至最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π；
(1-3)信号解调电子单元(9)实时调制，控制调制信号输出范围的参数值锁定规范化2π电压值，使达自动温度补偿。
7.根据权利要求5所述的实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其特征在于，所述的传感器系统相位偏置测量的处理操作，具体包括以下步骤：
(2-1)在测量电流为0的情况下，信号解调电子单元(9)控制调制信号输出遍历从最小值至最大值，获得探测器(8)所测出的最大值与最小值；
(2-2)计算出最大值与最小值的平均值，控制调制信号输出直到探测器(8)输出值等于这个平均值。
8.根据权利要求5所述的实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其特征在于，所述的动态反馈电流信号解调的处理操作，具体为：
根据所检测的电流值大小，判断电流相位是否超出预期的非线性区域，如果是，则产生调制信号使探测器(8)信号输出值保持在零点，使光纤电流互感器的工作点处于线性度最佳位置。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112986646A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-18 | 南京大学 | 一种基于全光纤电流互感器的双脉冲健康检测系统及方法 |
| CN117031101A (zh) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005345350A (ja) * | 2004-06-04 | 2005-12-15 | East Japan Railway Co | 光ファイバ電流センサ及びその校正装置 |
| CN101334427A (zh) * | 2008-07-16 | 2008-12-31 | 上海大学 | 反射式全光纤电流传感器 |
| CN102967747A (zh) * | 2012-11-10 | 2013-03-13 | 华中科技大学 | 双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器及方法 |
| CN103777063A (zh) * | 2013-12-13 | 2014-05-07 | 国家电网公司 | 一种光纤电流传感器 |
| CN103906319A (zh) * | 2007-06-29 | 2014-07-02 | 赛普拉斯半导体公司 | 用于光学传感器控制的三角积分信号密度调制 |
| CN105467345A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-04-06 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种光纤电流传感器频带宽度测试方法和系统 |
| EP3084451A1 (en) * | 2013-12-20 | 2016-10-26 | ABB Technology AG | Fiber-optic sensor and method |
| CN110672903A (zh) * | 2019-09-17 | 2020-01-10 | 中国计量科学研究院 | 光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置、系统及方法 |
| CN110987373A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-10 | 北京自动化控制设备研究所 | 干涉型光纤传感器相位调制深度的测量方法及测量装置 |
-
2020
- 2020-07-06 CN CN202010641430.7A patent/CN111751610B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005345350A (ja) * | 2004-06-04 | 2005-12-15 | East Japan Railway Co | 光ファイバ電流センサ及びその校正装置 |
| CN103906319A (zh) * | 2007-06-29 | 2014-07-02 | 赛普拉斯半导体公司 | 用于光学传感器控制的三角积分信号密度调制 |
| CN101334427A (zh) * | 2008-07-16 | 2008-12-31 | 上海大学 | 反射式全光纤电流传感器 |
| CN102967747A (zh) * | 2012-11-10 | 2013-03-13 | 华中科技大学 | 双路干涉闭环检测的免温度补偿光纤电流互感器及方法 |
| CN103777063A (zh) * | 2013-12-13 | 2014-05-07 | 国家电网公司 | 一种光纤电流传感器 |
| EP3084451A1 (en) * | 2013-12-20 | 2016-10-26 | ABB Technology AG | Fiber-optic sensor and method |
| CN105467345A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-04-06 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种光纤电流传感器频带宽度测试方法和系统 |
| CN110672903A (zh) * | 2019-09-17 | 2020-01-10 | 中国计量科学研究院 | 光纤电流传感器反馈相移非线性校正装置、系统及方法 |
| CN110987373A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-10 | 北京自动化控制设备研究所 | 干涉型光纤传感器相位调制深度的测量方法及测量装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HONGXING WANG: "Temperature error suppression and compensation technology of fiber optic current transformer", 《12TH IET INTERNATIONAL CONFERENCE ON AC AND DC POWER TRANSMISSION (ACDC 2016)》 * |
| 刘建明: "特殊螺旋高双折射保椭圆光纤研究及其在电流互感器中的应用", 《中国电机工程学报》 * |
| 司马文霞: "一种耦合法拉第旋光器的全光纤电流传感器", 《中国电机工程学报》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112986646A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-18 | 南京大学 | 一种基于全光纤电流互感器的双脉冲健康检测系统及方法 |
| CN117031101A (zh) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备 |
| CN117031101B (zh) * | 2023-10-09 | 2023-12-29 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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