CN111812379A - 一种自补偿型光纤电流传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自补偿型光纤电流传感系统，属于光纤电流传感器技术领域，包括：光源、光纤、耦合器、传感光路单元、补偿光路单元和信号处理单元；耦合器将光信号均分后分别输入至传感光路单元和补偿光路单元；传感光路单元、补偿光路单元分别使接收到的光信号与待测电流、补偿电流产生的磁场相互作用，将相互作用后光信号收集并转化为电信号输出至信号处理单元；信号处理单元将采集到的输出信号进行闭环处理，经运算抵消掉光路双折射及维尔德常数无关量，得到待测电流的大小。本发明的系统具备较高的测量精度和较强的抗环境干扰能力，解决了以往的FOCS在实际应用时维尔德常数与光路双折射易受环境干扰而使运行稳定性和测量准确性较差的问题。

Description

一种自补偿型光纤电流传感系统

技术领域

本发明属于光纤电流传感器技术领域，更具体地，涉及一种自补偿型光纤电流传感系统。

背景技术

在智能电网时代，安全、可靠、稳定的电力设备不可或缺。在我国已投入运营的2000余台高电压电子电流传感器中，光纤电流传感器(Fiber Optics Current Sensor，FOCS)占比约40％。FOCS以其体积小重量轻、抗电磁干扰性好、绝缘性好等优势逐渐取代传统的电流传感器。

FOCS主要是测量电流周围法拉第磁致旋光效应给光路中圆偏振光带来的相位差从而计算出电流大小。FOCS的测量精度与光纤维尔德常数和光路的偏振特性关系密切，由于光纤的维尔德常数和双折射极易受到环境温度变动和震动等因素的影响，因此FOCS的抗干扰性仍是其实用化路上的一大问题。目前为止，研究人员相继提出了一系列解决方案，但依然不能将环境干扰降到理想的大小。例如：研究人员提出了用旋转光纤、退火光纤、特种光子晶体光纤等作为传感光纤，并称其偏振特性优良。但是，这些光纤的维尔德常数却依然会随环境温度变化而发生变化，并且特种光纤的制备工艺复杂、造价高昂；有研究人员提出利用光路中λ/4波片和维尔德常数二者温度系数相反的特性进行温度补偿，但是，消除了维尔德常数的温度波动特性，偏振特性却依然还是会受环境干扰，并且λ/4波片长度截取误差大、熔接角度难以控制、熔接点易受环境干扰等问题使得大部分FOCS长期运行可靠性远未达到要求；有研究人员提出采用集成化的偏振型FOCS，集成化部件体积小巧可以方便地进行恒温控制，然而，暴露在户外环境中的传感环部分依然会受到环境干扰，并且集成的部件价格昂贵；还有研究人员往光纤中掺杂Tb、CdSe等物质提高光纤的维尔德常数，从而提高电流测量的灵敏度。然而，这并不能提高FOCS的维尔德常数和偏振特性的抗干扰能力，掺杂工艺也会进一步提高FOCS的造价。

综上所述，即便FOCS有着传统电磁互感器不可比拟的优势，其在实际应用过程中由于维尔德常数和双折射波动引起的误差仍是一大问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自补偿型光纤电流传感系统，由此解决FOCS在实际应用时维尔德常数与光路双折射易受环境干扰导致运行稳定性和测量准确性较差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自补偿型光纤电流传感系统，包括：光源、光纤、耦合器、传感光路单元、补偿光路单元和信号处理单元；

所述光源的输出端通过所述光纤连接于所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端连接于所述传感光路单元，所述耦合器的第二输出端连接于所述补偿光路单元，所述传感光路单元的输出端连接于所述信号处理单元的输入端，所述补偿光路单元的输出端连接于所述信号处理单元的输入端；

所述光源用于输出光信号；所述光纤用于将所述光信号输送至所述耦合器；所述耦合器用于将所述光信号均分后分别输入至所述传感光路单元和所述补偿光路单元；

所述传感光路单元用于使所述光信号与待测电流产生的磁场相互作用，产生传感光信号，将所述传感光信号收集并转化为电信号输出至所述信号处理单元；

所述补偿光路单元用于使所述光信号与补偿电流产生的磁场相互作用，产生补偿光信号，将所述补偿光信号收集并转化为电信号输出至所述信号处理单元；所述补偿光信号中携带了与所述传感光信号相同的双折射信息及维尔德常数信息；

所述信号处理单元用于将采集到的所述传感光路单元的输出信号和所述补偿光路单元的输出信号进行闭环处理，经运算抵消掉光路双折射及维尔德常数，并得到待测电流的大小。

优选地，所述传感光路单元包括第一水平偏光片、第一螺线管、第一传感头、第一偏光片和第一光探测器；所述第一螺线管设置于所述第一水平偏光片和所述第一偏光片之间，所述第一传感头设置于所述第一螺线管内，所述第一光探测器的输出端连接于所述信号处理单元；

所述第一水平偏光片用于将入射至所述传感光路单元的入射光转变为第一线偏振光，所述第一螺线管用于通入待测电流后产生第一磁场，所述第一传感头用于接收所述第一线偏振光，并在所述第一磁场的作用下使所述第一线偏振光的偏振态发生变化；所述第一偏光片用于改变所述第一线偏振光的偏振态以使所述第一光探测器能够接收到第一光信号；所述第一光探测器用于将所述第一光信号转变为第一电信号传送至所述信号处理单元。

优选地，所述补偿光路单元包括第二水平偏振片、第二螺线管、第二传感头、第二偏光片和第二光探测器；所述第二螺线管设置于所述第二水平偏光片和所述第二偏光片之间，所述第二传感头设置于所述第二螺线管内，所述第二光探测器的输出端连接于所述信号处理单元；

所述第二水平偏光片用于将入射至所述补偿光路单元的入射光转变为第二线偏振光，所述第二螺线管用于通入补偿电流后产生第二磁场，所述第二传感头用于接收所述第二线偏振光，并在所述第二磁场的作用下使所述第二线偏振光的偏振态发生变化；所述第二偏光片用于改变所述第二线偏振光的偏振态以使所述第二光探测器能够接受到第二光信号；所述第二光探测器用于将所述第二光信号转变为第二电信号传送至所述信号处理单元。

优选地，所述第一螺线管与所述第二螺线管垂直设置；所述第一传感头与所述第二传感头垂直设置。

优选地，所述第一传感头与所述第二传感头通过支架固定。

优选地，所述耦合器、所述第一水平偏光片、所述第二水平偏光片、所述第一传感头、所述第二传感头、所述第一偏光片、所述第二偏光片、所述第一光探测器、所述第二光探测器的选型完全相同。

优选地，所述信号处理单元对传感光路单元的输出信号U_传感和补偿光路单元的输出信号U_补偿利用闭环控制原理进行求和运算，将U_传感+U_补偿保持为E²，抵消掉光路双折射及维尔德常数，得到待测电流的表达式为

其中，E为进入到所述传感光路单元与所述补偿光路单元的光场大小，N_A为第一螺线管的匝数，N_B为第二螺线管的匝数，I_待测为第一螺线管中的待测电流，I_补偿为第二螺线管中的补偿电流。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于设置与传感光路单元完全相同的补偿光路单元，当信号处理单元利用闭环控制原理运算传感光路单元和补偿光路单元的输出信号时可以抵消掉线性双折射、环境干扰引起的光纤双折射变化和维尔德常数的变化，最终测得待测电流只与补偿电流和螺线管匝数有关，本发明的系统具备较高的测量精度和较强的抗环境干扰能力，解决了以往的FOCS在实际应用时维尔德常数与光路双折射易受环境干扰而使运行稳定性和测量准确性较差的问题。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例中传感光路单元与补偿光路单元的安装示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：光源1；光纤2；耦合器3；第一水平偏光片4A；第二水平偏光片4B；第一螺线管5A；第二螺线管5B；第一传感头6A；第二传感头6B；第一偏光片7；第二偏光片8；第一光探测器9A；第二光探测器9B；信号处理单元10；支架11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“第一”和“第二”是用于区别不同对象，而非用于描述特定的顺序。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自补偿型光纤电流传感系统，如图1和图2所示，包括：光源1、光纤2、耦合器3、第一水平偏光片4A、第二水平偏光片4B、第一螺线管5A、第二螺线管5B、第一传感头6A、第二传感头6B、第一偏光片7、第二偏光片8、第一光探测器9A、第二光探测器9B、信号处理单元10、和支架11。

具体的，所述光源1为宽谱光源，所述光源1提供所述系统的输入信号。所述光纤2为光信号传输的介质，所述耦合器3用于将光信号均分，所述第一水平偏光片4A和所述第二水平偏光片4B的作用是将入射光转变为线偏振光，所述第一偏光片7为45°偏光片，所述第二偏光片8为-45°偏光片，所述45°偏光片与所述-45°偏光片的作用是控制系统的灵敏度和输出信号的形式，所述第一螺线管5A是待测电流的输电导线绕成的线圈，所述第二螺线管5B是补偿电流的输电导线绕成的线圈，所述第一传感头6A用以探测所述第一螺线管5A产生的磁场，所述第二传感头6B用以探测所述第二螺线管5B产生的磁场。所述第一光探测器9A用来接收传感光路单元的光信号，所述第二光探测器9B用来接收补偿光路单元的光信号，所述信号处理单元10将接收到的信号进行闭环处理，最终得到待测电流的大小。

具体的，在实际工作时，所述光源发出的光经过所述耦合器平均分到所述传感光路单元与所述补偿光路单元。在所述传感光路单元中，光线经过所述第一水平偏光片后形成线偏振光，然后进入所述第一传感头中，受到通有待测电流的所述第一螺线管的法拉第磁致旋光效应的影响后，其偏振态将会发生变化，接着，光线再经过所述45°偏光片，最终在所述第一光探测器处被接收。所述补偿光路单元与所述传感光路单元除了将所述第一螺线管替换为所述第二螺线管、将所述45°偏光片替换为所述-45°偏光片，其余的工作原理和元器件设置均完全相同。因此，所述信号处理单元采集到的传感光路单元和补偿光路单元的输出信号分别表示为：

U_传感＝0.5[E²-f(δ，ξ，VN_AI_待测)] (1)

U_补偿＝0.5[E²+f(δ，ξ，VN_BI_补偿)] (2)

其中，U_传感和U_补偿分别是所述传感光路单元和所述补偿光路单元的输出信号，E是进入到传感光路单元与补偿光路单元中的光场大小，由于所述耦合器的分光比是50：50，所以两路系统得到的光强相等，f是光路中线性双折射、圆双折射、法拉第磁致旋光效应带来的总影响，δ是线性双折射，ξ是圆双折射，V是光纤的维尔德常数，N_A是第一螺线管的匝数，N_B是第二螺线管的匝数，I_待测是第一螺线管中的待测电流，I_补偿是第二螺线管中的补偿电流。所述信号处理单元对U_传感和U_补偿进行求和运算，并且利用闭环控制的原理，将U_传感+U_补偿保持为E²，于是有

f(δ，ξ，VN_AI_待测)＝f(δ，ξ，VN_BI_补偿) (3)

当传感光路单元和补偿光路单元的设置完全相同时，可以认为其δ，ξ都是一样的，于是有

VN_AI_待测＝VN_BI_补偿 (4)

则待测电流的大小为

从公式(5)可以看出，经过信号处理单元的运算之后，最终测得的第一螺线管中的待测电流是一个与光路中的线性双折射、圆双折射均无关的量，也是和光纤维尔德常数无关的量。因此传感头中残留的线性双折射、环境干扰引起光纤双折射的变化和维尔德常数的变化均可以通过这种方法得以抵消，所以本发明提供的自补偿型光纤电流传感系统具备较高的测量精准度和较强的抗环境干扰能力，解决了以往的FOCS在实际应用时维尔德常数与光路双折射易受环境干扰而使运行稳定性和测量准确性较差的问题。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的一种自补偿型光纤电流传感系统，结合附图以及具体实施例进行详述：

所述光源1为宽谱光源，提供所述系统的总输入信号。具体的，所述光源1采用中心波长为1310nm、光谱宽度为40nm的超辐射发光二极管SLD。所述光纤2为束缚光波传输的光波导介质。具体的，所述光纤2采用单模光纤，将其替换为其他类型的光纤也可。所述耦合器3将所述光源1输出的光波按照50:50的比例，平均分配到所述传感光路单元与所述补偿光路单元中。具体的，所述耦合器3采用中心波长为1310nm的3dB耦合器。所述第一水平偏光片4A与所述第二水平偏光片4B的作用是将入射光转变为水平方向的线偏振光。具体的，所述第一水平偏光片和所述第二水平偏光片均采用中心波长为1310nm的偏光片。需要说明的是，上文所述“水平”是指与地面平行。

更进一步的说明，所述第一螺线管5A是待测电流的导电线绕制形成的螺线管，所述第一螺线管5A中央的磁场将会引发传感光路单元的法拉第磁致旋光效应；所述第二螺线管5B是补偿电流的导电线绕制形成的螺线管，所述第二螺线管5B中央的磁场将会引发补偿光路的法拉第磁致旋光效应。所述第一螺线管5A与所述第二螺线管5B的缠绕匝数视实际应用场景而定。所述第一传感头6A与第二传感头6B是一段传感光纤，具体的，所述第一传感头6A与所述第二传感头6B采用普通单模光纤，将其替换为其他类型的光纤也均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。所述第一传感头6A与所述第二传感头6B固定在所述支架11上，具体的，采用如图2所示的安装方式，所述第一螺线管5A与所述第二螺线管5B形成的磁场保持垂直关系，所述第一传感头6A与所述第二传感头6B也保持垂直关系，所述第一传感头6A在所述第一螺线管5A的中心穿过，所述第二传感头6B在所述第二螺线管5B的中心穿过。

更进一步的说明，所述45°偏光片7与所述与-45°偏光片8起到控制系统的灵敏度和输出信号的形式的作用。具体的，所述45°偏光片7与所述与-45°偏光片8均采用中心波长为1310nm的偏光片。

更进一步的说明，所述第一光探测器9A用来接收传感光路单元的光信号，所述第二光探测器9B用来接收补偿光路单元的光信号，所述第一探测器9A、所述第二探测器9B和所述信号处理单元10之间为电连接。具体的，所述第一探测器9A和所述第二光探测器9B均采用PIN-FET光探测器。

更进一步的说明，实际工作时，光源1发出的中心波长为1310nm的光波在光纤2中传输，经过50:50的3dB耦合器3分别到达传感光路单元与补偿光路单元。在传感光路单元中，光线经过第一水平偏光片4A后形成水平偏振光，然后进入第一传感头6A中；由于第一传感头6A放置在通有待测电流的第一螺线管5A的管芯内，其将会受到第一螺线管5A中磁场的法拉第磁致旋光效应影响，同时，考虑此时是实际工作情况，第一传感头6A会受到温度、环境震动等各种因素的影响，这些影响可以看作是往第一传感头6A中增加了额外的线性双折射和圆双折射，因此光波的偏振态将会在双折射影响下发生改变。接着，光线再经过45°偏光片7，最终到达PIN-FET光探测器9A，PIN-FET光探测器9A将记录此时传感光路单元的输出光强大小，随后PIN-FET光探测器9A把信号传输到信号处理单元10中进行处理。

在补偿光路单元中，光线经过第二水平偏光片4B后形成水平偏振光，然后进入第二传感头6B中；由于第二传感头6B放置在通有补偿电流的第二螺线管5B的管芯内，其将会受到第二螺线管5B中磁场的法拉第磁致旋光效应影响，同时，考虑此时是实际工作情况，第二传感头6B会受到温度、环境震动等各种因素的影响，这些影响可以看作是往传感头6B中增加了额外的线性双折射和圆双折射，因此光波的偏振态将会在双折射影响下发生改变。接着，光线再经过-45°偏光片8，最终到达PIN-FET光探测器9B，PIN-FET光探测器9B将记录此时传感光路的输出光强大小，随后PIN-FET光探测器9B把信号传输到信号处理单元10中进行处理。

传感光路单元的输出光信号携带了待测电流大小、光纤中线性双折射、圆双折射以及环境干扰的信息，补偿光路单元的输出光信号携带了补偿电流大小、光纤中线性双折射、圆双折射以及环境干扰的信息。当耦合器3，第一水平偏光片4A、第二水平偏光片4B、第一传感头6A、第二传感头6B、45°偏光片7、-45°偏光片8、第一光探测器9A、第二光探测器9B的选型均完全相同时，可以认为两路光路中由于制作工艺问题而导致的线性双折射、圆双折射均相同；当第一传感头6A、第二传感头6B同时固定在支架11上的时候，可以认为环境震动等因素对第一传感头6A和第二传感头6B的作用完全相同；由于第一传感头6A和第二传感头6B安装的距离非常靠近，可认为环境温度影响对两个传感头作用也相同。根据公式(1)-(5)，在信号处理单元10做运算的时候，两个传感头中的线性双折射、圆双折射、环境干扰引起传感头偏振特性的变化以及维尔德常数的变化均被抵消。因此，自补偿型光纤电流传感系统可以很好地解决以往的FOCS在实际应用时维尔德常数与光路双折射易受环境干扰而使运行稳定性和测量准确性较差的问题，具备较高的测量精准度和较强的抗环境干扰能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于，包括：光源、光纤、耦合器、传感光路单元、补偿光路单元和信号处理单元；

所述光源的输出端通过所述光纤连接于所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端连接于所述传感光路单元，所述耦合器的第二输出端连接于所述补偿光路单元，所述传感光路单元的输出端连接于所述信号处理单元的输入端，所述补偿光路单元的输出端连接于所述信号处理单元的输入端；

所述光源用于输出光信号；所述光纤用于将所述光信号输送至所述耦合器；所述耦合器用于将所述光信号均分后分别输入至所述传感光路单元和所述补偿光路单元；

所述传感光路单元用于使所述光信号与待测电流产生的磁场相互作用，产生传感光信号，将所述传感光信号收集并转化为电信号输出至所述信号处理单元；

所述补偿光路单元用于使所述光信号与补偿电流产生的磁场相互作用，产生补偿光信号，将所述补偿光信号收集并转化为电信号输出至所述信号处理单元；所述补偿光信号中携带了与所述传感光信号相同的双折射信息及维尔德常数信息；

所述信号处理单元用于将采集到的所述传感光路单元的输出信号和所述补偿光路单元的输出信号进行闭环处理，经运算抵消掉光路双折射及维尔德常数，并得到待测电流的大小。

2.根据权利要求1所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述传感光路单元包括第一水平偏光片、第一螺线管、第一传感头、第一偏光片和第一光探测器；所述第一螺线管设置于所述第一水平偏光片和所述第一偏光片之间，所述第一传感头设置于所述第一螺线管内，所述第一光探测器的输出端连接于所述信号处理单元；

所述第一水平偏光片用于将入射至所述传感光路单元的入射光转变为第一线偏振光，所述第一螺线管用于通入待测电流后产生第一磁场，所述第一传感头用于接收所述第一线偏振光，并在所述第一磁场的作用下使所述第一线偏振光的偏振态发生变化；所述第一偏光片用于改变所述第一线偏振光的偏振态以使所述第一光探测器能够接收到第一光信号；所述第一光探测器用于将所述第一光信号转变为第一电信号传送至所述信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述补偿光路单元包括第二水平偏振片、第二螺线管、第二传感头、第二偏光片和第二光探测器；所述第二螺线管设置于所述第二水平偏光片和所述第二偏光片之间，所述第二传感头设置于所述第二螺线管内，所述第二光探测器的输出端连接于所述信号处理单元；

所述第二水平偏光片用于将入射至所述补偿光路单元的入射光转变为第二线偏振光，所述第二螺线管用于通入补偿电流后产生第二磁场，所述第二传感头用于接收所述第二线偏振光，并在所述第二磁场的作用下使所述第二线偏振光的偏振态发生变化；所述第二偏光片用于改变所述第二线偏振光的偏振态以使所述第二光探测器能够接受到第二光信号；所述第二光探测器用于将所述第二光信号转变为第二电信号传送至所述信号处理单元。

4.根据权利要求3所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述第一螺线管与所述第二螺线管垂直设置；所述第一传感头与所述第二传感头垂直设置。

5.根据权利要求4所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述第一传感头与所述第二传感头通过支架固定。

6.根据权利要求5所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述耦合器、所述第一水平偏光片、所述第二水平偏光片、所述第一传感头、所述第二传感头、所述第一偏光片、所述第二偏光片、所述第一光探测器、所述第二光探测器的选型完全相同。

7.根据权利要求6所述的一种自补偿型光纤电流传感系统，其特征在于：所述信号处理单元对传感光路单元的输出信号U_传感和补偿光路单元的输出信号U_补偿利用闭环控制原理进行求和运算，将U_传感+U_补偿保持为E²，抵消掉光路双折射及维尔德常数，得到待测电流的表达式为

其中，E为进入到所述传感光路单元与所述补偿光路单元的光场大小，N_A为第一螺线管的匝数，N_B为第二螺线管的匝数，I_待测为第一螺线管中的待测电流，I_补偿为第二螺线管中的补偿电流。

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