CN114002473A - 一种温度应变补偿型光纤电流传感器 - Google Patents

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刘森浩
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Abstract

本发明公开了一种温度应变补偿型光纤电流传感器，首次将少模探测方法和扭转光纤结合应用于反射型光纤电流传感器，进一步优化光纤电流传感系统；采用匀速率扭转光纤代替普通的传感光纤，消除了光纤中线性双折射造成的误差，降低了其温度敏感性，提升了其抗应力作用，能够减小传感光纤受温度和应变的影响。使用变速率扭转光纤代替四分之一波片，消除了四分之一波片的熔接误差和延迟误差，提高了系统的测量精度。通过引入少模探测和扭转光纤的综合方案可以实现对温度和应变的准确测量和补偿，消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。此外，系统采用相干检测的方案，能够降低噪声对系统的影响。

Description

一种温度应变补偿型光纤电流传感器
技术领域
本发明属于电流测量领域，更具体地，涉及一种温度应变补偿型光纤电流传感器。
背景技术
随着电力系统的不断发展，传统的电磁式电流传感器暴露出越来越多的问题，不能满足高电压、大电流的应用环境，因此光纤电流传感器是目前的研究重点。光纤电流传感器是根据法拉第效应的原理工作的，电流通过电导体(导线)产生感应磁场，感应磁场通过法拉第效应使缠绕在传导电流的导线上的光纤中传播的偏振面旋转。当传感光纤沿电流形成闭合回路时，偏振面的旋转角度F等于：F＝NV∮LH·dL＝NVI；此处V表示光纤材料的费尔德常数，I表示电流，H表示此处由电流I产生的感应磁场，N表示传感光纤线圈匝数。
尽管光纤电流传感器存在测量动态范围大、抗电磁干扰能力强、成本低等诸多优势，在工程应用中仍面临一些问题，如系统依赖温度等环境因素和光纤受到应变等因素的影响，阻碍了光纤电流传感器的实用化进程。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种温度应变补偿型光纤电流传感器，由此解决现有技术中由于误差的影响导致电流测量精度低的技术问题的技术问题，通过消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种温度应变补偿型光纤电流传感器，包括：激光器、模式调制器、光纤耦合器、线偏振器、 45°熔接点、相位调制器、变速率扭转光纤、匀速率扭转传感光纤环、导线、反射镜、第一少模光纤模式探测模块、第二少模光纤模式探测模块和信号处理控制模块；
所述激光器输出的光经模式调制器形成具有两种光纤传输模式的少模探测光，并依次经过光纤耦合器、线偏振器和45°熔接点，形成两束正交的线偏振光；经相位调制器进入变速率扭转光纤，形成两束旋向相反的圆偏振光；再经匀速率扭转传感光纤环到达反射镜处进行模式互换后，原路返回至光纤耦合器，被分成两路后分别进入第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块；
所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块分别探测两种光纤传输模式下光纤的温度和应变信息，信号处理控制模块基于所述温度和应变信息，得到待测电流值。
优选地，所述信号处理控制模块基于所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块的输出信号，获取两种光纤传输模式下的两束偏振光之间的相位差及光纤的温度和应变信息；基于所述相位差确定待测电流，并基于所述温度和应变信息对所述待测电流进行补偿，得到导线中电流的大小。
优选地，还包括与信号处理控制模块连接的输出单元，用于输出待测电流值。
优选地，所述两束旋向相反的圆偏振光经过匀速率扭转传感光纤环时，受到导线中电流产生的电磁作用，因法拉第磁光效应使两束旋向相反的圆偏振光之间产生2F相位差；经过反射镜原路返回经过匀速率扭转传感光纤环时再次受到法拉第磁光效应，相位差加倍为4F。
优选地，变速率扭转光纤满足扭转率大于光纤中固有的线性双折射条件；匀速率扭转传感光纤环的光纤直径及折射率参数同匀速率扭转光纤一致。
优选地，所述相位调制器用于施加一个主动的相位差，让两次相位调制的附加相移等于π/2，以使系统工作在灵敏度较高的线性区。
优选地，所述相位调制器在方波调制下，输出波形的幅值大小与待测电流大小成正比；在正弦调制下，输出波形两个极小值之间的差与待测电流大小成正比。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的温度应变补偿型光纤电流传感器，首次将少模探测方法和扭转光纤结合应用于反射型光纤电流传感器，进一步优化光纤电流传感系统；采用匀速率扭转光纤代替普通的传感光纤，消除了光纤中线性双折射造成的误差，降低了其温度敏感性，提升了其抗应力作用，能够减小传感光纤受温度和应变的影响。使用变速率扭转光纤代替四分之一波片，消除了四分之一波片的熔接误差和延迟误差，提高了系统的测量精度。
2、本发明提供的温度应变补偿型光纤电流传感器，利用少模探测方式实现对光纤电流传感器的温度和应力的同时测量和补偿，进一步提高了系统的测量精度；此外，系统采用相干检测的方案，能够降低噪声对系统的影响。
附图说明
图1为本发明提供的温度应变补偿型光纤电流传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的模式调制器产生的光纤传输模式示意图；
图3为本发明提供的匀速率扭转光纤示意图；
图4为本发明提供的变速率扭转光纤示意图。
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。
光纤电流传感器的误差来源主要有三个：工艺误差、温度误差和应变误差。其中工艺误差随着熔接工艺及制备工艺的成熟已经逐步减小，但是温度和应变误差对光纤电流传感器的精度问题影响较大。温度误差主要来自传感部分，温度改变会造成传感光纤的热胀冷缩，改变了光纤表面的应力分布，产生温致线性双折射；温度还会改变光纤费尔德常数，这是光纤感应磁场的基本参数。应变误差来源于光纤受到轴向的拉伸应力而发生应变，导致光纤中产生了应变线性双折射。
本发明首次将扭转光纤和少模探测应用在光纤电流传感器中，消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。
本发明提供的温度应变补偿型光纤电流传感器包括：激光器、模式调制器、光纤耦合器、线偏振器、45°熔接点、相位调制器、变速率扭转光纤、匀速率扭转传感光纤环、导线反射镜、第一少模光纤模式探测模块、第二少模光纤模式探测模块、信号处理控制模块和输出单元；
激光光源的尾纤与模式调制器的输入光纤熔接，模式调制器的光纤与光纤耦合器的输入光纤熔接，光纤耦合器的两根尾纤与分别与第一少模光纤模式探测模块、第二少模光纤模式探测模块熔接，另一根尾纤与线偏振器的输入光纤熔接，线偏振器的一根尾纤通过相位调制器的输入光纤熔接，相位调制器的尾纤与变速率扭转光纤熔接，匀速率扭转光纤与变速率扭转光纤的尾纤熔接，匀速率扭转光纤的末端镀有反射膜。
相对于普通的反射型光纤电流传感器，本发明首次将扭转光纤和少模探测方式结合应用于传感光纤的温度和应力补偿，进一步优化光纤电流传感系统。本发明系统用匀速率扭转光纤代替普通的传感光纤，消除了光纤中线性双折射造成的误差，降低了其温度敏感性，提升了其抗应力作用，能够减小传感光纤受温度和应变的影响。使用变速率扭转光纤代替四分之一波片，消除了四分之一波片的熔接误差和延迟误差，提高了系统的测量精度。利用少模探测方式实现对光纤电流传感器的温度和应力的同时测量和补偿，进一步提高了系统的测量精度。系统采用相干检测的方案，降低噪声对系统的影响。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的温度应变补偿型光纤电流传感，现结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明如下：
本发明实施例提供一种温度应变补偿型光纤电流传感器，如图1所示，包括：激光器1、模式调制器2、光纤耦合器3、线偏振器4、45°熔接点5、相位调制器6、变速率扭转光纤7、匀速率扭转传感光纤环8、导线9、反射镜10、第一少模光纤模式探测模块11、第二少模光纤模式探测模块12 和信号处理控制模块13；
其中，如图1所示，所述导线9穿过所述匀速率扭转传感光纤环8。
所述激光器输出的光经模式调制器2形成具有两种光纤传输模式的少模探测光，并依次经过光纤耦合器3、线偏振器4和45°熔接点5，形成两束正交的线偏振光；经相位调制器6进入变速率扭转光纤7，形成两束旋向相反的圆偏振光；再经匀速率扭转传感光纤环8到达反射镜10处进行模式互换后，原路返回至光纤耦合器，被分成两路后分别进入第一少模光纤模式探测模块11和第二少模光纤模式探测模块12；
所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块分别探测两种光纤传输模式下光纤的温度和应变信息，信号处理控制模块13基于所述温度和应变信息，得到待测电流值。
进一步地，所述信号处理控制模块13基于所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块的输出信号，获取两种光纤传输模式下的两束偏振光之间的相位差信息及光纤的温度和应变信息；基于所述相位差确定待测电流，并基于所述温度和应变信息对所述待测电流进行补偿，得到导线9中电流的大小。
进一步地，所述温度应变补偿型光纤电流传感器还包括与信号处理控制模块13连接的输出单元14，用于输出待测电流值。
进一步地，所述两束旋向相反的圆偏振光经过匀速率扭转传感光纤环8 时，受到导线9中电流产生的电磁作用，因法拉第磁光效应使两束旋向相反的圆偏振光之间产生2F相位差；经过反射镜10原路返回经过匀速率扭转传感光纤环8时再次受到法拉第磁光效应，相位差加倍为4F。
具体地，所述激光器1输出的光经模式调制器2形成具有某两种光纤传输模式的少模探测光，经光纤耦合器3后，由线偏振器4形成沿特定方向偏振的线偏振光，然后在45°熔接点5形成两束正交的线偏光，然后进入相位调制器6，受到一次相位调制，经过变速率扭转光纤7形成两束旋向相反的圆偏振光，经过匀速率扭转传感光纤环8时，受到导线9中电流产生的电磁作用，因法拉第磁光效应两束旋向相反的圆偏振光之间产生2F相位差，经过反射镜10后，两束圆偏振光模式互换，回程时经过匀速率扭转传感光纤环8时再次受到法拉第磁光效应，相位差加倍为4F，两束正交的圆偏振光经过变速率扭转光纤7后恢复成两束正交的线偏振光，通过相位调制器6进行二次相位调制后在线偏振器4处干涉输出，经光纤耦合器2后分成两路，分别经第一少模光纤模式探测模块11和第二少模光纤模式探测模块12后进入信号处理控制模块13，最后由输出单元14输出测量的电流值。
所述信号处理控制模块13通过第一少模光纤模式探测模块11和第二少模光纤模式探测模块12的输出信号，可以得到某种光纤模式进行传输的两束偏振光之间的相位差信息以及光纤的温度和应变信息，并通过对光纤温度和应变进行补偿，最终得到待测导线9中电流的大小。
参照图2，模式调制模块输出部分光纤空间传输模式。通过测量每种光纤空间传输模式的布里渊频移，可以区别温度和应变效果。当选取i和j两种空间模式时，这两种模式所测温度和应变与布里渊频移之间的关系为：
Figure RE-GDA0003404310030000071
其中，ΔT和Δε分别表示温度和应变，
Figure RE-GDA0003404310030000072
Ai(j)和Bi(j)分别表示模式i(j)的温度和应变系数，ΔvB,i和ΔνB,j分别表示模式i(j)的布里渊频移。
激光被模式调制器调制成两种光纤传输模式在光纤中传输。相位调制器与主轴45°熔接。传感光纤环由匀速率扭转光纤组成。信号处理模块对光探测器探测到的两束偏振光干涉的光强分布进行处理，得到待测电流的大小。
本发明提供的光纤电流传感器能够通过少模探测方式同时精准测量出该系统的温度和应变信息，实现系统的温度和应变误差补偿，基本上消除了温度和应变环境因素对系统传感性能的影响，提高了系统的测量精度。
光纤电流传感器利用传感光纤的法拉第效应实现测量的，即被测导线周围的磁场引起传感光纤中两束不同旋向的圆偏振光以不同速度传输从而产生相位差，通过测量干涉后的信号复制可以间接测量导线中电流的大小。当两束旋向相反的圆偏振光经过光纤时，由于法拉第效应，两束圆偏振光的传播速度发生改变，引起两束光之间相位差发生变化。通过测量相干的两束偏振光之间的相位差就可以间接测量导线电流的大小。同时由于不同的光纤空间传输模式携带的温度和应变信息不同，通过测量每种光纤空间模式的布里渊频移，可以区别温度和应变，所以在反射型光纤电流传感器中引入少模探测方式可以实现对光纤温度和应变的高精度同时测量，实现反射型光纤电流传感系统中温度和应变误差的实时精确补偿。
进一步地，变速率扭转光纤满足扭转率大于光纤中固有的线性双折射条件；匀速率扭转传感光纤环的光纤直径及折射率参数同匀速率扭转光纤一致。
具体地，参照图3，匀速率扭转光纤的扭转率为一个常数(τ＝τmax时，表示光纤匀速率扭转，耦合模方程可用常用的常微分求解方法，得到如下式所示的解析解。
Figure RE-GDA0003404310030000081
由于法拉第效应，电流产生的磁场作用使光纤中的传输光相位发生改变，那么匀速率扭转光纤的琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-GDA0003404310030000082
其中F＝∫VH·dz＝NVI为法拉第偏转角，L为传感光纤长度。
参照图4，扭转率随光纤位置变化时，表示光纤变速率扭转，耦合模方程无法得到精确的解析解。在满足条件τ＞＞Δβ时，近似条件下，变速率扭转光纤的琼斯矩阵可以表示为：
Figure RE-GDA0003404310030000083
其中，
Figure RE-GDA0003404310030000084
由变速率扭转光纤的琼斯矩阵可知，如果一束线偏振光沿着变速率扭转光纤入射，则将在变速率扭转光纤末端获得圆偏振光。证实变速率扭转光纤具有偏振态转化功能，实现线偏振光与圆偏振光的转换。
进一步地，所述相位调制器用于施加一个主动的相位差，让两次相位调制的附加相移等于π/2，以使系统工作在灵敏度较高的线性区。
进一步地，所述相位调制器在方波调制下，输出波形的幅值大小与待测电流大小成正比；在正弦调制下，输出波形两个极小值之间的差与待测电流大小成正比。
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)

1.一种温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，包括：激光器(1)、模式调制器(2)、光纤耦合器(3)、线偏振器(4)、45°熔接点(5)、相位调制器(6)、变速率扭转光纤(7)、匀速率扭转传感光纤环(8)、导线(9)、反射镜(10)、第一少模光纤模式探测模块(11)、第二少模光纤模式探测模块(12)和信号处理控制模块(13)；
所述激光器输出的光经模式调制器(2)形成具有两种光纤传输模式的少模探测光，并依次经过光纤耦合器(3)、线偏振器(4)和45°熔接点(5)，形成两束正交的线偏振光；经相位调制器(6)进入变速率扭转光纤(7)，形成两束旋向相反的圆偏振光；再经匀速率扭转传感光纤环(8)到达反射镜(10)处进行模式互换后，原路返回至光纤耦合器，被分成两路后分别进入第一少模光纤模式探测模块(11)和第二少模光纤模式探测模块(12)；
所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块分别探测两种光纤传输模式下光纤的温度和应变信息，信号处理控制模块(13)基于所述温度和应变信息，得到待测电流值。
2.如权利要求1所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，所述信号处理控制模块(13)基于所述第一少模光纤模式探测模块和第二少模光纤模式探测模块的输出信号，获取两种光纤传输模式下的两束偏振光之间的相位差及光纤的温度和应变信息；基于所述相位差确定待测电流，并基于所述温度和应变信息对所述待测电流进行补偿，得到导线(9)中电流的大小。
3.如权利要求1或2所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，还包括与信号处理控制模块(13)连接的输出单元(14)，用于输出待测电流值。
4.如权利要求1所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，所述两束旋向相反的圆偏振光经过匀速率扭转传感光纤环(8)时，受到导线(9)中电流产生的电磁作用，因法拉第磁光效应使两束旋向相反的圆偏振光之间产生2F相位差；经过反射镜(10)原路返回经过匀速率扭转传感光纤环(8)时再次受到法拉第磁光效应，相位差加倍为4F。
5.如权利要求1所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，变速率扭转光纤(7)满足扭转率大于光纤中固有的线性双折射条件；匀速率扭转传感光纤环(8)的光纤直径及折射率参数同匀速率扭转光纤(7)一致。
6.如权利要求1所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，所述相位调制器(6)用于施加一个主动的相位差，让两次相位调制的附加相移等于π/2，以使系统工作在灵敏度较高的线性区。
7.如权利要求1或6所述的温度应变补偿型光纤电流传感器，其特征在于，所述相位调制器(6)在方波调制下，输出波形的幅值大小与待测电流大小成正比；在正弦调制下，输出波形两个极小值之间的差与待测电流大小成正比。
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