CN114577245A - 一种同时测量电流和振动的光纤传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时测量电流和振动的光纤传感系统，涉及光纤传感技术领域，包括光源、光电探测器、第一耦合器、起偏器、锁相放大器、相位调制器、延时光纤环、信号处理模块、第二耦合器、第一传感光纤环、法拉第旋转镜、λ/4波片、第二传感光纤环、反射镜。本发明在光纤延时环后将光路分为两路，其中一路用作电流信息检测，另一路用于实时振动监测，从而实现电流和振动的同时测量，所述传感系统只需在全光纤电流互感器的基础上增加一个耦合器和一路传感结构，结构紧凑，成本较低，实现了电流传感与实时振动监测，进而解决了在光纤电流互感器中振动因素的测量干扰问题。

Description

一种同时测量电流和振动的光纤传感系统
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种同时测量电流和振动的光纤传感系统。
背景技术
近些年来，随着电气设备和世界范围内电力消耗的增加，全光纤电流互感器逐渐成为研究人员十分关注的领域。与传统的以空心线圈为代表的有源电子式电流互感器相比，光纤电流互感器具有抗电磁干扰、动态范围大、体积小、质量轻、精度高等优势，使其成为新一代智能电网的宝贵资产。
但随着全光纤电流互感器近些年来被越来越多的投入工程应用，其长期工作在振动、高低温等复杂环境中，这些因素会导致互感器的输出信号中含有环境振动的干扰，大大降低了系统的测量精度，严重情况下会使电流互感器发生故障停运。振动因素一方面会导致光路中传输光波长的波动进而带来传感光纤维德尔常数的变化；另一方面，外界振动产生的应力波传递到传感光纤上，将会引入额外的线性双折射，从而导致输出信号发生波动。因此及时准确的检测出发生在互感器附近的振动情况，进而通过相关的理论对其进行补偿等，能提高系统的测量精度，提升系统的抗振动干扰性能。然而，现在的光纤电流传感系统要实现振动情况的实时检测，需要再额外搭建一套测量振动的实验系统，这无疑会提高系统的复杂度和成本。
因此，研究一种可以同时实现电流传感和实时振动监测的全光纤系统具有很高的研究价值以及实际应用的意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种同时测量电流和振动的光纤传感系统，旨在实现对光纤电流互感器进行实时振动监测，进而解决现有光纤电流互感器在使用过程中受到外界振动的影响导致准确性和长期稳定性下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种同时测量电流和振动的光纤传感系统，包括光源、光电探测器、第一耦合器、起偏器、锁相放大器、相位调制器、延时光纤环、信号处理模块、第二耦合器、第一传感光纤环、法拉第旋转镜、λ/4波片、第二传感光纤环、反射镜；光源产生的光经过第一耦合器进入起偏器，所述起偏器用于将输入光转换为线偏振光，所述线偏振光经过所述相位调制器进行初始相位调制后，再经过延时光纤环传输，并通过第二耦合器分为两路；
一路光在传感光纤中传输的过程中受到振动，经附加相位调制后的光通过法拉第旋转镜将快轴和慢轴上的偏振光进行互换，返回后两束偏振光再次受到振动，累加附加相位；
另一路光经过λ/4波片转化为左旋和右旋圆偏振光，在第二传感光纤环中传输受到电流产生的磁场带来的法拉第效应作用，产生和电流大小相关的相位差，两束不同旋向的圆偏振光经反射镜反射后，再次受法拉第效应作用，累加相位差，经过λ/4波片后两束旋向相反的圆偏振光变成模式互换的正交线偏光；
两路光返回后经第二耦合器组合在一起，经过延时光纤环再通过相位调制器被进行二次调制后，两束正交的线偏振光传输到起偏器处发生干涉，干涉光信号到达光电探测器后转换为电信号，由锁相放大器采集后输入至信号处理模块进行后续的数据处理，得到待测电流的大小信息以及振动信息。
优选地，所述起偏器和所述相位调制器通过45°熔接点熔接，所述起偏器转换的线偏振光经过45°熔接点平均分配到保偏光纤的快轴和慢轴上。
优选地，λ/4波片用于完成线偏振光到圆偏振光的转换，且其由一段椭圆芯保偏光纤构成。
优选地，法拉第旋转镜用于完成光束偏振角度的变换，具体就是将X轴上的光转换到Y轴，将Y轴上的光转换到X轴。
优选地，延时光纤环用于使沿保偏光纤快轴和沿慢轴传播的线偏振光之间距离拉大，使其变成两束独立的偏振光。
优选地，锁相放大器用于信号的提取与检测。
优选地，所述相位调制器用于对光信号进行初始的相位调制，并且便于后续利用锁相放大器进行信号的解调。
优选地，光电探测器输出的光强为：
Figure BDA0003558436450000031
式中，K为光电探测器的响应度，I0为光源的初始光强，
Figure BDA0003558436450000032
Figure BDA0003558436450000033
为相位调制器引入的总调制相位，τ为光两次经过相位调制器的时延差，
Figure BDA0003558436450000034
为光第一次经过相位调制器调制引入的相移，
Figure BDA0003558436450000035
为第二次经过相位调制器调制引入的相移，
Figure BDA0003558436450000036
为电流产生的相位差，N为第二传感光纤环在导线上缠绕的匝数，V为第二传感光纤环的维尔德(Verdet)常数，I为待测电流的大小，
Figure BDA0003558436450000037
为振动引入的附加相位差。
将输出光强按照第一类贝塞尔函数展开，并在锁相放大器中通过相关解调算法提取一阶分量，最后可以得到：
Figure BDA0003558436450000038
式中，
Figure BDA0003558436450000039
为
Figure BDA00035584364500000310
的一阶贝塞尔函数，
Figure BDA00035584364500000311
是与调制电压与调制频率相关的参数。上述公式表示了有关电流和振动的相位差的信息，接着通过相关信号处理算法将两种信号进行分离，即可获取电流和振动的信息。
光电探测器选用PIN-FET型探测器，优点是噪声小，温度稳定性好。
本发明在全光纤电流互感器的基础上，在光纤延时环后将光路分为两路，其中一路用作电流信息检测，另一路用于实时振动监测，从而实现电流和振动的同时测量，所述传感系统只需在全光纤电流互感器的基础上增加一个耦合器和一路传感结构，结构紧凑，成本较低，实现了电流传感与实时振动监测，进而解决了在光纤电流互感器中振动因素的测量干扰问题。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明可以利用一套简单的全光纤系统同时检测电流信号与外界环境振动，可以实现电流传感与实时长距离振动预警，在智能电网的应用中有较高的实用价值；
2、本发明结构紧凑，成本低，且进行信号解调方便，只利用一台锁相放大器就可以同时解调出两个信号；
3、所提出的光纤传感系统为全光纤结构，抗电磁干扰能力强；
4、所提出的光纤传感系统为反射结构，灵敏度相对于透射式结构增加了两倍。且传感光纤在导线上缠绕的匝数可以根据实际测量电流大小灵活调整，具有广泛的适用性。
附图说明
图1是本发明提供的同时测量电流和振动的光纤传感系统的结构示意图；
其中，1-光源，2-光电探测器，3-第一耦合器，4-起偏器，5-锁相放大器，6-相位调制器，7-延时光纤环，8-信号处理模块，9-第二耦合器，10-第一传感光纤环，11-法拉第旋转镜，12-λ/4波片，13-第二传感光纤环，14-反射镜。
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不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种同时测量电流和振动的光纤传感系统，包括光源、光电探测器、第一耦合器、起偏器、锁相放大器、相位调制器、延时光纤环、信号处理模块、第二耦合器、第一传感光纤环、法拉第旋转镜、λ/4波片、第二传感光纤环、反射镜；光源产生的光经过第一耦合器进入起偏器，所述起偏器用于将输入光转换为线偏振光，所述线偏振光经过所述相位调制器进行初始相位调制后，再经过延时光纤环传输，并通过第二耦合器分为两路；
一路光在传感光纤中传输的过程中受到振动，经附加相位调制后的光通过法拉第旋转镜将快轴和慢轴上的偏振光进行互换，返回后两束偏振光再次受到振动，累加附加相位；
另一路光经过λ/4波片转化为左旋和右旋圆偏振光，在第二传感光纤环中传输受到电流产生的磁场带来的法拉第效应作用，产生和电流大小相关的相位差，两束不同旋向的圆偏振光经反射镜反射后，再次受法拉第效应作用，累加相位差，经过λ/4波片后两束旋向相反的圆偏振光变成模式互换的正交线偏光；
两路光返回后经第二耦合器组合在一起，经过延时光纤环再通过相位调制器被进行二次调制后，两束正交的线偏振光传输到起偏器处发生干涉，干涉光信号到达光电探测器后转换为电信号，由锁相放大器采集后输入至信号处理模块进行后续的数据处理，得到待测电流的大小信息以及振动信息。
如图1所示，本发明实施例提供的光纤传感系统包括光源1，采用超辐射发光二极管SLD，其在1310nm附近有稳定的连续光谱输出。还包括起偏器4，其作用是将入射光转换为线偏光；45°熔接点将入射光均匀的分配到保偏光纤的快轴和慢轴上传输。相位调制器6对线偏振光施加一定的相位调制，使得沿快轴和慢轴传输的光产生一个受控的初始相位差。调制后的光经延时光纤再经过耦合器被平均分配为两路。
一路光经过45°熔接进入λ/4波片，两束沿快、慢轴的线偏振光变成左旋和右旋圆偏振光，进入到环绕电流导体的传感光纤。由于传输电流产生磁场带来的法拉第效应，两束偏振旋向相反的圆偏振光以不同的速度进行传输，从而两束圆偏振光之间产生和电流大小相关的相位差。两束不同旋向的圆偏振光经反射镜反射后，两束光的偏振模式发生互换(左旋光变成右旋光，右旋光变成左旋光)，从而再次受法拉第效应作用，且由于法拉第效应的非互易性，两束光之间由于磁场导致的相位差加倍。经过λ/4波片后两束旋向相反的圆偏振光变成模式互换的正交线偏光(原来的快轴线偏振光转换到慢轴，慢轴线偏振光转换到快轴)。
另一路光通过一段保偏光纤后，经过一段传感光纤，振动源模拟产生的外界环境振动会对在传感光纤中传输的光波施加一定的附加相位，经附加相位调制后的光波通过法拉第旋转镜将快轴和慢轴上的偏振光进行互换(即在快轴传输的光转换到慢轴，在慢轴传输的光转换到快轴)，返回后两束光再次经过振动源累加一定的附加相位。
两路光返回后经耦合器组合在一起，信号光经过延时光纤环再通过相位调制器被进行二次调制后，两束正交的线偏振光传输到起偏器处发生干涉，干涉光信号到达光电探测器，然后转换为电信号，接着由锁相放大器采集进行后续的数据处理从而可以得到待测电流的大小信息以及施加在振动源上的振动信息。实验过程中相位调制器的调制频率和锁相放大器的本地参考信号频率一致，从而可以提取出信号的一次谐波分量。
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)

1.一种同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，包括光源(1)、光电探测器(2)、第一耦合器(3)、起偏器(4)、锁相放大器(5)、相位调制器(6)、延时光纤环(7)、信号处理模块(8)、第二耦合器(9)、第一传感光纤环(10)、法拉第旋转镜(11)、λ/4波片(12)、第二传感光纤环(13)、反射镜(14)；光源(1)产生的光经过第一耦合器(3)进入起偏器(4)，所述起偏器(4)用于将输入光转换为线偏振光，所述线偏振光经过所述相位调制器(6)进行初始相位调制后，再经过延时光纤环(7)传输，并通过第二耦合器(9)分为两路；
一路光在传感光纤中传输的过程中受到振动，经附加相位调制后的光通过法拉第旋转镜(11)将快轴和慢轴上的偏振光进行互换，返回后两束偏振光再次受到振动，累加附加相位；
另一路光经过λ/4波片(12)转化为左旋和右旋圆偏振光，在第二传感光纤环(13)中传输受到电流产生的磁场带来的法拉第效应作用，产生和电流大小相关的相位差，两束不同旋向的圆偏振光经反射镜反射后，再次受法拉第效应作用，累加相位差，经过λ/4波片(12)后两束旋向相反的圆偏振光变成模式互换的正交线偏光；
两路光返回后经第二耦合器(9)组合在一起，经过延时光纤环(7)再通过相位调制器(6)被进行二次调制后，两束正交的线偏振光传输到起偏器(4)处发生干涉，干涉光信号到达光电探测器(2)后转换为电信号，由锁相放大器(5)采集后输入至信号处理模块(8)，所述信号处理模块(8)用于进行后续的数据处理，得到待测电流的大小信息以及振动信息。
2.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，所述起偏器(4)和所述相位调制器(6)通过45°熔接点熔接，所述起偏器(4)转换的线偏振光经过45°熔接点平均分配到保偏光纤的快轴和慢轴上。
3.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，所述λ/4波片(12)用于完成线偏振光到圆偏振光的转换，且其由一段椭圆芯保偏光纤构成。
4.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，所述法拉第旋转镜(11)用于完成光束偏振角度的变换。
5.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，光电探测器(2)输出的光强为：
Figure FDA0003558436440000021
式中，K为光电探测器的响应度，I0为光源的初始光强，
Figure FDA0003558436440000022
Figure FDA0003558436440000023
为相位调制器引入的总调制相位，τ为光两次经过相位调制器的时延差，
Figure FDA0003558436440000024
为光第一次经过相位调制器调制引入的相移，
Figure FDA0003558436440000025
为第二次经过相位调制器调制引入的相移，
Figure FDA0003558436440000026
为电流产生的相位差，N为第二传感光纤环在导线上缠绕的匝数，V为第二传感光纤环的维尔德常数，I为待测电流的大小，
Figure FDA0003558436440000027
为振动引入的附加相位差。
6.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，所述延时光纤环(7)用于使沿保偏光纤快轴和沿慢轴传播的线偏振光之间距离拉大，使其变成两束独立的偏振光。
7.根据权利要求1所述的同时测量电流和振动的光纤传感系统，其特征在于，所述锁相放大器(5)用于信号的提取与检测。
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