CN116359585A - 光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质。光纤电流传感器包括：光路模块、信号处理模块、光纤传感环、激励线圈、保偏光纤以及传感光纤，所述光路模块与所述保偏光纤的一端连接，所述保偏光纤的另一端通过波片与所述传感光纤一端连接，所述传感光纤的另一端沿所述光纤传感环的圆周方向环绕一圈后从所述光纤传感环伸出并与反射镜连接，所述激励线圈沿所述光纤传感环的圆周方向缠绕所述光纤传感环以及所述传感光纤，并与所述信号处理模块连接，所述光路模块还与所述信号处理模块连接。本发明测量结果不受温度、非线性的影响，测量精度高。

Description

光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及光纤传感相关技术领域，特别是一种光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质。

背景技术

光纤电流传感器(Fiber Optical Current Transformer：FOCT)是一种无源电子式电流传感器，采用全光纤光路实现电流信号的闭环检测，具有动态范围大、测量频带宽、抗电磁干扰性能好、体积小、重量轻、可测直流信号等优点。光纤电流传感器目前已在超/特高压直流输电工程、铝电解动力电流测量、铝电解槽分布电流测量、可控核聚变电流测量等领域或场合得到应用。但在实际运行中，光纤电流传感器易受温度、大电流非线性等因素影响，精度难以满足精确测量的需求。下面对典型的光纤电流传感器原理进行介绍。

光纤电流传感器基于法拉第磁光效应，如图1所示，普通光11’经过起偏器12’得到偏振光13’。当一束线偏振光13’沿磁场方向通过置于磁场中的旋光介质14’时，偏振光13’的偏振面将会发生旋转，这种现象被称为法拉第磁光效应。其中，旋光介质14’为法拉第材料。法拉第效应是介质内传播的光波与周围磁场的一种相互作用，旋转角度θ与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系，旋转的角度可以通过检偏器15’检出，旋转角度θ为：

θ＝VNI(1’)

式中V是光纤的费尔德常数，N为敏感环中光纤匝数，I是通电导体中的电流。根据式(1’)可知，电流与法拉第相移呈正比关系，通过测量旋转角度即可反推出电流的大小。

基于法拉第磁光原理而设计的光纤电流传感器，其光路原理示意图如图2所示，光源21’发出的光波经过耦合器22’分光后由起偏器23’起偏，形成线偏振光。耦合器22’可以为环形耦合器。起偏器也称为偏振器。线偏振光以45°注入保偏光纤24’，被均匀地注入到保偏光纤24’的X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，当这两束正交模式的光波以45°夹角经过λ/4波片25’后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤26’。在传感光纤26’中，由于穿过传感光纤26’的被测电流27’产生磁场法拉第效应，这两束圆偏振光以不同的速度传输；经传感光纤26’端面的镜面28’反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，再次穿过传感光纤26’，并再次和被测电流27’产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍，这两束光再次通过λ/4波片25’后，恢复为线偏振光，原来沿保偏光纤24’的X轴和Y轴进入波片25’的光波，此刻分别沿Y轴和X轴射出波片25’，并在起偏器23’处发生干涉。而光电探测器29’接收到的干涉光强信号可表述为：

式中P为干涉光强，即单位面积光功率，α为光路损耗，P₀为超辐射发光二极管(Superluminescent Diode，SLD)光源产生的光强，K为光电探测器的光电转换系数，

为法拉第相移。由于发生干涉的两束光，在光路的传输过程中，分别都通过了保偏光纤的X轴和Y轴与传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上有差别，因此返回探测器的光只携带了由法拉第效应产生的非互易性相位差。

从式(2’)中可以看出，光电探测器27’的输出存在不能区分电流方向、灵敏度低的缺点。为此，需要通过相位调制器28’对两束线偏振光进行相位调制，两束线偏振光被相位调制器210’调制后经过保偏延迟线211’通过波片25’进入传感光纤26’。目前，常见的相位调制方法有正弦波调制和方波调制。

然而，现有的相位调制方法，需要通过相位调制器210’对线偏振光进行相位调制，并需要经过保偏延迟线211’通过保偏光纤24’进入传感光纤26’。

因此，现有的相位调制方法存在如下问题：

1.需要由相位调制器施加相位调制器，相位调制器成本较高，导致传感器的成本也比较高；

2.传感光纤对温度敏感，在高低温下其维尔德常数会变化，因此容易受温度影响，测量精度不高；

3.四分之一波片会影响线性度，在大电流测量时，会有非线性误差，测量精度不高。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的光纤电流传感器容易受温度、非线性的影响，测量精度不高的技术问题，提供一种光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质。

本发明提供一种光纤电流传感器，包括：光路模块、信号处理模块、光纤传感环、激励线圈、保偏光纤以及传感光纤，所述光路模块与所述保偏光纤的一端连接，所述保偏光纤的另一端通过波片与所述传感光纤一端连接，所述传感光纤的另一端沿所述光纤传感环的圆周方向环绕一圈后从所述光纤传感环伸出并与反射镜连接，所述激励线圈沿所述光纤传感环的圆周方向缠绕所述光纤传感环以及所述传感光纤，并与所述信号处理模块连接，所述光路模块还与所述信号处理模块连接。

进一步地，所述光路模块包括光源、耦合器、起偏器以及光电探测器，所述光源依次通过所述耦合器以及所述起偏器与所述保偏光纤的一端连接，所述光电探测器的输入端与所述耦合器连接，所述光电探测器的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述激励线圈连接。

进一步地，所述光路模块包括光源、耦合器、起偏器、光电探测器、相位调制器以及光纤延时环，所述光源依次通过所述耦合器、所述起偏器、所述相位调制器以及所述光纤延时环与所述保偏光纤的一端连接，所述光电探测器的输入端与所述耦合器连接，所述光电探测器的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端分别与所述相位调制器以及所述激励线圈连接。

本发明提供一种如前所述的光纤电流传感器控制方法，包括，在每个调制周期：

在光路模块通过保偏光纤向所述传感光纤输出光的情况下，对所述光进行相位调制，且向激励线圈输出平衡电流；

在光路模块通过保偏光纤向所述传感光纤输出光的情况下，向激励线圈输出平衡电流；

从光路模块获取光经所述反射镜反射后所返回的返回光功率，根据所述返回光功率计算在本调制周期内的光强参数；

如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位。

进一步地，所述相位调制为方波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的光强差，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述光强差小于预设光强差阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强差确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+10＝φ_b(n)+K′ΔP(n)，其中，φ_b(n+1)为下一调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，ΔP(n)为当前调制周期的光强差。

进一步地所述相位调制为正弦波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的一次谐波振幅，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述一次谐波振幅小于预设振幅阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述一次谐波振幅确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+1)＝φ_b(n)+K′S₁，其中，φ_b(n+1)为下一调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，S₁为当前调制周期的一次谐波振幅。

进一步地，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈输出平衡电流，具体包括：向激励线圈输出采用反馈相位的平衡电流和用于光相位调制的调制电流，所述调制电流对所述光进行相位调制。

进一步地，所述光路模块还包括相位调制器，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈输出平衡电流，具体包括：控制所述相位调制器对所述光进行相位调制，且向激励线圈输出平衡电流。

本发明提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被至少一个所述处理器执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器执行，以使至少一个所述处理器能够执行如前所述的光纤电流传感器控制方法。

本发明提供一种存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机执行所述计算机指令时，用于执行如前所述的光纤电流传感器控制方法的所有步骤。

本发明将传感光纤绕光纤传感环圆周方向环绕，并通过激励线圈缠绕光纤传感环与传感光纤，从而通过激励线圈施加平衡电流，使传感器磁势处于平衡状态，因此测量结果不受温度、非线性的影响，测量精度高。激励线圈同时能够实现施加平衡电流和调制电流，在某些测量场合，无需价格昂贵的光学相位调制器和光纤延时环，实现低成本光纤电流传感器产品。

附图说明

图1为法拉第磁光效应示意图；

图2为现有技术基于法拉第磁光原理而设计的光纤电流传感器的结构示意图；

图3为不同次谐波分量的幅值比值示意图；

图4为现有技术的用于调制的方波示意图；

图5为现有技术的方波调制示意图；

图6为本发明一实施例一种光纤电流传感器的结构示意图；

图7为本发明另一实施例一种光纤电流传感器的结构示意图；

图8为本发明再一实施例一种光纤电流传感器的结构示意图；

图9为本发明一实施例中一种如前所述的光纤电流传感器控制方法的工作流程图；

图10为本发明一种电子设备的硬件结构示意图。

标记说明

11’-普通光；12’-起偏器；13’-偏振光；14’-法拉第材料；15’检偏器；21’-光源；22’-耦合器；23’-起偏器；24’-保偏光纤；25’-波片；26’-传感光纤；27’-被测电流；28’-镜面；29’-光电探测器；

1-光路模块；11-光源；12-耦合器；13-起偏器；14-探测器；15-相位调制器；16-光纤延时环；17-第二数模转换器；2-信号处理模块；21-信号处理电路；22-模数转换器；23-第一数模转换器；3-光纤传感环；31-环形槽；4-激励线圈；5-保偏光纤；6-传感光纤；7-波片；8-反射镜；9-功率放大器。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

现有技术针对图2的光纤电流传感器，采用正弦波和方波调制，现有的调制方法分别介绍如下。

正弦波调制算法原理

根据图2的光路工作原理，对于正弦波调制的FOCT，其调制电压信号为：

φ(t)＝φ_ωsinωt (3’)

式中φ_ω和ω分别为调制信号的幅度及角频，t为时间。

设τ为经过保偏光纤和传感光纤中的时间延时，这样两束相干光所产生的相位调制为：

令φ_m＝2φ_ωsin(ωτ/2)并定义为调制深度，令t′＝t-τ/2，得到返回光功率P(t)：

对上式进行一类Bessel展开，可以得到：

上式中J_n(φ_m)表示φ_m的n阶贝塞尔函数。

根据式(6’)提取1～4次谐波的幅值有

S₁＝-αP₀KJ₁(φ_m)sinφ_s (7’)

S₂＝-αP₀KJ₂(φ_m)cosφ_s (8’)

S₃＝αP₀KJ₃(φ_m)sinφ_s (9’)

S₄＝αP₀KJ₄(φ_m)cosφ_s (10’)

联立式(8’)和式(10’)可以得到

由式(11’)可知，二次谐波和四次谐波分量的幅值的比值独立于光源强度和导体电流产生相位差，仅与调制深度φ_m有关。因此，可通过上式并结合二次谐波与四次谐波幅值比值与调制深度φ_m的对应关系(见图3)获取当前调制深度状态。

联立式(7’)和式(8’)可以得到：

变形可得：

由式(11’)可以获取系统调制深度状态，结合二次谐波与一次谐波幅值比值与调制深度φ_m的对应关系(见图3)在计算得到一次谐波幅值与二次谐波幅值时可以根据式(13’)获取被测电流信息。

方波调制工作原理

相位调制器在这里的有重要意义。首先，如果是直接进行测量，那么系统受到环境的干扰时被测相位会产生随机漂移，从而引入测量误差，此外相位漂移还会导致信号衰减。其次，通过相位调制器实现了闭环检测。一方面检测电路驱动相位调制器产生的反馈相移Δφ_F与Δφ大小相等方向相反，即Δφ_F＝-Δφ。通过检测反馈信号信号的大小，则能确定相位，即高压电流的大小。另一方面，由余弦函数性质可知，在零位附近，光功率与电流之间的灵敏度最低。为了提高系统的动态检测范围，检测电路驱动相位调制器，使干涉的两束偏振光引入一个π/2的恒定非互易相位差，使得闭环检测获得最高的灵敏度。

如图4所示，调制方波为：

调制频率为系统的本征频率f₀＝1/2τ，其中τ为光前后两次通过相位调制器的传输时间，两束相干光之间引入了时变的非互易相移：

故系统交替的工作在±π/2的工作点上。没有电流时，干涉仪输出为一条直线，

P_D(0,-π/2)＝P_D(0,π/2)＝P₀ (17’)

其中，P_D为返回光的光强，P₀为输出光的光强。

当存在电流时，如图5所示，干涉仪的输出变为一个与调制方波同频同相的方波信号：

其中

为电流产生的法拉第相移，联立上两式则可以解算出/>

的大小，代表了被测电流的大小。

然而，无论是正弦波调制还是方波调制，现有技术仅通过相位调制器对光进行调制，其容易受温度、非线性的影响，测量精度不高。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种光纤电流传感器、控制方法、电子设备及存储介质。

如图6所示为本发明一实施例一种光纤电流传感器的结构示意图，包括：光路模块1、信号处理模块2、光纤传感环3、激励线圈4、保偏光纤5以及传感光纤6，所述光路模块1与所述保偏光纤5的一端连接，所述保偏光纤5的另一端通过波片7与所述传感光纤6一端连接，所述传感光纤6的另一端沿所述光纤传感环3的圆周方向环绕一圈后从所述光纤传感环3伸出并与反射镜8连接，所述激励线圈4沿所述光纤传感环3的圆周方向缠绕所述光纤传感环3以及所述传感光纤6，并与所述信号处理模块2连接，所述光路模块1还与所述信号处理模块2连接。

具体来说，被测电流穿过光纤传感环3，优选地，被测电线沿光纤传感环3的轴线延伸，光纤电流传感器用于检测被测电线内的被测电流的电流值。

其中，光路模块1向保偏光纤5输出光源，光源从保偏光纤5通过波片7进入传感光纤6。传感光纤6沿光纤传感环3的圆周方向环绕一圈后从光纤传感环3伸出并与反射镜8连接，然后经由反射镜8反射后重新经由传感光纤6、波片7、保偏光纤5返回光路模块1，并由光路模块1检测返回光的返回光功率，并传输到信号处理模块2。其中，优选地，波片7为四分之一波长波片。其中，四分之一波长波片是指波长为光纤拍长的四分之一的波片。

激励线圈4沿光纤传感环3的圆周方向同时缠绕光纤传感环3以及传感光纤6。信号处理模块2向激励线圈4输出平衡电流，通过平衡电流产生的磁通平衡被测电流产生的磁通。同时，信号处理模块2根据光路模块1传输的返回光功率，调制平衡电流的反馈相位以及根据平衡电流的电流值确定被测电流的电流值。

本发明将传感光纤绕光纤传感环圆周方向环绕，并通过激励线圈缠绕光纤传感环与传感光纤，从而通过激励线圈施加平衡电流，使传感器磁势处于平衡状态，因此测量结果不受温度、非线性的影响，测量精度高。激励线圈同时能够实现施加平衡电流(即用于反馈的反馈电流)和调制电流，在某些测量场合，无需价格昂贵的光学相位调制器和光纤延时环，实现低成本光纤电流传感器产品。

在其中一个实施例中，所述光纤传感环3设有沿圆周方向的环形槽31以及与所述环形槽31连通的开口，所述传感光纤6从所述开口进入所述环形槽31，沿所述光纤传感环3的圆周方向环绕一圈后从所述开口离开所述环形槽31并与所述反射镜8连接。

本实施例通过光纤传感环内的环形槽容置并限制传感光纤沿光纤传感环圆周方向延伸，保证传感光纤的形状，提高测量准确性。

在其中一个实施例中，还包括功率放大器9，所述信号处理模块2通过所述功率放大器9与所述激励线圈4连接。

如图7所示，在其中一个实施例中，所述光路模块1包括光源11、耦合器12、起偏器13以及光电探测器14，所述光源11依次通过所述耦合器12以及所述起偏器13与所述保偏光纤5的一端连接，所述光电探测器14的输入端与所述耦合器12连接，所述光电探测器14的输出端与所述信号处理模块2的输入端连接，所述信号处理模块2的输出端与所述激励线圈4连接。

本实施例所采用的光路模块1不设置相位调制器和光纤延时环。光源11发出的光波经过耦合器12分光后由起偏器13起偏，形成线偏振光，线偏振光以45°注入保偏光纤5，被均匀地注入到保偏光纤5的X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，当这两束正交模式的光波以45°夹角经过波片7后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤6。在传感光纤6中，由于穿过传感光纤6的被测电流产生磁场法拉第效应，这两束圆偏振光以不同的速度传输；经传感光纤6端面的反射镜8反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，再次穿过传感光纤6，并再次和被测电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍，这两束光再次通过波片7后，恢复为线偏振光，原来沿保偏光纤5的X轴和Y轴进入波片7的光波，此刻分别沿Y轴和X轴射出波片7，并在起偏器13处发生干涉，光电探测器14测量得到返回光的返回光功率，并发送到信号处理模块2。

信号处理模块2根据测量得到的返回光功率，调制向激励线圈4输出的平衡电流的反馈相位以及根据平衡电流的电流值确定被测电流的电流值。另外，信号处理模块2向激励线圈4同时输出调制电流。

本实施例激励线圈同时能够实现施加平衡电流和调制电流，在某些测量场合，无需价格昂贵的光学相位调制器和光纤延时环，实现低成本光纤电流传感器产品。

在其中一个实施例中，信号处理模块2包括信号处理电路21、模数(AD)转换器22、第一数模(DA)转换器23，所述光电探测器14通过所述模数转换器22与所述信号处理电路21的输入端电连接，所述信号处理电路21的输出端与所述第一数模转换器23电连接，所述第一数模转换器23与激励线圈4电连接。

优选地，第一数模转换器23通过功率放大器9与所述激励线圈4电连接。

如图8所示，在其中一个实施例中，所述光路模块1包括光源11、耦合器12、起偏器13、光电探测器14、相位调制器15以及光纤延时环16，所述光源11依次通过所述耦合器12、所述起偏器13、所述相位调制器15以及所述光纤延时环16与所述保偏光纤5的一端连接，所述光电探测器14的输入端与所述耦合器12连接，所述光电探测器14的输出端与所述信号处理模块2的输入端连接，所述信号处理模块2的输出端分别与所述相位调制器15以及所述激励线圈4连接。

具体来说，光源11发出的光波经过耦合器12分光后由起偏器13起偏，形成线偏振光，线偏振光以45°注入保偏光纤5，被均匀地注入到保偏光纤5的X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，当这两束正交模式的光波以45°夹角经过波片7后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤6。在传感光纤6中，由于穿过传感光纤6的被测电流产生磁场法拉第效应，这两束圆偏振光以不同的速度传输；经传感光纤6端面的反射镜8反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，再次穿过传感光纤6，并再次和被测电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍，这两束光再次通过波片7后，恢复为线偏振光，原来沿保偏光纤5的X轴和Y轴进入波片7的光波，此刻分别沿Y轴和X轴射出波片7，并在起偏器13处发生干涉，光电探测器14测量得到返回光的返回光功率，并发送到信号处理模块2。

信号处理模块2根据测量得到的返回光功率，调制向激励线圈4输出的平衡电流的反馈相位以及根据平衡电流的电流值确定被测电流的电流值。

同时，本实施例增加相位调制器15和光纤延时环16。相位调制器15对两束线偏振光进行相位调制，两束线偏振光被相位调制器15调制后经过光纤延时环16进入保偏光纤5，然后通过波片7进入传感光纤6。信号处理模块2控制相位调制器15的调制相位。

在其中一个实施例中，信号处理模块2包括信号处理电路21、模数转换器22、第一数模转换器23，所述光路模块1还包括第二数模转换器17，所述光电探测器14通过所述模数转换器22与所述信号处理电路21的输入端电连接，所述信号处理电路21的输出端与所述第一数模转换器23电连接，所述第一数模转换器23与激励线圈4电连接，所述信号处理电路21的输出端还通过所述第二数模转换器17与所述相位调制器15电连接。

优选地，第一数模转换器23通过功率放大器9与所述激励线圈4电连接。

如图9所示为本发明一实施例中一种如前所述的光纤电流传感器控制方法的工作流程图，包括，在每个调制周期：

步骤S901，在光路模块1通过保偏光纤5向所述传感光纤6输出光的情况下，对所述光进行相位调制，且向激励线圈4输出平衡电流；

步骤S902，从光路模块1获取光经所述反射镜8反射后所返回的返回光功率，根据所述返回光功率计算在本调制周期内的光强参数；

步骤S903，如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位。

具体来说，本实施例的光纤电流传感器控制方法可以由信号处理模块2执行。以预设时长作为调制周期。在每个调制周期内，执行步骤S901至步骤S903。

被测电流穿过光纤传感环3，优选地，被测电线沿光纤传感环3的轴线延伸。

首先执行步骤S901，在光路模块1的光源发出的光波通过保偏光纤5向所述传感光纤6输出光的同时，对光采用调制信号进行相位调制，并向激励线圈4输出平衡电流。施加的调制信号可以为正弦波或方波，调制信号的相位为调制相位。然后，执行步骤S902，通过光路模块1的光电探测器获取返回光功率，并计算本调制周期内的光强参数。之后执行步骤S903，如果光强参数小于预设阈值，则将平衡电流的电流值作为穿过光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据光强差确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，然后在下一调制周期继续执行步骤S901至步骤S903。其中，每一调制周期的平衡电流的反馈相位在上一调制周期中确定。

本发明将传感光纤绕光纤传感环圆周方向环绕，并通过激励线圈缠绕光纤传感环与传感光纤，从而通过激励线圈施加平衡电流，使传感器磁势处于平衡状态，因此测量结果不受温度、非线性的影响，测量精度高。

在其中一个实施例中，所述相位调制为方波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的光强差，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述光强差小于预设光强差阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强差确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+1)＝φ_b(n)+K′ΔP(n)，其中，φ_b(n+1)为下一(第n+1个)调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前(第n个)调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，ΔP(n)为当前调制周期的光强差。

对于方波调制，探测器返回光功率为：

其中±φ_m为对光调制施加的方波调制相位，可通过相位调制器施加，也可以通过激励线圈电流施加，例如通过功率放大器和激励线圈电路施加。另外，α为光路损耗，P₀为光源产生的光强，K为光电探测器的光电转换系数，φ_s为法拉第相移。

而φ_b为反馈相位，通过激励线圈电流施加，优选地通过功率放大器与激励线圈施加，理论上与被测电流产生的相位φ_s大小相等、符号相反。

则上式为：

其中Δφ＝φ_s+φ_b为接近于0的量值。

上式可写成：

其中，公式(4)计算方波正半调制周期的返回光功率P(n₁)，公式(5)计算方波负半调制周期的返回光功率P(n₂)。

(5)-(4)式得

ΔP(n)＝αKP₀sinΔφsinφ_m (6)

光强差为调制周期内方波为正时的方波正半调制周期的光强与方波为负时的方波负半调制周期的光强。由于光强采用功率表示，因此，方波正半调制周期的返回光功率与方波负半调制周期的返回光功率的差值即为调整周期的光强差。因此，公式(6)计算得到调制周期的光强差。

由于Δφ为小量，则上式为：

ΔP(n)＝αKP₀sinφ_m·Δφ (6)

可见测得光强差与当前调制周期的电流变化量成正比，设置反馈系数K′，将ΔP(n)积分至平衡电流φ_b之中，则

φ_b(n+1)＝φ_b(n)+K′ΔP(n) (7)

在上述调制方案中，Δφ将逐步接近零值，则平衡电流与被测电流将达到磁势平衡，则施加的平衡电流大小即为被测电流值。

在其中一个实施例中，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈4输出平衡电流，具体包括：向激励线圈4输出采用反馈相位的平衡电流和采用调制相位的调制电流，所述调制电流对所述光进行调制。

其中，可以分别计算平衡电流和调制电流的大小，然后向激励线圈施加两个电流的和。另外，可以向激励线圈输出采用反馈相位的方波平衡电流和采用调制相位的方波调制电流。

对于如图7所示的实施例，由信号处理模块2通过功率放大器9控制激励线圈4施加采用反馈相位的方波平衡电流和采用调制相位的方波调制电流。

在其中一个实施例中，所述光路模块1还包括相位调制器15，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈4输出平衡电流，具体包括：控制所述相位调制器15采用调制相位对所述光进行调制，且向激励线圈4输出平衡电流。

其中，可以采用调制相位对输出光进行方波调制。

对于如图8所示的实施例，由相位调制器15采用调制相位对光源11的输出光进行方波调制。

在其中一个实施例中，所述相位调制为正弦波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的一次谐波振幅，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述一次谐波振幅小于预设振幅阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环3的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述一次谐波振幅差确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+1)＝φ_b(n)+K′S₁，其中，φ_b(n+1)为下一(第n+1个)调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前(第n个)调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，S₁为当前调制周期的一次谐波振幅。

对于正弦波调制，探测器返回光功率为：

其中φ_mcosωt为施加的正弦调制相位，可通过相位调制器施加，或通过激励线圈电流施加，例如通过功率放大器和激励线圈电路施加。另外，α为光路损耗，P₀为光源产生的光强，K为光电探测器的光电转换系数，φ_s为法拉第相移，t为时间，ω为角频率。

φ_b为反馈相位，通过功率放大器和激励线圈电流施加，理论上与被测电流产生的相位φ_s大小相等、符号相反。则上式为

对上式进行一类Bessel展开，可以得到：

上式中J_i(φ_m)表示φ_m的i阶贝塞尔函数。

根据式(10)提取1次谐波的幅值有

S₁＝-αP₀KJ₁(φ_m)sinΔφ≈-αP₀KJ₁(φ_m)·Δφ (11)

测得一次谐波幅值S1与当前调制周期的电流变化量引起的相位Δφ成正比，设置反馈系数K′，将S1积分至平衡电流φ_b之中，则

φ_b(n+1)＝φ_b(n)+K′S₁

在上述调制方案中，Δφ将逐步接近零值，则平衡电流与被测电流将达到磁势平衡，则施加的平衡电流大小即为被测电流值。

在其中一个实施例中，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈4输出平衡电流，具体包括：向激励线圈4输出采用反馈相位的平衡电流和采用调制相位的调制电流，所述调制电流对所述光进行调制。

其中，可以分别计算平衡电流和调制电流的大小，然后向激励线圈施加两个电流的和。另外，可以向激励线圈输出采用反馈相位的正弦波平衡电流和采用调制相位的正弦波调制电流。

对于如图7所示的实施例，由信号处理模块2通过功率放大器9控制激励线圈4施加采用反馈相位的正弦波平衡电流和采用调制相位的正弦波调制电流。

所述光路模块1还包括相位调制器15，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈4输出平衡电流，具体包括：控制所述相位调制器15采用调制相位对所述光进行调制，且向激励线圈4输出平衡电流。

其中，可以采用调制相位对输出光进行正弦波调制。

对于如图8所示的实施例，由相位调制器15采用调制相位对光源11的输出光进行正弦波调制。

如图10所示为本发明一种电子设备的硬件结构示意图，包括：

至少一个处理器1001；以及，

与至少一个所述处理器1001通信连接的存储器1002；其中，

所述存储器1002存储有可被至少一个所述处理器执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器执行，以使至少一个所述处理器能够执行如前所述的光纤电流传感器控制方法。

图10中以一个处理器1001为例。

电子设备还可以包括：输入装置1003和显示装置1004。

其中，电子设备优选为本申请光纤电流传感器的信号处理模块2中具有计算处理能力的电子设备。例如，信号处理模块2中的信号处理电路21中包括处理器，以执行本申请所述的光纤电流传感器控制方法。

处理器1001、存储器1002、输入装置1003及显示装置1004可以通过总线或者其他方式连接，图中以通过总线连接为例。

存储器1002作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的光纤电流传感器控制方法对应的程序指令/模块，例如，图9所示的方法流程。处理器1001通过运行存储在存储器1002中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的光纤电流传感器控制方法。

存储器1002可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据光纤电流传感器控制方法的使用所创建的数据等。此外，存储器1002可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器1002可选包括相对于处理器1001远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至执行光纤电流传感器控制方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置1003可接收输入的用户点击，以及产生与光纤电流传感器控制方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。显示装置1004可包括显示屏等显示设备。

在所述一个或者多个模块存储在所述存储器1002中，当被所述一个或者多个处理器1001运行时，执行上述任意方法实施例中的光纤电流传感器控制方法。

本发明将传感光纤绕光纤传感环圆周方向环绕，并通过激励线圈缠绕光纤传感环与传感光纤，从而通过激励线圈施加平衡电流，使传感器磁势处于平衡状态，因此测量结果不受温度、非线性的影响，测量精度高。激励线圈同时能够实现施加反馈电流和调制电流，在某些测量场合，无需价格昂贵的光学相位调制器和光纤延时环，实现低成本光纤电流传感器产品。

本发明一实施例提供一种存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机执行所述计算机指令时，用于执行如前所述的光纤电流传感器控制方法的所有步骤。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤电流传感器，其特征在于，包括：光路模块(1)、信号处理模块(2)、光纤传感环(3)、激励线圈(4)、保偏光纤(5)以及传感光纤(6)，所述光路模块(1)与所述保偏光纤(5)的一端连接，所述保偏光纤(5)的另一端通过波片(7)与所述传感光纤(6)一端连接，所述传感光纤(6)的另一端沿所述光纤传感环(3)的圆周方向环绕一圈后从所述光纤传感环(3)伸出并与反射镜(8)连接，所述激励线圈(4)沿所述光纤传感环(3)的圆周方向缠绕所述光纤传感环(3)以及所述传感光纤(6)，并与所述信号处理模块(2)连接，所述光路模块(1)还与所述信号处理模块(2)连接。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于，所述光路模块(1)包括光源(11)、耦合器(12)、起偏器(13)以及光电探测器(14)，所述光源(11)依次通过所述耦合器(12)以及所述起偏器(13)与所述保偏光纤(5)的一端连接，所述光电探测器(14)的输入端与所述耦合器(12)连接，所述光电探测器(14)的输出端与所述信号处理模块(2)的输入端连接，所述信号处理模块(2)的输出端与所述激励线圈(4)连接。

3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于，所述光路模块(1)包括光源(11)、耦合器(12)、起偏器(13)、光电探测器(14)、相位调制器(15)以及光纤延时环(16)，所述光源(11)依次通过所述耦合器(12)、所述起偏器(13)、所述相位调制器(15)以及所述光纤延时环(16)与所述保偏光纤(5)的一端连接，所述光电探测器(14)的输入端与所述耦合器(12)连接，所述光电探测器(14)的输出端与所述信号处理模块(2)的输入端连接，所述信号处理模块(2)的输出端分别与所述相位调制器(15)以及所述激励线圈(4)连接。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的光纤电流传感器控制方法，其特征在于，包括，在每个调制周期：

在光路模块(1)通过保偏光纤(5)向所述传感光纤(6)输出光的情况下，对所述光进行相位调制，且向激励线圈(4)输出平衡电流；

从光路模块(1)获取光经所述反射镜(8)反射后所返回的返回光功率，根据所述返回光功率计算在本调制周期内的光强参数；

如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环(3)的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位。

5.根据权利要求4所述的光纤电流传感器控制方法，其特征在于，所述相位调制为方波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的光强差，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环(3)的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述光强差小于预设光强差阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环(3)的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强差确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+10＝φ_b(n)+K′ΔP(n)，其中，φ_b(n+1)为下一调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，ΔP(n)为当前调制周期的光强差。

6.根据权利要求4所述的光纤电流传感器控制方法，其特征在于，所述相位调制为正弦波调制，所述光强参数为根据所述返回光功率计算的一次谐波振幅，所述如果所述光强参数小于预设阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环(3)的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述光强参数确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位，具体包括：

如果所述一次谐波振幅小于预设振幅阈值，则将所述平衡电流的电流值作为穿过所述光纤传感环(3)的被测电流的电流值，结束测试，否则根据所述一次谐波振幅确定下一调制周期的平衡电流的反馈相位为：

φ_b(n+10＝φ_b(n)+K′S₁，其中，φ_b(n+1)为下一调制周期的反馈相位，φ_b(n)为当前调制周期的反馈相位，K’为反馈系数，S₁为当前调制周期的一次谐波振幅。

7.根据权利要求4所述的光纤电流传感器控制方法，其特征在于，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈(4)输出平衡电流，具体包括：向激励线圈(4)输出采用反馈相位的平衡电流和用于光相位调制的调制电流，所述调制电流对所述光进行相位调制。

8.根据权利要求4所述的光纤电流传感器控制方法，其特征在于，所述光路模块(1)还包括相位调制器(15)，所述对所述光进行相位调制，且向激励线圈(4)输出平衡电流，具体包括：控制所述相位调制器(15)对所述光进行相位调制，且向激励线圈(4)输出平衡电流。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被至少一个所述处理器执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器执行，以使至少一个所述处理器能够执行如权利要求4至8任一项所述的光纤电流传感器控制方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储计算机指令，当计算机执行所述计算机指令时，用于执行如权利要求4至8任一项所述的光纤电流传感器控制方法的所有步骤。

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