CN117405960A - 一种检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种检测装置及检测方法，解决现有技术电流检测准确度低的技术问题。检测装置包括方波光信号输出单元、传感单元、光电探测器以及控制器，其中，方波光信号输出单元设有两个可切换开启的光输出端；传感单元用于感应所述磁场或所述电流；光电探测器设有两个，两个光电探测器用于将所述两束传递光转换为表征值，且分别耦合连接于传感单元的两个输出端；控制器用于根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、所述传感单元当前所处温度以及关系式，计算电流或磁场。本申请提供的检测装置消除装置自身材料温度特性的影响以及消除光路损耗系数的影响，提高了电流和磁场的检测准确度。

Description

一种检测装置及检测方法

技术领域

本申请属于电流检测技术领域，具体涉及一种检测装置及检测方法。

背景技术

光纤电流传感器作为检测导体电流的传感器，其以光学Faraday磁光效应原理为基础，具有较高的灵敏度和较大的动态测量范围、体积小，重量轻，便于运输和安装、抗电磁干扰能力强。光纤电流传感器根据其实现方式的不同主要可分为磁光晶体型、块状玻璃型以及全光纤型等。

现有技术中，双光路偏振式电流传感器易受光源波动以及双光路损耗不平衡的影响，导致测量精度低。

因此，亟需一种电流测量精度高的偏振式电流传感器。

发明内容

为解决目前电流传感器检测精度低的技术问题，本申请提供一种检测装置及检测方法。

在本申请的第一方面，提供一种检测装置，用于检测待测磁场或通过导体的待测电流，包括：

方波光信号输出单元，设有两个可切换开启的光输出端，以导通第一传递光路和第二传递光路，所述光输出端用于输出被方波信号调制后的传输光；

传感单元，用于感应所述磁场或所述电流，所述传感单元设有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别耦合连接于两个所述光输出端，两个所述输出端用于输出任一所述输入端输入的传输光被所述磁场或所述电流感应后的两束传递光；

两个光电探测器，用于将所述两束传递光转换为表征值，且分别耦合连接于所述传感单元的两个输出端；

控制器，用于根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数V与所述传感单元所处温度T₁的关系以及关系式，计算电流或磁场，所述关系式为第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)和第二光相位延迟角解调表达式，或，所述关系式为第二光相位延迟角解调表达式；所述第一光强不等于所述第二光强，所述第一光相位延迟角为传感单元所处温度引起的光相位延迟角，所述第二光相位延迟角为法拉第磁光效应以及传感单元所处温度引起的光相位延迟角之和。

在一些实施方式中，所述传感单元为反射传感单元，所述反射传感单元设有两个分别用于连接所述光输出端的传感接口，所述传感接口形成所述输入端以及所述输出端；

所述电流检测装置还包括两个均具有第一端口、第二端口和第三端口的光学装置，所述光学装置、所述光输出端以及所述传感接口均一一对应设置，所述光学装置的第一端口耦合连接于对应所述光输出端，所述第二端口耦合连接于对应的传感接口，以将所述光输出端输出的方波光信号从第一端口依次传输至所述第二端口以及所述反射传感单元，并将被所述电流或磁场感应后的两束反射光依次传输至所述第二端口以及所述第三端口；

两个所述光学装置的第三端口分别耦合连接于两个所述光电探测器。

在一些实施方式中，所述方波光信号输出单元包括：

光源，用于输出测量光；

光调制器，用于利用方波信号将所述测量光调制为方波光信号，所述光调制器设有调制输入端、方波信号输入端以及调制输出端，所述调制输入端耦合连接于所述光源；

光开关，设有两个可切换的所述光输出端以及耦合连接于所述调制输出端的光输入端。

在一些实施方式中，在所述待测磁场为恒定磁场或所述待测电流为直流电时，所述检测装置还包括用于检测所述传感单元当前所处温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器电连接。

在本申请的第二方面，提供一种磁场或电流检测方法，适用于前述的检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

测量步骤：传感单元感应待测磁场或者待测电流，依次开启方波光信号输出单元的两个光输出端，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值；

计算步骤：控制器根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数V与所述传感单元所处温度T₁的关系以及关系式，计算电流或磁场，所述关系式为第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)和第二光相位延迟角解调表达式，或，所述关系式为第二光相位延迟角解调表达式，所述第一光相位延迟角为传感单元所处温度引起的光相位延迟角，所述第二光相位延迟角为法拉第磁光效应以及传感单元所处温度引起的光相位延迟角之和。

在一些实施方式中，第二光相位延迟角与表征值的解调表达式为：

或

其中，4V(T₁)R为传感单元位置处的温度为T₁条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角，在检测待测磁场时，R为HL，其中H表示待测磁场的磁感应强度，L表示传感单元的感应件的长度，R＝NI，N为传感单元的感应件的缠绕圈数，I为待测导体的交流电流；△U_11M为一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_12M为另一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_21M为一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_22M为另一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值。

在一些实施方式中，在所述待测磁场或者待测导体具有直流特征时，所述关系式为第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)和第二光相位延迟角解调表达式；

在所述待测磁场或者待测导体具有交流特征时，所述计算步骤包括：

将R＝0时刻的测量表征值以及R＝0代入所述第二光相位延迟角解调表达式，以解调出传感单元所处温度下的第一光相位延迟角θ₁；

将传感单元当前所处温度T₁代入维尔德常数V与所述传感单元所处温度T的关系式，

计算得到维尔德常数V；

将所述维尔德常数V、所述第二光相位延迟角θ₁以及待测电流R≠0时刻的测量表征值代入上式，计算出具有交流特征的电流或磁场。

在一些实施方式中，所述计算步骤还包括：

将解调出的所述第一光相位延迟角θ₁代入第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，计算得到传感单元所处温度T1。

在一些实施方式中，所述第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)通过下述方法获得：

步骤1：依次开启方波光信号输出单元的两个光输出端，传感单元感应标定交流电流，在交流电流I＝0时，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值；

步骤2：根据步骤1中得到的八个标定表征值和执行步骤1时的传感单元温度，获得传感单元当前温度下的第一光相位延迟角θ₁；

步骤3：多次调整传感单元的温度，重复步骤1和步骤2，获得多个传感单元温度下的第二光相位延迟角θ₁；

步骤4：将步骤3的多个传感单元温度下的光相位延迟角θ₁拟合，得到第一光相位延迟角与温度T1的关系式θ₁(T₁)。

在一些实施方式中，所述维尔德常数V与所述传感单元所处温度T1的关系通过下述方法获得：

执行步骤1的过程中，获取电流I为设定值时，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值；

执行步骤2的过程中，根据步骤1中得到的八个设定表征值和执行步骤1时的传感单元温度，获得传感单元当前温度下的4V(T₁)R+4θ₁(T₁)，并与传感单元当前温度下的光相位延迟角θ₁作差，获得4V(T₁)R的值；

执行步骤3的过程中：获得多个传感单元温度下的4V(T₁)R的值；

执行步骤4的过程中，将多个传感单元温度下的4V(T₁)R的值拟合，得到所述维尔德常数V与所述传感器所处温度T1的关系。

根据本申请实施例提供的检测装置，用于检测磁场或待测导体的电流，检测装置包括方波光信号输出单元、传感单元、光电探测器以及控制器，其中，方波光信号输出单元设有两个可切换开启的光输出端，以导通第一传递光路和第二传递光路，所述光输出端用于输出被方波信号调制后的传输光；传感单元用于感应所述磁场或所述电流，所述传感单元设有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别耦合连接于两个所述光输出端，两个所述输出端用于输出任一所述输入端输入的传输光被所述磁场或所述电流影响后的两束传递光；光电探测器设有两个，两个光电探测器用于将所述两束传递光转换为表征值，且分别耦合连接于两个所述输出端；控制器用于根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数V与温度T的关系、所述传感单元当前所处温度T₁以及关系式，计算电流或磁场，所述关系式为光相位延迟角与温度的关系式θ₁(T₁)和光相位延迟角解调表达式，或，所述关系式为光相位延迟角解调表达式；所述第一光强不等于所述第二光强。

由于本申请采用两个光电探测器分别检测不同传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值，并结合光相位延迟角与温度的关系式θ₁(T₁)，而本申请的光相位延迟角与温度的关系式θ₁(T₁)为当前测量装置的关系式，因此可以消除装置自身材料温度特性的影响；光相位延迟角与表征值的解调表达式已经消除光路损耗系数的影响，因此进一步提高了电流和磁场的检测准确度。

附图说明

图1示出了本申请实施例的测量装置中传感单元为反射传感单元且感应件为光纤时的结构示意图。

图2示出了本申请另一个实施例的测量装置中传感单元为反射传感单元且感应件为磁光晶体时的结构示意图。

图3示出了图2的测量装置中的光学装置的结构示意图。

图4示出了本申请在一个实施例的测量装置中传感单元为透射传感单元且感应件为磁光晶体时的结构示意图。

附图标记说明：

100-方波光信号输出单元，110-光源，120-光调制器，130-光开关；

200-传感单元，210-双光纤准直器，220-沃拉斯顿棱镜，230-22.5°法拉第旋转器，240-单光纤准直器，250-传感光纤，260-法拉第反射镜，270-磁光晶体；

300-光电探测器；

400-光学装置，410-第一端口，420-第二端口，430-第三端口。

500-待测导体。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请第一方面实施例，提供一种检测装置，用于检测磁场或待测导体的电流，例如磁铁等磁性件周围空间的恒定磁场，或者交变磁场，电流可以为待测导体的恒定电流，或者交变电流，采用本申请的检测装置，磁场或电流的检测准确度高。

请参阅图1、图2以及图4，本申请实施例提供的检测装置包括方波光光信号输出单元100、传感单元200、光电探测器300以及控制器，其中：方波光信号输出单元100设有两个可切换开启的光输出端，以导通第一传递光路和第二传递光路，光输出端用于输出被方波信号调制后的传输光；传感单元200用于感应磁场或电流，传感单元200设有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别耦合连接于两个光输出端，两个输出端用于输出任一输入端输入的传输光被磁场或电流感应后的两束传递光；光电探测器300设有两个，光电探测器300用于将两束传递光转换为表征值，两个光电探测器300分别耦合连接于两个输出端；控制器用于根据光电探测器300在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数V与传感单元所处温度T的关系、传感单元200当前所处温度T₁以及关系式，计算电流或磁场，关系式包括第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，第二光相位延迟角解调表达式，或表达式为第二光相位延迟角与表征值的解调表达式，第一光相位延迟角为传感单元所处温度引起的光相位延迟角，第二光相位延迟角为法拉第效应以及传感单元所处温度引起的光相位延迟角之和；第一光强不等于第二光强。

方波光信号输出单元100的光输出端输出的光信号为方波形式的光信号，使得光信号在第一光强以及第二光强下均能保持一段时间，这样光电探测器300可以获取传输光在第一光强/第二光强下的多个测量表征值，测量表征值的取值数量多，求出的多个测量表征值的平均值更加准确，消除了光源110波动的影响，从而以该平均值作为数据源计算得到的电流精度更高。由于第一光强和第二光强不相等，因此可以消除光电探测器300的无光偏置的影响，从而提高电流的测量精度。在一些实施例中，第一光强的值大于第二光强的值，在一些实施例中，第一光强的值小于第二光强的值。在另一些实施例中，第一光强和第二个光强中有一个为零。

传感单元200用于感应磁场或电流，一般来说，传感单元200有反射传感单元200和透射传感单元200，本申请对传感单元200的选择不作限制。

光电探测器300是将光信号转化为电信号的检测器，其中转化的电信号以测量表征值的形式输出，测量表征值的可以为电压表征值、电流表征值或者光强表征值。

维尔德常数V受到传感器所处温度T₁的影响而变化，因此维尔德常数V与传感器所处温度T存在一定的关系，在相关技术中，维尔德常数V与传感器所处温度T的关系为V＝7.25×10^-11T+1.05×10^-6，其中V的单位是rad/A，T的单位是℃。传感单元200当前所处温度T₁的单位为℃。

关系式为第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)或第二光相位延迟角与表征值的解调关系式，其中，在磁场或待测导体500的电流具有直流特征时，采用第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)计算电流或磁场，传感单元200中含有法拉第旋转器，其自身会影响传输光的光相位延迟角，对于不同的测量装置中，法拉第旋转器不可能完全相同，因此受法拉第旋转器自身影响的传输光的第一光相位延迟角也不相同，因此第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)是针对不同的测量装置分别标定获得，保证了具有直流特征的磁场或待测导体500电流的检测准确度。在磁场或待测导体500的电流具有交流特征时，采用第二光相位延迟角与表征值的解调关系式计算电流或磁场，由于光电探测器300输出的电信号中含有光路损耗系数对传输光的强度的影响，而第二光相位延迟角与表征值的解调表达式消除了光路损耗系数，从而使由该解调表达式计算得到的具有交流特征的电流更准确。

本申请采用两个光电探测器300分别检测不同传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值，并结合第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，而本申请的第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)为当前测量装置的关系式，因此可以消除装置自身材料温度特性的影响；第二光相位延迟角与表征值的解调表达式已经消除光路损耗系数的影响，因此进一步提高了具电流和磁场的检测准确度。

在一些实施例中，传感单元200为反射传感单元200，请参阅图1以及图2，反射传感单元200设有两个分别用于连接光输出端的传感接口，传感接口形成输入端以及输出端，即反射传感单元200设有两个传感接口，传感接口既作为传输光的输入接口，也作为反射光的输出接口；电流检测装置还包括两个均具有第一端口410、第二端口420和第三端口430的光学装置400，光学装置400、光输出端以及传感接口均一一对应设置，光学装置400的第一端口410耦合连接于对应光输出端，第二端口420耦合连接于对应的传感接口，以将光输出端输出的方波光信号从第一端口410依次传输至第二端口420以及反射传感单元200，并将被待测电流导体影响后的两束反射光依次传输至第二端口420以及第三端口430；两个光学装置400的第三端口430分别耦合连接于两个光电探测器300。

光学装置400可以为光环形器，也可以为耦合器。

在传感单元200为反射传感单元时，请参阅图1，反射传感单元包括依次设置的双光纤准直器210、沃拉斯顿棱镜220、22.5°法拉第旋转器230、单光纤准直器240、传感光纤250和法拉第反射镜260。传感光纤250用于缠绕于待测导体500，或者置于待测磁场内。光的传输过程为：传输光由双光纤准直器210的两个传感接口中的其中一个进入，经双光纤准直器210和沃拉斯顿棱镜220的一个光轴转变成线偏振光，经22.5°法拉第旋转器230及单光纤准直器240并耦合进传感光纤250中，由于Faraday效应使得在传感光纤250中绕待测导体500传播的线偏振光偏振面发生旋转，在末端的法拉第反射镜260的作用下旋转90°并按原路返回，再次经过法拉第效应使Faraday旋转角加倍，提高了灵敏度，再次经过22.5°法拉第旋转器230，线偏振光与沃拉斯顿棱镜220成45°，线偏振光被正交分束为两束相互正交的偏振光，由双光纤准直器210的两个传感接口输出至光学装置400的第二端口420。

在反射传感单元采用磁光晶体作为感应件时，请参阅图2，在传感光纤250作为感应件的反射传感单元200的基础上去除单光纤准直器240即可。在感应件为磁光晶体270时，磁光晶体270靠近待测导体500或置于待测磁场内，以测量电流或磁场。传感单元200为现有技术，更多内容可参考现有技术公开，本申请不作赘述。

在传感单元200为透射传感单元时，在一些实施例中，请参阅图4，透射传感单元包括依次设置的双光纤准直器210、沃拉斯顿棱镜220、磁光晶体270、沃拉斯顿棱镜220以及双光纤准直器210，其中两个沃拉斯顿棱镜220的光轴为45°。在一些实施例中，透射传感单元包括依次设置的双光纤准直器210、沃拉斯顿棱镜220、磁光晶体270、45°法拉第旋转器230、沃拉斯顿棱镜220以及双光纤准直器210。

在一些实施例中，请参阅图1、图2以及图4，方波光信号输出单元100包括光源110、光调制器120以及光开关130，其中，光源110用于输出测量光；光调制器120用于利用方波信号将测量光调制为方波光信号，光调制器120设有调制输入端、方波信号输入端以及调制输出端，调制输入端耦合连接于光源110；光开关130设有两个可切换的光输出端以及耦合连接于调制输出端的光输入端。光源110可以为超辐射发光二极管或放大自发辐射光源110等，比如SLD、SLED和ASE等。光调制器120采用方波电信号将光源110发出的光信号调制为方波形式的光信号，光调制器120包括依次设置的电信号发生模块和光衰减器，电信号发生模块可以为电路板，也可以为生产方波电信号的信号发生器。光开关130可以为1×N光开关130，在一些实施例中，N为2，即光开关130为1×2光开关130。在其他实施例中，N还可以为3、4或5等，在安装至测量装置时，仅将其中两个光输出端耦合连接于传感单元200即可。

在一些实施例中，方波光信号输出单元100包括相耦合连接的可调制光源110和光开关130，可调制光源110为可输出方波形式的光信号的光源110。在其他实施例中，方波光信号输出单元100包括依次耦合连接的光源110以及两个光开关130，其中，第一个光开关130的光输入端耦合连接于光源110，第一个光开关130的多个光输出端中的一个耦合连接于第二个光开关130的光输入端，通过第一个光开关130调制光源110发出的光信号，以输出具有方波形式的传输光；第二个光开关130的两个光输出端耦合连接于两个光学装置400的第一接口，以使第一光开关130输出的传输光再经过第二个光开关130输出给光学装置400。

在一些实施例中，在磁场为恒定磁场或电流为直流电时，检测装置还包括用于检测传感单元200当前所处温度的温度传感器，温度传感器与控制器电连接。通过温度传感器检测传感单元200所处温度T₁，控制器获取温度传感器检测到的温度T₁，以用于计算磁场或电流。温度传感器可采用高精度温度传感器，以提高磁场或电流的检测精度。光开关130与控制器电连接，实现第一传递光路和第二传递光路的自动切换。

本申请第二方面实施例，提供一种磁场或电流检测方法，适用于第一方面的检测装置。

本申请实施例提供的检测方法包括如下步骤：

S1、测量步骤：传感单元200感应待测磁场或者导体500的待测电流，依次开启方波光信号输出单元100的两个光输出端，每个光电探测器300输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值；

在检测对象为磁场时，传感单元200置于磁场中，传感单元200中的传播的光会被磁场影响，将被磁场影响的光信号转换为光电探测器300输出的测量表征值就可以确定磁场的磁感强度。在检测对象为电流时，通过导体的电流会产生磁场，从而影响传感单元200中传播的光信号，光电探测器300输出被影响的光信号的表征值，从而确定电流值。

方波光信号输出单元100可以发射光强变化的发射光，先开启方波光信号输出单元100的其中一个光输出端，例如先导通第一传递光路，传感单元200的两个输出端分别输出被磁场或者待测导体500影响后的传递光，两个光电探测器300就可以输出测量表征值，由于发射光的光强是变化的，因此每个光电探测器300均可以检测到第一光强下的测量表征值以及第二光强下的测量表征值；然后开启方波光信号输出单元100的另一个光输出端，即导通第二传递光路，截止第一传递光路，同理，此时每个光电探测器300可以检测到第一光强下的测量表征值以及第二光强下的测量表征值。

由上述可知，两个光电探测器300供检测到八个测量表征值，更具体地，两个光电探测器300分别为第一光电探测器和第二光电探测器，在第一传递光路导通时：第一光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第一测量表征值U1和第二测量表征值U2，第二光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第三测量表征值U3和第四测量表征值U4。

在第二传递光路导通时，第一光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第五测量表征值U5和第六测量表征值U6，第二光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第七测量表征值U7和第八测量表征值U8。

在一些实施例中，测量表征值可以为电压，也可以为电流，也可以为光强，也可以为相位。上述的每个测量表征值均为光电探测器300获取传输光在第一光强/第二光强下的多个测量表征值的平均值，因此测量表征值具有代表性，消除了光源110波动的影响。

上述的第一光强和第二光强为方波光信号输出单元100发出的两种不同光强的传输光，第一光强与第二光强数值不同。

S2、计算步骤：根据光电探测器300在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数V与传感单元所处温度T的关系式、传感单元200当前所处温度T₁以及关系式，计算电流或磁场，关系式包括第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)和第二光相位延迟角解调表达式，或，关系式为第二光相位延迟角解调表达式。

在步骤S2中测量表征值为步骤S1中由两个光电探测器300输出的八个测量表征值。以测量表征值为电压测量表征值为例，其中第一测量表征值U1与第二测量表征值U2之差为△U_11M，第三测量表征值U3与第四测量表征值U4之差为△U_12M，第五测量表征值U5与第六测量表征值U6之差为△U_21M，第七测量表征值U7与第八测量表征值U8之差为△U_22M。

维尔德常数V是与温度相关的常数，维尔德常数V会影响光相位延迟角，因此其决定了光电探测器300输出的测量表征值。

第一光相位延迟角与温度T的关系式θ₁(T₁)为检测装置的控制器中内置的关系式，该关系式为拟合关系式，用于计算恒定磁场或直流电。光相位延迟角随传感单元200所在位置处的温度T₁变化而变化，而光相位延迟角会影响光的偏振态，偏振态改变后，光强会改变，光电探测器300又是将光强转化为电信号，因此光相位延迟角会影响表征值的准确度，光相位延迟角会影响或磁场电流的准确度。

第二光相位延迟角与表征值的解调表达式为：

或

其中，4V(T₁)R为传感单元200位置处的温度为T₁条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角，在检测待测磁场时，R为HL，其中H表示待测磁场的磁感应强度，L表示传感单元200的感应件的长度，在检测待测导体500的电流时，R＝NI，N为传感单元200的感应件的缠绕圈数，I为待测导体500的电流；△U_11M为一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_12M为另一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_21M为一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_22M为另一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值。在待测磁场为恒定磁场或者待测导体500电流为直流电时，磁场或电流的计算过程具体如下：

将上述的△U _11M、△U _12M、△U _21M、△U _22M以及第一光相位延迟角与温度T的关系式θ₁(T₁)代入第二光相位延迟角解调表达式：

或

即可获得4V(T₁)R的值，4V(T₁)R为传感单元200位置处的温度为T1条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角。在检测待测磁场时，R为HL，其中H表示待测磁场的磁感应强度，L表示传感单元200的感应件的长度；在检测待测导体500的电流时，R＝NI，N为传感单元200的感应件的缠绕圈数，I为待测导体500的电流，在采用光纤时，缠绕圈数为实际缠绕圈数；采用磁光晶体时，N的取值为1，由此可计算获得直流电流I的值。

在待测磁场或者待测导体500具有交流特征时，待测交流磁场或待测交流电流的计算步骤包括：

S21、将R＝0时刻的测量表征值以及R＝0代入第二光相位延迟角解调表达式，以解调出传感单元200所处温度下的第一光相位延迟角θ₁；R＝0时刻即I＝0的时刻或H＝0的时刻。

S22、根据维尔德常数V与温度T的关系式以及传感单元200当前所处温度T₁，计算得到维尔德常数V；

维尔德常数V与温度T的关系式为V＝7.25×10^-11T+1.05×10^-6，传感单元200当前所处温度T₁可通过温度传感器检测获得。

S23、将维尔德常数V、第一光相位延迟角θ₁以及待测电流R≠0时刻的测量表征值带入上式，计算出具有交流特征的电流或磁场。即将步骤S21中计算的第一光相位延迟角θ₁以及步骤S23算的的维尔德常数V以及提取的R＝0时刻的测量表征值进行计算，即可获得交流特征下的磁感应强度或交流电流。

在一些实施例中，计算步骤还包括：将解调出的第一光相位延迟角θ₁代入第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，计算得到传感单元200所处温度T1，从而实现测量装置既可以测量交流电流或交流磁场，还可以测量温度。因此，在检测对象具有交流特征时，无需设置温度传感器，结构更加简单，功能强大。

在清楚了以上的测量和计算步骤后，再介绍测量前的标定步骤，即如何获得光相位延迟角解调表达式以及光相位延迟角与温度的关系式θ₁(T₁)。

其中，第二光相位延迟角解调表达式通过下述方法获得：

步骤1：依次开启方波光信号输出单元100的两个光输出端，传感单元200感应标定交流电流，在交流电流I＝0时，每个光电探测器300输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值。

该步骤1与前述的步骤S1相同，区别仅在于传感单元200感应的电流为标定交流电流；标定交流电流为电流值为已知值的电流。

步骤2：根据步骤1中得到的八个标定表征值和执行步骤1时的传感单元200温度，获得传感单元200当前温度下的光相位延迟角θ₁；

由前述步骤S1的解释可知，该步骤可获取八个标定表征值。

以八个标定表征值均为电压标定表征值举例：

电压标定表征值U的表达式为：U＝△V(T₂)+P{1±sin[4V(T₁)R+4θ₁(T₁)]}或

其中，△V(T₂)为与测量电压表征值的光电探测器300以及其所处温度T₂有关的无光偏置电压。

P为传递光路导通时的光路损耗系数，α为光调制器的光强损耗系数，第一光强时光强衰减系数为α₁，第二光强时光强衰减系数为α₂，β为光经过光开关130的光输出端光强损耗系数，在光经过光开关130的一个光输出端(第一传递光路导通)时，光强损耗系数为β₁，在光经过光开关130的另一个光输出端(第二传递光路导通)时，光强损耗系数为β₂。P₀为光源110输出光强，在第一光强、第二光强、第一传递光路导通以及第二传递光路导通时，P₀均不变。γ为传输经过传感单元200的两束光的光强损耗系数，分别为γ₁(第一光电探测器)和γ₂(第二光电探测器)，G为光电探测器300将光信号转换为电信号的增益，第一光电探测器为G₁，第二光电探测器为G₂。

4V(T₂)NI为传感单元200位置处的温度为T2条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角，N为传感单元200缠绕的圈数，在采用光纤时，缠绕圈数为实际缠绕圈数；采用磁光晶体时，N的取值为1。θ₁(T₁)为由传感单元200所在温度T₁所引起的第一相位延迟角，即前述的第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式。

下面以琼斯矩阵构建本申请的检测装置的数值解析模型，来解释电压标定表征值U的表达式的获取过程：

首先，定义入射光琼斯矢量是E_in，在不考虑任何缺陷的情况下，归一化输入光光强，即E_x＝E_y＝1。而检测装置中的主要光学器件的琼斯矩阵可表示为：

光传播路径总的输出为：

式中，J_o为沃拉斯顿棱镜220其中一轴的琼斯矩阵，J_22.5°为22.5°法拉第旋转器230的琼斯矩阵，J_Fin和J_Fout分别为法拉第效应下光波向前和向后通过传感光纤250时的琼斯矩阵，J_Fmirror是法拉第反射镜260的琼斯矩阵，θ_22.5为22.5°，θ₉₀为90°，Δθ_22.5和Δθ₉₀分别为22.5°法拉第旋转器230以及法拉第反射镜260因温度引起的旋转角度。为传感单元200位置处的温度为T₁条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角，与前述的4V(T₁)R相同。

第一光路导通时，两个光电探测器探测到的表征值分别为：

式中，和分别是的两正交电场矢量，和分别是和的共轭转置矩阵。

由(8)、(9)和(10)可知，光电探测器900探测到的表征值的表达式为：

同理，第二光路导通时，光传播路径总的输出为：

两光电探测器900探测到的表征值分别为：

由(12)、(13)和(14)可知，光电探测器900探测到的表征值的表达式为：

其中，用4θ₁(T₁)＝4(Δθ_22.5+Δθ₉₀)，分别替换式(11)和式(15)，同时考虑光电探测器无光偏执电压的存在，可得：

P_out＝ΔV(T₂)+P{1±sin[4V(T₁)R+4θ₁(T₁)]}或 当表征值为电压表征值时，采用U替换P_out，即可得到电压表征值的表达式为：U＝ΔV(T₂)+P{1±sin[4V(T₁)R+4θ₁(T₁)]}或

第一传递光路导通时，第一光电探测器在第一光强和第二光强下的第一标定表征值和第二标定表征值的表达式分别为：

第一传递光路导通时，第二光电探测器在第一光强和第二光强下的第三标定表征值和第四标定表征值的表达式分别为：

在第二传递光路导通时，第一光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第五标定表征值和第六标定表征值的表达式分别为：

在第二传递光路导通时，第二光电探测器输出传输光在第一光强和第二光强下的第七标定表征值和第八标定表征值的表达式分别为：

将(16)式和(17)式做减法得到：

将(18)式和(19)式做减法得到：

将(20)式和(21)式做减法得到：

将(22)式和(23)式做减法得到：

对(24)、(25)、(26)以及(27)进行如下处理：

取结果中正值可得(后续计算中皆取正值)：

对(24)、(25)、(26)以及(27)进行如下的另一种处理：

由此得到光相位延迟角的解调表达式为：

式29以及式31为第二光相位延迟角θ₂的两种解调表达式的求解过程，可根据需要选择其中一个计算，本申请不做限制。

在执行步骤1的过程中获得了第二光相位延迟角θ₂的解调表达式，在此基础上，继续计算，由于在标定过程中采用了标定交流电流，因此可以提取到交流电流I＝0时刻的八个电压标定表征值，将其运算后带入式29或式31中，并将传感单元200所处温度即执行步骤1时的传感单元200温度T₁带入式29或式31中，即可计算得到在该传感单元200温度T₁下的第一光相位延迟角θ₁的具体值。

步骤3：多次调整传感单元200的温度，重复步骤1和步骤2，获得多个传感单元200所处温度T₁下的第一光相位延迟角θ₁；

步骤4：将步骤3的多个传感单元200所处温度T₁下的光相位延迟角θ₁拟合，得到第一光相位延迟角θ₁与温度的关系式θ₁(T₁)。

多组温度T₁与第一光相位延迟角θ₁可采用最小二乘法拟合获得第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，完成第一光相位延迟角θ₁与传感单元200所处温度T₁的标定。

在一些实施例中，第一光相位延迟角θ₁与传感单元200所处温度的标定还可以实现维尔德常数V与传感单元200当前所处温度T₁的标定，标定后的维尔德常数V与传感单元200当前所处温度T₁的关系式与测量装置匹配，比相关技术的关系式准确度度更高。维尔德常数V与传感单元200当前所处温度T₁的标定过程具体：

执行步骤1的过程中，获取电流I为设定值时，每个光电探测器300输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值；

执行步骤2的过程中，根据步骤1中得到的八个设定表征值和执行步骤1时的传感单元200温度，获得传感单元200当前温度下的4V(T₁)R+4θ₁(T₁)，并与传感单元200当前温度下的光相位延迟角θ₁作差，获得4V(T₁)R的值；

执行步骤3的过程中：获得多个传感单元200温度下的4V(T₁)R的值；

执行步骤4的过程中，将多个传感单元200温度下的4V(T₁)R的值拟合，得到维尔德常数V与温度T₁的关系式。

计算出的维尔德常数V与温度T₁的关系式可替代步骤S22中的维尔德常数V与温度T₁的关系式，以计算待测交流磁场或待测交流电流。

需要说明的是，可先标定光相位延迟角与传感单元200所处温度的关系，在标定过程中即可获取光相位延迟角解调表达式，且在标定的同时还可以实现对维尔德常数V与传感单元200所处温度的标定。在标定结束后，可测量磁场和电流：(1)在交流磁场或交流电测量时，利用R＝0时刻的八个测量表征值、光相位延迟角解调表达式以及维尔德常数V与传感单元200所处温度的关系式，计算得到交流磁场或交流电流；同时利用计算过程解调出的光相位延迟角θ₁，计算得到传感单元200的温度；(2)在恒定磁场或直流电测量时，利用八个测量表征值以及标定过程获得的光相位延迟角解调表达式，求解出磁感应强度或电流。

本申请提供的检测装置至少具有如下优点：

通过两个光电探测器300与不同光强的传输光配合，获得不同光强下的特征值求平均，从而消除了光源110不稳定的影响。

利用两个光电探测器300检测的八个特征值，经过计算消除了光电探测器300的无光偏置电压，推导出了消除光路损耗系数影响的光相位延迟角解调表达式。

依据光相位延迟角解调表达式标定出当前的检测装置的光相位延迟角Δθ和传感单元200所处温度T₁的关系，消除了温度引起测量值不准确的影响从而提高了磁场或电流的检测准确度，提高了检测装置的检测稳定性。

本申请的测量装置既可以测量电流或磁场，还可测量交流电流或者交流磁场状态下的传感单元200所处温度，功能丰富。

测量交流电或交流磁场时，提取R＝0时的表征值，将温度引起的相位表征值自补偿，以提高检测准确度；测量直流电或恒定磁场时，引入外接温度传感器，对温度引起的相位表征值自补偿，以提高检测准确度。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种检测装置，用于检测待测磁场或通过导体的待测电流，其特征在于，包括：

方波光信号输出单元，设有两个可切换开启的光输出端，以导通第一传递光路和第二传递光路，所述光输出端用于输出被方波信号调制后的传输光；

传感单元，用于感应所述磁场或所述电流，所述传感单元设有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别耦合连接于两个所述光输出端，两个所述输出端用于输出任一所述输入端输入的传输光被所述磁场或所述电流感应后的两束传递光；

两个光电探测器，用于将所述两束传递光转换为表征值，且分别耦合连接于所述传感单元的两个输出端；

控制器，与所述光电探测器电连接，所述控制器用于根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数与所述传感单元所处温度的关系以及关系式，计算电流或磁场；其中，所述关系式包括第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)以及第二光相位延迟角解调表达式，或，所述关系式为第二光相位延迟角解调表达式；所述第一光强不等于所述第二光强，所述第一光相位延迟角为传感单元所处温度引起的光相位延迟角，所述第二光相位延迟角为法拉第磁光效应以及传感单元所处温度引起的光相位延迟角之和。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述传感单元为反射传感单元，所述反射传感单元设有两个分别用于连接所述光输出端的传感接口，所述传感接口形成所述输入端以及所述输出端；

所述电流检测装置还包括两个均具有第一端口、第二端口和第三端口的光学装置，所述光学装置、所述光输出端以及所述传感接口均一一对应设置，所述光学装置的第一端口耦合连接于对应所述光输出端，所述第二端口耦合连接于对应的传感接口，以将所述光输出端输出的方波光信号从第一端口依次传输至所述第二端口以及所述反射传感单元，并将被所述电流或磁场感应后的两束反射光依次传输至所述第二端口以及所述第三端口；

两个所述光学装置的第三端口分别耦合连接于两个所述光电探测器。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述方波光信号输出单元包括：

光源，用于输出测量光；

光调制器，用于利用方波信号将所述测量光调制为方波光信号，所述光调制器设有调制输入端、方波信号输入端以及调制输出端，所述调制输入端耦合连接于所述光源；

光开关，设有两个可切换的所述光输出端以及耦合连接于所述调制输出端的光输入端。

4.根据权利要求1-3任一项所述的检测装置，其特征在于，在所述待测磁场为恒定磁场或所述待测电流为直流电时，所述检测装置还包括用于检测所述传感单元当前所处温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器电连接。

5.一种检测方法，适用于权利要求1-4任一项所述的检测装置，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

测量步骤：传感单元感应待测磁场或者待测电流，依次开启方波光信号输出单元的两个光输出端，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个测量表征值；

计算步骤：控制器根据所述光电探测器在第一光强和第二光强下的测量表征值、维尔德常数与所述传感单元所处温度的关系以及关系式，计算电流或磁场；

其中，所述关系式包括第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)和第二光相位延迟角解调表达式，或，所述关系式为第二光相位延迟角解调表达式，所述第一光相位延迟角为传感单元所处温度引起的光相位延迟角，所述第二光相位延迟角为法拉第磁光效应以及传感单元所处温度引起的光相位延迟角之和。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，第二光相位延迟角与表征值的解调表达式为：

或，

其中，4V(T₁)R为传感单元位置处的温度为T₁条件下法拉第磁光效应引起的相位延迟角，在检测待测磁场时，R为HL，其中H表示待测磁场的磁感应强度，L表示传感单元的感应件的长度，R＝NI，N为传感单元的感应件的缠绕圈数，I为待测导体的交流电流；△U_11M为一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_12M为另一个光电探测器在第一传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_21M为一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值，△U_22M为另一个光电探测器在第二传递光路导通时第一光强和第二光强下的测量表征值的差值。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在所述待测磁场或者待测导体具有直流特征时，所述关系式包括第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)以及第二光相位延迟角解调表达式；

在所述待测磁场或者待测导体具有交流特征时，所述计算步骤包括：

将R＝0时刻的测量表征值以及R＝0代入所述第二光相位延迟角解调表达式，以解调出传感单元所处温度下的第一光相位延迟角θ₁；

将传感单元当前所处温度T₁代入维尔德常数V与所述传感单元所处温度T₁的关系式，计算得到维尔德常数V；

将所述维尔德常数V、所述第二光相位延迟角θ₁以及待测电流R≠0时刻的测量表征值代入上式，计算出具有交流特征的电流或磁场。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述计算步骤还包括：

将解调出的所述第一光相位延迟角θ₁代入第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)，计算得到传感单元所处温度T₁。

9.根据权利要求5-8任一项所述的检测方法，其特征在于，所述第一光相位延迟角与传感单元所处温度的关系式θ₁(T₁)通过下述方法获得：

步骤1：依次开启方波光信号输出单元的两个光输出端，传感单元感应标定交流电流，在交流电流I＝0时，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个标定表征值；

步骤2：根据步骤1中得到的八个标定表征值和执行步骤1时的传感单元温度，获得传感单元当前温度下的第一光相位延迟角θ₁；

步骤3：多次调整传感单元的温度，重复步骤1和步骤2，获得多个传感单元温度下的第二光相位延迟角θ₁；

步骤4：将步骤3的多个传感单元温度下的光相位延迟角θ₁拟合，得到第一光相位延迟角与温度的关系式θ₁(T₁)。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述维尔德常数V与所述传感单元所处温度T₁的关系通过下述方法获得：

执行步骤1的过程中，获取电流I为设定值时，每个光电探测器输出第一传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值以及第二传递光路导通时第一光强和第二光强时的两个设定表征值；

执行步骤2的过程中，根据步骤1中得到的八个设定表征值和执行步骤1时的传感单元温度，获得传感单元当前温度下的4V(T₁)R+4θ₁(T₁)，并与传感单元当前温度下的光相位延迟角θ₁作差，获得4V(T₁)R的值；

执行步骤3的过程中：获得多个传感单元温度下的4V(T₁)R的值；

执行步骤4的过程中，将多个传感单元温度下的4V(T₁)R的值拟合，得到所述维尔德常数V与所述传感器所处温度T₁的关系。