CN117825776B - 一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，包括光纤电流传感器、控制器、二次电流源和二次绕组，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤和光电信号检测器；所述传感光纤穿过所述二次绕组，并围绕一次载流导体形成闭合环路，利用光纤电流传感器作为误差测量元件，所述控制器按设定的控制算法对所述光电信号检测器的测量结果进行实时计算，并调节二次电源的输出电流，实现对一次电流的闭环实时跟踪。其中，光纤电流传感器仅用于测量系统输入与反馈之差，有效地消除了外磁场干扰及温度漂移对大电流测量准确度的影响，提升了超大电流的测量准确度。比例标准装置不需要铁芯，尺寸不会随被测电流的增大而增大，且极大地减轻了系统的重量。

Description

一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置

技术领域

本发明涉及一种电流计量的技术领域，具体地说，是一种超大电流精密测量方法。

背景技术

一般情况下千安级及千安级以上的电流可认为是超大电流。超大电流技术在冶金、电力、国防军工、可控核聚变研究等领域应用广泛，准确的电流计量与安全生产、节能减排、产品质控及重大科学研究密切相关。

在磁场的作用下，光纤中传输的线偏振光的偏振方向将发生旋转，正交的左旋、右旋圆偏振光的传输速度也将发生变化并产生相位差，这种现象称为Faraday磁光效应。该偏振旋转角或相位差与磁场沿传输路径的积分成正比，比例系数称为Verdet常数，它反映了介质对Faraday磁光效应敏感度的强弱。

根据Ampere环路定律，如果光纤围绕载流导体形成闭合环路，电流产生的磁场沿光纤环路的积分将等于环路包围的总电流。基于光学干涉测量或偏振检测技术，探测磁场作用下光信号的相位差或偏振旋转角，可实现电流测量，这也是光纤电流传感技术的基本原理。如果光纤环路包围了多个载流导体，根据电流的方向，光纤电流传感器还可实现电流和或电流差的测量。

现有的超大电流测量方法包括：直流电流比较仪、霍尔电流传感器、罗氏线圈、光纤电流传感器等。

直流电流比较仪采用磁调制、解调及闭环反馈技术实现了一次、二次电流的安匝平衡，使铁芯处于“零磁通”状态，具有测量准确度高、线性度好、抗外磁场干扰能力强等特点，可作为高准确度电流比例标准或应用于需要高准确度测量的场景。但对于超大电流，由于铁芯尺寸大，磁调制器双铁芯一致性不易保证，很难获得高性能，故直流电流比较仪的最大可测电流一般在几十kA以下。

霍尔电流传感器是工业现场常用的大电流传感器，分为开环、闭环两种。闭环霍尔电流传感器的性能优于开环，它采用霍尔元件检测并控制实现一次、二次安匝平衡。主要问题是测量准确度易受环境温度变化及外磁场干扰的影响。例如公开号为CN213517290U的中国实用新型所公公开的一种检测直流大电流的霍尔电流传感器。

罗氏线圈主要用于交流电流测量，其输出感应电压与一次电流的微分成正比，无法测量直流电流，低频电流测量能力受限。由于没有铁芯聚磁，测量结果易受外部强磁场干扰。

光纤电流传感器具有测量范围大、频响范围宽(可测量直流和交流电流)、便携性好等特点，柔性光纤敏感环可在不断开载流母线的条件下安装，传感器的测量准确度对母线偏心及外磁场干扰的敏感度低，适用于超大电流的在线计量。光纤电流传感器的测量准确度在一定程度上仍受环境温度及外部强磁场干扰的影响，一般可优于0.2%，但对于测量准确度要求更高的场景则无法满足应用需求。例如公开号为CN109406852A的中国发明所公开的一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器。

综合以上，直流电流比较仪、霍尔电流传感器、罗氏线圈及光纤电流传感器，它们在体积、重量、功耗、抗外磁场干扰能力、温度性能等方面存在不同程度的问题，主要包括：

(1) 直流电流比较仪、霍尔电流传感器在结构上含有铁芯，尺寸随被测电流的增大而增大，导致传感器的体积、重量庞大，安装、运输不便。对于超大电流，二次绕组匝数多，这对驱动电源的功率提出了更高的要求。

(2)霍尔电流传感器及罗氏线圈的测量准确度受外部强磁场干扰严重。光纤电流传感器对杂散磁场的敏感度较低，但在一定程度上也会受到影响。

(3) 霍尔电流传感器及光纤电流传感器的测量准确度受环境温度变化的影响。

总之，铁芯性能、强磁场及温度场干扰制约了现有超大电流传感器测量准确度的提升，无法满足超大电流高准确度计量的应用需求。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，能克服强磁场及温度场的影响，提升超大电流的测量准确度。

为达到前述发明之目的，本发明采取的技术方案之一是：一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，包括：光纤电流传感器、控制器、二次电流源、二次绕组，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤和光电信号检测器；

所述传感光纤穿过所述二次绕组，并与所述二次绕组共同围绕一次载流导体形成闭合环路，所述传感光纤围绕一次载流导体和所述二次绕组的匝数相同；

所述传感光纤的一端与所述光电信号检测器和所述控制器依次连接，另一端连接一反射镜；所述二次电流源一连接所述二次绕组的第一端，另一端连接所述控制器，所述二次绕组的第二端接地；

所述光电信号检测器实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差，所述一次电流/>为超大电流，所述二次电流/>为小电流；

所述控制器对所述光电信号检测器的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>其中，N为二次绕组匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例的相对误差为：/> (1)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，通过测量二次电流/>，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量。

为达到前述发明之目的，本发明采取的技术方案之二是：一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，包括：光纤电流传感器、控制器、二次电流源、二次绕组，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤和光电信号检测器；

所述传感光纤围绕一次载流导体和所述二次绕组形成闭合环路，围绕一次载流导体的匝数为M ₁，穿过所述二次绕组的匝数为M ₂，且M ₁≤M ₂；

所述传感光纤的一端与所述光电信号检测器和所述控制器依次连接，另一端连接一反射镜；所述二次电流源一连接所述二次绕组的第一端，另一端连接所述控制器，所述二次绕组的第二端接地；

所述光电信号检测器实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差，所述一次电流/>为超大电流，所述二次电流/>为小电流；

所述控制器按设定的控制算法对所述光电信号检测器的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>，其中，N为二次绕组匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例，转换比例的相对误差为：/>(4)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，通过测量二次电流/>，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量。

本发明的优点在于：本发明实现了一种交直流超大电流高准确度测量的比例标准装置，利用光纤电流传感器作为误差测量元件，调节二次电源的输出电流，实现对一次电流的闭环实时跟踪。其中，光纤电流传感器仅用于测量系统输入与反馈之差，有效地消除了外磁场干扰及温度漂移对大电流测量准确度的影响，提升了超大电流的测量准确度。可采用多匝传感光纤倍增二次绕组匝数，也可采用超导线圈作为二次绕组，从而降低对二次绕组驱动电源功耗的要求。比例标准装置不需要铁芯，尺寸不会随被测电流的增大而增大，且极大地减轻了系统的重量。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是本发明另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，能克服强磁场及温度场的影响，提升超大电流的测量准确度。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：以光纤电流传感器作为差值电流测量元件，其敏感环围绕一次绕组和二次绕组形成闭合环路。对传感器的差值测量结果进行累加积分，并反馈控制电源产生反向电流，驱动二次绕组，实时跟踪一次电流。当系统闭合稳定时，一次绕组、二次绕组安匝平衡，从而实现了一次大电流到二次小电流的精确比例变换。比例标准装置不需要铁芯，尺寸不会随被测电流的增大而增大，且极大地减轻了系统的重量。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

请参阅图1所示，本实施例的基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置100包括：光纤电流传感器、控制器2、二次电流源3、二次绕组4，且光纤电流传感器1进一步包括传感光纤11和光电信号检测器12；

所述传感光纤11穿过所述二次绕组4，并与所述二次绕组共同围绕一次载流导体200形成闭合环路，所述传感光纤11围绕一次载流导体200和穿过所述二次绕组4的匝数相同；

所述传感光纤11的一端与所述光电信号检测器12和所述控制器2依次连接，另一端连接一反射镜5；所述二次电流源3一连接所述二次绕组4的第一端，另一端连接所述控制器2，所述二次绕组4的第二端接地；

所述光电信号检测器12实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差，所述一次电流/>为超大电流，所述二次电流/>为小电流，通常/>限定为5A或1A，以便于二次绕组4的绕制，否则若二次电流/>太大，会导致二次绕组线太粗，不易绕制；

所述控制器2按设定的控制算法对所述光电信号检测器12的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源3产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组4，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>，其中，N为二次绕组4匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例的相对误差为： (1)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，主要受光纤电流传感器噪声水平的限制，相对于一次电流是一个极小量，且一次电流越大，转换比例的误差越小，故该方法适用于超大电流比例标准，并能达到极高的测量准确度，温度漂移、外磁场干扰对光纤电流传感器安匝误差测量准确度的影响远小于1%，故其对比例误差的影响可忽略。

因此通过测量二次电流，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量。

二次小电流即二次电流可由两种方式进行测量：

第一种、通过采样电阻进行测量：将一采样电阻连接所述二次绕组4的第二端和地之间；则所述二次电流的测量方法如下：

所述二次小电流流经采样电阻，形成整个比例标准装置的模拟电压输出/>，则通过/>和/>计算出/>，则一次电流/>由式(2)计算：/> (2)。

第二种、通过上位机进行测量：将一滤波器6连接所述控制器2，所述二次电流的测量方法如下：

通过上位机连接所述滤波器6采集装置的数字输出，当系统闭环稳定时，控制器2的输出控制二次电流源3实现安匝平衡，则通过/>和k计算出/>，/>，则一次电流/>由式(3)计算：/> (3)；

其中，k为二次电流源3的比例系数，该比例系数为设定值。

另外，本实施例的比例标准装置还具有如下特点：

所述光纤电流传感器采用干涉测量的光纤电流传感器或偏振测量的光纤电流传感器；

所述传感光纤11为双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，包括熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤和椭圆双折射光子晶体光纤；反射镜通过在光纤末端镀反射膜或耦合反射片实现，反射膜可以为介质膜或金属膜。

所述光电信号检测器12采用闭环检测方法或开环检测方法对所述一次电流与所述二次电流/>的安匝差进行检测；

所述控制器2具备增益调节和数字滤波功能，所述控制算法为积分控制算法、比例-积分控制算法或比例-微分-积分控制算法；

所述二次电流源3采用数控电流源或采用跨导放大器，所述跨导放大器需通过额外增加的D/A转换器将控制器2输出的数字量变为模拟量进行驱动；

所述二次绕组4由一般金属漆包线绕制或采用超导线绕制。

实施例二

请参阅图2所示，本实施例的基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置100包括：光纤电流传感器、控制器2、二次电流源3、二次绕组4，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤11和光电信号检测器12；

所述传感光纤11围绕一次载流导体200和所述二次绕组4形成闭合环路，围绕一次载流导体200的匝数为M ₁，穿过所述二次绕组4的匝数为M ₂，且M ₁≤M ₂；

所述传感光纤11的一端与所述光电信号检测器12和所述控制器2依次连接，另一端连接一反射镜5；所述二次电流源3一连接所述二次绕组4的第一端，另一端连接所述控制器2，所述二次绕组4的第二端接地；

所述光电信号检测器12实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差；一次电流为超大电流，二次电流/>为小电流；通常/>限定为5A或1A，以便于二次绕组4的绕制，否则若二次电流/>太大，会导致二次绕组线太粗，不易绕制；

所述控制器2按设定的控制算法对所述光电信号检测器12的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源3产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组4，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>，其中，N为二次绕组4匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例，转换比例的相对误差为：/> (4)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，主要受光纤电流传感器噪声水平的限制，相对于一次电流是一个极小量，且一次电流越大，转换比例的误差越小，故该方法适用于超大电流比例标准，并能达到极高的测量准确度，温度漂移、外磁场干扰对光纤电流传感器安匝误差测量准确度的影响远小于1%，故其对比例误差的影响可忽略。且相比于实施一，比例误差减小了M ₁倍，进一步提供了测量准确度。

因此通过测量二次电流，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量。

二次小电流即二次电流可由两种方式进行测量：

第一种、通过采样电阻进行测量：将一采样电阻连接所述二次绕组4的第二端和地之间；所述二次电流的测量方法如下：

所述二次小电流流经采样电阻，形成整个比例标准装置的模拟电压输出/>，则通过/>和/>计算出/>，则一次电流/>由式(5)计算：/>(5)。

第一种、通过上位机进行测量：将滤波器6连接所述控制器2，所述二次电流的测量方法如下：

通过上位机连接所述滤波器6采集装置的数字输出，当系统闭环稳定时，控制器2的输出控制二次电流源3实现安匝平衡，则通过/>和k计算出/>，/>，则一次电流/>由式(6)计算：/> (6)；

其中，k为二次电流源3的比例系数，该比例系数为设定值。

另外，本实施例的比例标准装置还具有如下特点：

所述光纤电流传感器采用干涉测量的光纤电流传感器或偏振测量的光纤电流传感器；

所述传感光纤11为双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，包括熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤和椭圆双折射光子晶体光纤；

所述光电信号检测器12采用闭环检测方法或开环检测方法对所述一次电流与所述二次电流/>的安匝差进行检测；

所述控制器2具备增益调节和数字滤波功能，所述控制算法为积分控制算法、比例-积分控制算法或比例-微分-积分控制算法；

所述二次电流源3采用数控电流源或采用跨导放大器，所述跨导放大器需通过额外增加的D/A转换器将控制器2输出的数字量变为模拟量进行驱动；

所述二次绕组4由一般金属漆包线绕制或采用超导线绕制。

实施例二与实施例一的区别在于：实施例一中的传感光纤与二次绕组共同围绕一次载流导体形成闭合回路，且传感光纤围绕一次载流导体的匝数与传感光纤穿过二次绕组的匝数相等，实施例二中仅传感光纤围绕一次载流导体形成闭合回路，且传感光纤围绕一次载流导体的匝数不大于传感光纤穿过二次绕组的匝数。

上述两个实施例均实现了一种交直流超大电流高准确度测量的比例标准装置，利用光纤电流传感器作为误差测量元件，调节二次电源的输出电流，实现对一次电流的闭环实时跟踪。其中，光纤电流传感器仅用于测量系统输入与反馈之差，有效地消除了外磁场干扰及温度漂移对大电流测量准确度的影响，提升了超大电流的测量准确度。可采用多匝传感光纤倍增二次绕组匝数，也可采用超导线圈作为二次绕组，从而降低对二次绕组驱动电源功耗的要求。比例标准装置不需要铁芯，尺寸不会随被测电流的增大而增大，且极大地减轻了系统的重量。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，其特征在于：包括：光纤电流传感器、控制器、二次电流源和二次绕组，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤和光电信号检测器；

所述传感光纤穿过所述二次绕组，并与所述二次绕组共同围绕一次载流导体形成闭合环路，所述传感光纤围绕一次载流导体和穿过所述二次绕组的匝数相同；

所述传感光纤的一端与所述光电信号检测器和所述控制器依次连接，另一端连接一反射镜；所述二次电流源一连接所述二次绕组的第一端，另一端连接所述控制器，所述二次绕组的第二端接地；

所述光电信号检测器实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差，所述一次电流为超大电流，所述二次电流/>为小电流；

所述控制器对所述光电信号检测器的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>，其中，N为二次绕组匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例的相对误差为：/> (1)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，通过测量二次电流/>，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量；

所述二次电流由下述两种之一方式进行测量：

第一种、通过采样电阻进行测量：将一采样电阻连接在所述二次绕组的第二端和地之间；则所述二次电流/>的测量方法如下：

所述二次小电流流经采样电阻，形成整个比例标准装置的模拟电压输出/>，则通过模拟电压输出/>和采样电阻/>计算出二次电流/>，则一次电流/>由式(2)计算：(2)；

第二种、通过上位机进行测量：将一滤波器连接所述控制器，所述二次电流的测量方法如下：

通过上位机连接滤波器采集装置的数字输出，当系统闭环稳定时，控制器的输出控制二次电流源实现安匝平衡，则通过数字输出/>和k计算出二次电流/>，/>，则一次电流/>由式(3)计算：/> (3)；

其中，k为二次电流源的比例系数。

2.如权利要求1所述的一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，其特征在于：

所述光纤电流传感器采用干涉测量的光纤电流传感器或偏振测量的光纤电流传感器；

所述传感光纤为双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，包括熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤和椭圆双折射光子晶体光纤；

所述反射镜通过在光纤末端镀反射膜或耦合反射片实现，反射膜为介质膜或金属膜；

所述光电信号检测器采用闭环检测方法或开环检测方法对所述一次电流与所述二次电流/>的安匝差进行检测；

所述控制器具备增益调节和数字滤波功能，采用的控制算法为积分控制算法、比例-积分控制算法或比例-微分-积分控制算法；

所述二次电流源采用数控电流源或采用跨导放大器，所述跨导放大器需通过额外增加的D/A转换器将控制器输出的数字量变为模拟量进行驱动；

所述二次绕组由金属漆包线绕制或采用超导线绕制。

3.一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，其特征在于：包括：光纤电流传感器、控制器、二次电流源和二次绕组，且光纤电流传感器进一步包括传感光纤和光电信号检测器；

所述传感光纤围绕一次载流导体并穿过所述二次绕组形成闭合环路，所述传感光纤围绕一次载流导体的匝数为M ₁，所述传感光纤穿过所述二次绕组的匝数为M ₂，且M ₁≤M ₂；

所述传感光纤的一端与所述光电信号检测器和所述控制器依次连接，另一端连接一反射镜；所述二次电流源一连接所述二次绕组的第一端，另一端连接所述控制器，所述二次绕组的第二端接地；

所述光电信号检测器实时测量一次电流与二次电流/>的安匝差，所述一次电流为超大电流，所述二次电流/>为小电流；

所述控制器对所述光电信号检测器的测量结果进行实时计算，并控制所述二次电流源产生与所述一次电流方向相反的电流，驱动所述二次绕组，直至所述一次电流/>与所述二次电流/>实现安匝平衡，即/>，其中，N为二次绕组匝数；此时，一次大电流按照匝数比被转换为二次小电流，转换比例/>，转换比例的相对误差为：/> (4)；

其中，为一次电流/>与二次电流/>之间的安匝误差，通过测量二次电流/>，并根据/>计算出一次电流/>，从而实现超大电流精密测量；

所述二次电流由下述两种方式之一进行测量：

第一种、通过采样电阻进行测量：将一采样电阻连接所述二次绕组的第二端和地之间；所述二次电流/>的测量方法如下：

所述二次小电流流经采样电阻，形成整个比例标准装置的模拟电压输出/>，则通过模拟电压输出/>和采样电阻/>计算出二次电流/>，则一次电流/>由式(5)计算： (5)；

第二种、通过上位机进行测量：将一滤波器连接所述控制器，所述二次电流的测量方法如下：

通过上位机连接滤波器采集装置的数字输出，当系统闭环稳定时，控制器的输出控制二次电流源实现安匝平衡，则通过数字输出/>和k计算出二次电流/>,/>，则一次电流/>由式(6)计算：/> (3)；

其中，k为二次电流源的比例系数。

4.如权利要求3所述的一种基于Faraday磁光效应的超大电流比例标准装置，其特征在于：

所述光纤电流传感器采用干涉测量的光纤电流传感器或偏振测量的光纤电流传感器；

所述传感光纤为双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，包括熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤和椭圆双折射光子晶体光纤；

所述反射镜通过在光纤末端镀反射膜或耦合反射片实现，反射膜为介质膜或金属膜；

所述光电信号检测器采用闭环检测方法或开环检测方法对所述一次电流与所述二次电流/>的安匝差进行检测；

所述控制器具备增益调节和数字滤波功能，采用的控制算法为积分控制算法、比例-积分控制算法或比例-微分-积分控制算法；

所述二次电流源采用数控电流源或采用跨导放大器，所述跨导放大器需通过额外增加的D/A转换器将控制器输出的数字量变为模拟量进行驱动；

所述二次绕组由金属漆包线绕制或采用超导线绕制。