CN1808167B

CN1808167B - 磁-光传感器

Info

Publication number: CN1808167B
Application number: CN2005101191793A
Authority: CN
Inventors: K·－L·J·邓; G·A·福尔曼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP4993252B2; US20060126990A1; JP2006170983A; CN1808167A; US7277179B2; EP1669770A1

Abstract

一种用于估计从包括电流、磁场或其组合的一组中选择的参数的系统，其包括一个谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器(10)，其中该环路谐振器包括一个耦合到光波导(14)的磁-光传感元件(12)，其中配置该环路谐振器以用于从宽频带光源(20)接收一个始发光信号以及提供一个表示所估计参数的已调制信号。

Description

磁-光传感器

技术领域

本发明总体涉及传感器。本发明尤其涉及磁-光电流和磁场传感器。

背景技术

常规的基于变压器的电流传感器对于现场操作来说尺寸大，并且在高电压或电流下易于达到饱和。替换的电流传感器(例如光学电流传感器)通常依赖于该电流产生的磁场的法拉第效应，以改变在导体附近的光纤中传播的光的偏振。用于从光纤中提取这种信息的方法是非常复杂和昂贵的。在一个例子中，复杂的有功电源被设置在线电位(line potential)。基于偏振测定方法的光纤电流传感器需要对于偏振状态的严格控制。用于偏振测量的这些部件通常基于昂贵的体光学部件，而要维持大量这种部件的对准(alignment)就成为一个挑战性的任务。而且，由于系统的复杂性，所以用于分布式传感应用的级联偏振测定电流传感器是不实用的。

对高电压环境中流动的电流的测量也是非常需要的，特别是在电力传输和分配系统中。传输和分配系统对有功(active)和无功(reactive)功率中的变化作出动态反应。为了使电力传输变得经济以及使电力系统故障的风险降低，需要无功补偿系统(reactive compensation system)，特别是能够在电网上的多个点同时监视电流流动的系统。

因此需要低成本的电流测定和测试设备。对于允许复用的电流测量系统有特殊的需要，它能够被经济地在需要多通道测试设备的应用中扩展和使用。

发明内容

简单地说，根据本发明的一个实施例，一种用于电流或磁场参数确定的系统包括一个谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器，其中该环路谐振器包括一个耦合到光波导的磁-光传感元件，并且其中配置该环路谐振器以用于接收始发光信号、在两个相反的方向上传播该信号并且提供一个表示该参数的已调制信号。

根据本发明的另一实施例，一种用于电流或磁场参数确定的系统包括多个谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器，其中每个环路谐振器包括一个耦合到光波导的磁-光传感元件，并且其中配置所述环路谐振器以用于接收光信号、在两个相反的方向上传播该信号并且提供一个表示该参数的已调制信号。

根据本发明的一个方面，一种用于电流或磁场参数确定的方法包括：提供至少一个频率可调谐的磁-光环路谐振器，将该环路谐振器定位在要感测的磁场中，将来自信源的始发信号耦合到该至少一个环路谐振器中，通过该环路谐振器的两臂传播该始发信号，以及检测一个来自该至少一个谐振器的已调制信号。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将会变得更好理解，其中在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的系统的示意图。

图2是根据本发明的第二实施例的系统的示意图。

图3是根据本发明的第三实施例的系统的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的分布式电流传感系统的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的差分电流传感系统的示意图。

图6是合并了根据本发明一个实施例的电流系统的实施例的无功补偿系统的示意图。

图7是根据本发明的一个实施例的双环系统的示意图。

图8是用于图7的实例的曲线图，其说明了双环系统的预期频谱响应。

图9是图8的曲线图中感兴趣部分的放大图。

图10是用于图7的实例的曲线图，其说明了预期精确度对波长分辨率和差分长度。

图11是用于图7的实例的曲线图，其说明了波长偏移对相位偏移的实验结果。

图12是用于图7的实例的曲线图，其说明了电流对振幅的实验结果。

图13是说明频谱实验结果的曲线图，该频谱包括用于图7的实例的所示通道。

具体实施方式

这里所使用的“适应于”、“配置成”等术语是指系统中的设备允许该系统的元件协作提供所述效果；这些术语也指电学或光学元件(例如模拟或数字计算机)或特定应用设备(例如专用集成电路(ASIC))、放大器等的工作性能，它们被编程以提供响应于给定输入信号的输出，并且这些术语还指用于将这些元件光学地或电学地耦合在一起的机械设备。

这里所使用的术语“电流”可以指交流电流(AC)或直流电流(DC)。

这里的附图和说明是用于说明本发明的一个实施例或方面，而不是要限制本发明。

本发明的实施例涉及一种磁-光传感器，其用于估计从包括电流、磁场或其组合的一组中选择的参数。在本发明的一个实施例中，如图1所示，将谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器10配置成接收一个始发光信号并通过该谐振器反向传播该信号。该环路谐振器包括一个耦合到波导14以形成谐振器结构的磁-光传感元件12。该波导可以包括受导波导(guided waveguide)或自由空间波束(free-space beam)。分光器16可以包括分束器、光纤或波导定向耦合器，例如该分光器16将入射光分离到该环路谐振器的两个反向传播臂中。进一步将该环路谐振器10配置成将一个重组信号或已调制信号从该环路谐振器发送到一个传送端口(显示为光纤24)和反射端口(显示为光纤22)。

法拉第旋转是由于存在平行于光传播方向的磁场而引起的通过磁-光材料的光偏振的旋转。法拉第效应导致的不可逆相位偏移或不可逆折射率偏移，是当存在平行于光传播方向的磁场时的传播速度的变化。如果该磁场或传播方向被反转，那么该变化会反转符号。该不可逆相位偏移与该材料的法拉第旋转或维尔德常数成比例。

导体中的电流I与被闭环s封闭的磁通量密度B的线积分成比例，并由下式给出：

其中μ₀是自由空间的磁导率。

如果将磁-光传感元件布置在携带电流的导体的磁场中，则由于法拉第效应，通过磁-光传感元件以平行于该磁场强度H的方向传播的光会经历不可逆的相位偏移。该不可逆相位偏移由下式给出：

其中V是磁-光传感元件材料的维尔德常数，I是沿单位长度dl流经该导体的电流。

如果该场或传播方向被反转，则该相位偏移的符号反转。因此，在两个反向传播光波之间的相位偏移变化由下式给出：

ΔΦ＝2VI (3)

如果该磁-光传感元件是N匝线圈光纤元件，则该相位偏移由下式给出：

ΔΦ＝2NVI (4)

环路谐振器的谐振频率f是谐振材料的折射率n和该环路谐振器的长度L₁的函数。自由频谱范围(FSR)(即在该谐振器的两个相邻模式之间的频率间隔)由下式给出：

FSR＝c/2nL₁ (5)

其中c是光速。

如果将包括具有反向传播光波的磁-光传感元件的环路谐振器放置于携带电流的导体的磁场中，那么该环路谐振器的谐振频率将是该环路中的两个反向传播光波所经受的不可逆相位变化的灵敏函数。该谐振器的谐振频率(或波长)通过被该谐振器滤波的频率获得，并且可以给出对所施加的磁场的精确估计。该谐振器中的不可逆系数变化导致谐振频率的频率偏移Δf。2π的相位偏移对应于等于FSR的频率偏移。因而，该对应于频率偏移Δf的不可逆相位偏移由下式给出：

ΔΦ＝2NVI＝Δf×2π/(c/2nL₁) (6)

因而对于单个环路谐振器的估计电流由下式给出：

I＝Δf×2πnL₁/(cNV) (7)

如果将具有谐振器长度L₂的环状滤波器耦合到具有所述传感元件的环路谐振器，则该估计电流由下式给出：

I＝Δf×2πn(ΔL)/(cNV) (8)

其中ΔL是L₁-L₂，即谐振器长度之差。

获得该谐振器的频率或被该谐振器滤波的频率可以提供对所施加磁场的精确估计。于是可以估计通过该导体携带的电流。所有其它效应(例如应力和温度)对于该环路内部的反向传播光来说是可逆的，从而当在分光器16处组合这两个光波时，相对相位噪声会彼此抵消。

在图1所示的实施例中，该磁-光传感元件12的非限制性实例包括线圈光纤元件。该光纤线圈可以环绕该携带电流的导体缠绕几匝以感测磁场。在该传感元件的一个实施例中，该传感元件包括一个掺杂有铒或镱的多匝线圈光纤元件。例如，该多匝线圈光纤元件中的匝数是大约200。

光波导14的非限制性实例包括光纤、包含玻璃的波导结构、聚合物波导结构、半导体材料波导结构或自由空间连接结构的周期。具有不同几何结构、不同模式结构和变化的折射率分布的光波导的环路谐振器属于本发明的范围之内。

配置光源20以用于发送通过光纤22耦合入至少一个磁-光环路谐振器10的始发光信号。光源20的非限制性实例包括宽频带源。将宽频带源定义为能够发射一定波长范围的光的源或源的集合。例如，该宽频带源可以包括单波长可调谐激光器或多波长宽频带激光器。至少一个分光器16被用于将该始发信号耦合入该环路谐振器并且从该环路谐振器耦合出已调制信号。

配置处理器30以用于通过光纤24从磁-光环路谐振器10接收该已调制信号。典型地，该处理器还作为波长去复用器工作以解析来自每个传感器的谐振响应。该处理器可以包括一个或多个波长去复用元件、光谱测量仪、波长测量仪、光电检测器、差分放大器和模数转换器。例如，所述波长去复用元件可以包括一个阵列波导光栅、具有检测电路可调谐设备(例如Fabry Perot干涉计)的传输或偏转光栅、环状谐振器或滤波器。在本发明的另一实施例中，处理器30和光源20被集成到单个单元中，以形成一个光学询问器模块50。在本发明的另一实施例中，所述始发信号的一部分被作为参考信号发送到该处理器以帮助提取一个基本准确的参数值。

在如图2所示本发明的另一实施例中，该磁-光环路谐振器10耦合到至少一个环状滤波器18。这使得能够对例如自由频谱范围(FSR)、半高全宽(FWHM)和滤波器细度等多个参数进行调节。进而，该环状滤波器可以被用作对该环路谐振器进行温度补偿的参考。环状滤波器的非限制性实例包括环路谐振器和环状谐振器。通过选择想要的耦合比率，可以配置该环路谐振器-环状滤波器的组合的频率特性。

在一个非限制性实例中，具有200匝光纤传感元件的磁-光环路谐振器耦合到一个谐振滤波器，其中谐振器长度之差ΔL是在大约0.01mm到大约0.1mm的范围内。较低的ΔL值导致较高的频率分辨率和所估计电流的较高精确度。这种系统典型地具有亚纳米分辨率，并且能够例如以1％或更好的精确度估计流经导体的3000安培电流。

在图3所示本发明的另一实施例中，该磁-光传感头12是具有想要的维尔德常数的磁-光晶体12。磁-光晶体的非限制性实例包括铽镓石榴石(TGG)、掺杂有铽的硼硅玻璃、稀土离子、掺杂有铒的玻璃、掺杂有镱的玻璃或LiNbO3。

为了示例性目的，主要针对单个磁-光环路谐振器传感器、一个光源、一个处理器说明了上述实施例，然而，每个系统可以包括一个或多个这种元件，并且这里所使用的“一个”意指“至少一个”。当使用多个环路谐振器时，来自一个环路谐振器的输出信号可以耦合到第二环路谐振器的输入中。在一个例子中，根据本发明的一个实施例的系统包括至少两个具有不同谐振频率的磁-光环路谐振器。在第二个实例中，该系统包括至少两个具有相同谐振频率的谐振器。

本发明的一个使用多个磁-光环路谐振器的实施例是如图4所示的分布式电流估计系统。所述传感器被用在一个包括多个磁-光环路谐振器10的分布式架构中以感测流经不同导体40的电流，其中各磁-光环路谐振器10被设置在多个位置且具有不同谐振频率。来自宽频带源20的始发信号耦合到第一环路谐振器10的输入中。来自最终谐振器的已调制信号被输入到处理器。这些传感器可以被级联，并且可以根据它们的不同谐振频率而被远程辨别。

在本发明的一个实施例中，该分布式电流估计系统被具体实现在变电站中。在电网，对多个传输线的电力分配通常发生在变电站中。理想地，变电站包括一个分布式电流估计系统以监视多个传输线中的电流。

在本发明的另一实施例中，该分布式电流估计系统被具体实现在运输系统中的功率监视系统。在一个非限制性实例中，运输系统包括一个功率监视系统，该功率监视系统包括一个用于感测电流的分布式电流估计系统，其中电功率产生和分配发生在该运输系统中。

本发明的一个使用多个磁-光环路谐振器的实施例是如图5所示的差分电流估计系统。希望有一个系统能够估计在沿着同一导体的两个点上流动的电流之差。这种测量可以用于电功率系统中的差分故障电流中继。电流中的差别还可以提供关于该导体周围的绝缘条件的信息。例如，通过沿着导体的一点上的不良绝缘流向地的小泄漏电流，通常会导致在该不良绝缘两侧的两点上估计的电流不相等。

该系统能够获得在沿同一导体的两点上流动的电流之间的差分信号。在携带电流的导体40的场中，在沿着该同一导体的不同点上至少设置两个磁-光环路谐振器传感器10。来自光源20的光信号耦合到每个环路谐振器中，并且来自每个环路谐振器的已调制光信号通过处理器30检测和处理，以提取在导体的两点之间的差电流。

本系统的另一实施例是接地故障检测系统。在一个例子中，该接地故障检测系统包括两个或更多磁-光传感器，配置所述磁-光传感器来测量两个或更多导体或输电线中的电流，以测量这些导体或输电线中的失衡负载。这种接地故障检测系统可以在具有平衡负载的三相AC系统中实施，以检测该系统中的任何失衡，并且这也在本发明的范围之内。

如图6中所示的根据本发明的所示实施例是用于电力传输和分配(T&D)网络的无功补偿系统。在用于电力T&D网络的无功补偿系统中，具有与地电位完全隔离的磁-光传感元件12的几个磁-光环路谐振器10被安装在传输网络60中的导体上的几个点处。每个环路谐振器可以进一步耦合到至少一个环状滤波器18。该光学询问器模块50通过沿着至少一个光纤22发送始发宽频带信号来询问这些传感器。配置每个环路谐振器10，以便在不同的波长区域中做出响应。该环路谐振器传感器响应于导致已滤波频率发生变化的电流变化。该光学询问器模块50从至少一个光纤24接收所产生的已调制光信号。从不同磁-光传感器始发的光信号被去复用器去复用，并通过包含在该光学询问器模块50中的光电检测器转换成电信号。该信号被进一步处理，并且关于该网络中的各个点处的电流流动的信息被传送给一个控制器，以便能够对该系统中的电力流动进行动态控制。

在本发明的一个方面，一种用于估计从包括电流、磁场或其组合的一组中选择的参数的方法包括以下步骤：提供至少一个具有传感元件的频率可调谐的磁-光环路谐振器，将该传感元件定位在要感测的磁场中，将来自信源的始发信号耦合到至少一个环路谐振器中，沿着两个相反传播方向通过该环路谐振器的两臂传播该始发信号，以及检测来自该至少一个谐振器的已调制信号。该方法进一步包括提供一个用于确定该参数值的处理器。该方法进一步包括配置该处理器以用于差电流估计。

在本发明的另一方面，一种用于估计从包括电流、磁场或其组合的一组中选择的参数的方法包括：配置多个具有不同谐振频率的谐振器并将它们定位在不同导体的磁场中以形成一个分布式网络，通过所述多个环路谐振器发送一个始发信号，配置所述处理器以用于去复用所接收的已调制信号和用于估计该参数。

在一个替换的或者与该频率复用实施例结合使用的实施例中，使用时分复用方案。在该实施例中，通过在不同的时间观察各信号来解析来自各磁-光传感器的已调制信号。在这样一个实施例中，所述磁-光传感器以不同的光纤长度连接到所述信源和/或所述处理器，各已调制信号到达的时间对于每个传感器将是不同的。

实例

图7中示出了一个非限制性实例。各具有不同环路长度L₁和L₂的两个谐振器210和310与99∶1的耦合器116耦合。谐振器210中的输入耦合器216是50∶50，谐振器310中的输出耦合器316是98∶2。选择所述耦合器中的耦合比率，以便最优化如图8和9(其中的曲线示出了用于图7的实例的双环系统的预期频谱响应)中所示的频谱响应，其中实线代表在室温下的系统，虚线代表在室温以上大约200摄氏度的温度下的系统。温度导致的波长偏移被估计为在200摄氏度跨距内小于大约1GHz(0.008nm)。基于具有200匝和最大电流I＝3000A的双环模型，如图10所示，可以相对于该询问系统的差分长度ΔL＝L₁-L₂和波长分辨率来估计电流测量的精确度。例如，使用ΔL＝0.1mm和40pm的波长分辨率，能达到0.3％的高精确度。

根据本发明的一个实施例的系统用于测量流经导体的电流，该电流源自具有可变电流输出的Agilent DC电源。由该源输出的电流是从0安培到700安培可变的。一个具有传感元件的磁-光环路谐振器包括一个缠绕在该导体周围的120匝光纤线圈，该磁-光环路谐振器用于感测流经该导体的电流。在大约1545nm的区域内发射激光的激光器二极管被用作光源，并且其输出用于询问该环路谐振器。一个包括扫描测量仪的询问系统被用于估计该电流。例如来自Precision Photonics的扫描测量仪通常用于扫描该激光器二极管输出波长。一个波长监视器被用于监视该波长。对于大约.16π的不可逆相位偏移，该环路谐振器的谐振频率显示出大约1.3nm(1546nm到1547.3nm)的波长偏移。随着该电流从大约0变化到大约600安培，如图11所示，可以观察到大约0.4nm的波长偏移。使用围绕该中心波长的波长滤波器，将所述波长偏移转换为对应的幅度偏移，并且通过测量所述幅度而估计的电流如图12中所示。该响应在电流测量范围内是线性的。如图13所示，在上述例子中，由于50nm的总可用频谱(从1520纳米到1570纳米)和占据1.4nm的宽度的所示通道，用于复用更多波长长度通道的可能性很高。

本发明的前述实施例具有许多优点，包括：消除偏振分量(由在该偏振测定电流传感器中使用的测量设置的三分之一组成)，因而增强相对于环境噪声(例如光纤弯曲和材料应力)的鲁棒性。在光波长(频率)域中的感测允许对于高动态范围的线性、可缩放且精确的估计，而不会受饱和效应的影响。理想地，本发明的用于估计电流的系统在较大动态范围内具有线性响应。

虽然这里仅对本发明的某些特征进行了图示和说明，但是对于本领域普通技术人员来说，可以进行许多修改和改变。因此，可以理解，所附权利要求书意图覆盖所有这些落在本发明的实质精神内的修改和改变。

Claims

1.一种用于估计从由电流、磁场或其组合组成的组中选择的参数的系统，该系统包括：

谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器(10)，其中该环路谐振器包括耦合到光波导(14)的磁-光传感元件(12)；

其中，配置该环路谐振器以用于接收始发光信号、在两个相反的方向上传播该始发光信号以及提供表示该参数的波长已调制信号；以及

处理器，其被配置为用于接收和处理该波长已调制信号以估计该参数，所述始发光信号的一部分被作为参考信号提供给该处理器。

2.如权利要求1所述的系统，其中该传感元件(12)包括光纤线圈，该光纤线圈包括至少一个成环元件。

3.如权利要求1所述的系统，其中该传感元件包括磁-光晶体。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括环状谐振器滤波器(18)，其中该环路谐振器耦合到环状谐振器滤波器。

5.一种用于估计从由电流、磁场、电流变化、磁场变化或其组合组成的组中选择的参数的系统，该系统包括：

多个谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器(10)，其中每个环路谐振器包括耦合到光波导(14)的磁-光传感元件(12)；

其中，配置每个环路谐振器以用于接收始发光信号、在两个相反的方向上传播该始发光信号以及提供表示该参数的对应的波长已调制信号；以及

处理器，其被配置用于接收和处理该波长已调制信号以估计该参数，所述始发光信号的一部分被作为参考信号提供给该处理器。

6.如权利要求5所述的系统，其中至少两个环路谐振器具有不同的谐振频率。

7.如权利要求5所述的系统，其中至少两个环路谐振器具有相同的谐振频率。

8.如权利要求5所述的系统，其中将来自至少一个环路谐振器的输出耦合到至少一个其它的环路谐振器中。

9.一种分布式电流估计系统，包括：

多个具有不同谐振频率的谐振频率可调谐的磁-光环路谐振器(10)，其中每个环路谐振器包括耦合到波导的磁-光传感元件；

其中，配置每个传感元件(12)以用于感测在不同导体中流动的电流；

其中，配置各环路谐振器以用于接收源自宽频带源(20)的始发光信号、在相反的方向上传播该始发光信号以及将表示所估计电流的波长已调制信号提供给处理器(30)，该处理器被配置为用于接收和处理该波长已调制信号以估计参数，所述始发光信号的一部分被作为参考信号提供给该处理器。