專利名稱：光纖電流互感器及其在線測(cè)溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流互感器，具體地說，是指一種光纖電流互感器及其在線測(cè)溫方法，該在線測(cè)溫方法利用λ/4波片相位延遲隨溫度變化的特性，間接得到傳感頭的溫度。
背景技術(shù)：
光纖電流互感器(Current tranducer簡(jiǎn)稱CT)是一種新型的電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，具有絕緣特性好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電流互感器傳感頭直接安裝在高壓線路上，受外界環(huán)境溫度影響大。在利用磁光效應(yīng)測(cè)量電流時(shí)，由于傳感頭溫度的變化，其磁光效應(yīng)特性將發(fā)生變化，會(huì)直接導(dǎo)致光纖互感器的測(cè)試誤差。
利用傳統(tǒng)的電子式測(cè)量方案是不可行的，因?yàn)檫@將破壞光纖電流互感器的絕緣特性。
利用非接觸式溫度傳感器測(cè)量傳感頭溫度雖然不會(huì)破壞互感器的絕緣特性，但是會(huì)增加光路器件，造成成本的增大。
為了消除光纖電流互感器的溫度誤差，本發(fā)明利用λ/4波片相位延遲隨溫度變化的特性對(duì)傳感頭進(jìn)行在線測(cè)溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光纖電流互感器及其在線測(cè)溫方法，該光纖電流互感器通過采用在保偏延遲光纜與傳感頭之間連接一λ/4波片，利用λ/4波片對(duì)溫度與相位延遲的特性實(shí)現(xiàn)在線測(cè)溫。在線測(cè)溫所測(cè)的溫度與相位延遲成線性關(guān)系，通過在線測(cè)溫的手段有效地提高了光纖電流互感器所測(cè)電流的精度。
本發(fā)明的一種光纖電流互感器，由光源、光電探測(cè)器、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏延遲光纜、波片、傳感頭以及對(duì)光電探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)電壓信號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理單元構(gòu)成，所述傳感頭由傳感光纖和反射膜構(gòu)成，反射膜鍍覆在傳感光纖端面；所述波片是λ/4波片，λ/4波片由入纖和保偏光纖熔接構(gòu)成，入纖與保偏光纖對(duì)軸45°熔接形成第一熔點(diǎn)，保偏光纖與傳感光纖熔接形成第二熔點(diǎn)；光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與環(huán)形器的兩根入纖熔接，環(huán)形器的尾纖與起偏器的入纖熔接，起偏器的尾纖與相位調(diào)制器的入纖45°熔接，相位調(diào)制器的尾纖與保偏延遲光纜的一端連接，保偏延遲光纜的另一端與λ/4波片連接，λ/4波片另一端與傳感光纖熔接；光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給信號(hào)處理單元，經(jīng)信號(hào)處理單元處理后反饋方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器。
所述光纖電流互感器的在線測(cè)溫，經(jīng)信號(hào)處理單元隔直、濾波后的光強(qiáng)信號(hào)Iout＝Ex2(1-sinδ)sin(4NVI)/2經(jīng)瓊斯矩陣得到λ/4波片的相位延遲角度δ，由λ/4波片感應(yīng)傳感光纖的溫度變化，且所述溫度變化與λ/4波片的相位延遲成線性關(guān)系δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)，得到所述傳感光纖的當(dāng)前溫度T。
本發(fā)明光纖電流互感器的優(yōu)點(diǎn)(1)體積小、重量輕；(2)無鐵心線圈，不存在磁飽和和鐵磁諧振問題；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬，不受電磁干擾，測(cè)量精度高。
本發(fā)明光纖電流互感器在線測(cè)溫方法的優(yōu)點(diǎn)(1)非接觸式測(cè)量，絕緣特性好；(2)未增加光纖電流互感器的光路器件；(3)能夠?qū)鞲蓄^進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)測(cè)量；(4)溫度測(cè)量精度高。


圖1是本發(fā)明光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明λ/4波片結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖中1.光源 2.環(huán)形器 3.起偏器 4.相位調(diào)制器5.保偏延遲光纜 6.λ/4波片 61.入纖 62.保偏光纖63.第一熔點(diǎn) 64.第二熔點(diǎn) 7.傳感頭 71.傳感光纖 72.反射膜8.光電探測(cè)器 9.信號(hào)處理單元具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參見附圖所示，本發(fā)明是一種光纖電流互感器，由光源1、光電探測(cè)器8、環(huán)形器2、起偏器3、相位調(diào)制器4、保偏延遲光纜5、波片、傳感頭7以及對(duì)光電探測(cè)器8探測(cè)到的光強(qiáng)電壓信號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理單元9構(gòu)成，所述傳感頭7由傳感光纖71和反射膜72構(gòu)成，反射膜72鍍覆在傳感光纖71端面，傳感頭7在線測(cè)溫范圍為-40℃～+50℃；所述波片是λ/4波片6，λ/4波片6由入纖61和保偏光纖62熔接構(gòu)成，入纖61與保偏光纖62對(duì)軸45°熔接形成第一熔點(diǎn)63，保偏光纖62與傳感光纖71熔接形成第二熔點(diǎn)64；光源1和光電探測(cè)器8的尾纖分別與環(huán)形器2的兩根入纖熔接，環(huán)形器2的尾纖與起偏器3的入纖熔接，起偏器3的尾纖與相位調(diào)制器4的入纖45°熔接，相位調(diào)制器4的尾纖與保偏延遲光纜5的一端連接，保偏延遲光纜5的另一端與λ/4波片6連接，λ/4波片6另一端與傳感光纖71熔接；光電探測(cè)器8輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給信號(hào)處理單元9，信號(hào)處理單元9輸出方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器4。
在本發(fā)明中，光源1、光電探測(cè)器8、環(huán)形器2、起偏器3、相位調(diào)制器4、保偏延遲光纜5、λ/4波片6和傳感頭7各器件采用全光纖連接。光源1是SLD光源或者LED光源，所述的相位調(diào)制器4是PZT調(diào)制器或者光電調(diào)制器或者集成光學(xué)調(diào)制器，所述的λ/4波片6是全光纖波片，所述傳感頭7的傳感光纖71是單模光纖或者圓雙折射光纖或者低雙折射光纖或者退火光纖。
本發(fā)明光纖電流互感器的在線測(cè)溫方法，由λ/4波片6感應(yīng)傳感光纖71的溫度，且所述溫度變化與λ/4波片6的相位延遲成線性關(guān)系δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)，式中，δ表示λ/4波片6相位延遲角度，β0表示光的初始傳播常數(shù)，L0表示光纖的初始長(zhǎng)度，a表示傳播常數(shù)隨溫度變化的線性系數(shù)，T表示當(dāng)前溫度，T0表示初始溫度。在本發(fā)明中，當(dāng)前溫度T與相位延遲角度δ的關(guān)系為當(dāng)前溫度T升高則相位延遲角度δ增大；當(dāng)前溫度T降低則相位延遲角度δ減小。在本發(fā)明中，所述λ/4波片6是長(zhǎng)度為l＝(2k+1)λ/4，k＝0，1，2……，其中λ為保偏光纖62的拍長(zhǎng)，拍長(zhǎng)長(zhǎng)度6～8mm。由于考慮到本發(fā)明的光纖電流互感器中的λ/4波片6受溫度影響相位延遲會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光電探測(cè)器8探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生誤差，所以λ/4波片6取k＝0的情況，λ/4波片6的長(zhǎng)度L取λ/4，即λ/4波片6的保偏光纖62長(zhǎng)度最短取1.5～2mm。
光強(qiáng)信號(hào)與相位延遲誤差的關(guān)系由瓊斯矩陣推得，光電探測(cè)器8探測(cè)得到的光強(qiáng)信號(hào)Iout與信號(hào)處理單元9反饋的疊加信號(hào)b存在Iout＝Ex2[1-(1-sinδ)cosb+sinδcos(4NVI-b)]/2，式中，Ex表示輸入光強(qiáng)，δ表示波片的相位延遲，N表示傳感光纖71圈數(shù)，V表示傳感光纖71的維爾德常數(shù)，I表示被測(cè)電流，b表示加載在相位調(diào)制器4上的方波B和階梯波F的疊加信號(hào)，且b＝B+F＝±π/2+F。本發(fā)明光纖電流互感器的閉環(huán)檢測(cè)中4NVI≈F，即法拉第旋轉(zhuǎn)角(4NVI)應(yīng)當(dāng)約等于階梯波(F)的高度，經(jīng)過信號(hào)處理單元9隔直、濾波后光強(qiáng)信號(hào)Iout＝Ex2(1-sinδ)sin(4NVI)/2，即得到λ/4波片6的相位延遲δ。
相位延遲與溫度變化量的關(guān)系當(dāng)光束以傳播常數(shù)β通過長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖時(shí)，相位延遲為δ＝βL，其中光的傳播常數(shù)β與光纖長(zhǎng)度L都與溫度成線性關(guān)系，光的傳播常數(shù)β＝β0(1+a(T-T0))，(式中，β0表示光的初始傳播常數(shù)，a表示傳播常數(shù)隨溫度變化的線性系數(shù)，T表示當(dāng)前溫度，T0表示初始溫度)；對(duì)于波片光纖長(zhǎng)度L＝L0(1+b(T-T0))，(式中，L0表示光纖的初始長(zhǎng)度，b表示光纖長(zhǎng)度隨溫度變化的線性系數(shù)，T表示當(dāng)前溫度，T0表示初始溫度)。所以當(dāng)溫度變化一段時(shí)間t后，波片相位延遲δ＝β×L＝[β0(1+a(T-T0))]×[L0(1+b(T-T0))]＝β0L0+β0L0b(T-T0)+β0L0b(T-T0)+β0L0ab(T-T0)2，其中，傳播常數(shù)隨溫度變化的線性系數(shù)a≈10-3，光纖長(zhǎng)度隨溫度變化的線性系數(shù)b≈10-6，當(dāng)溫度在-40℃～+50℃范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度變化量ΔT＝(T-T0)≈102，這樣使β0L0ab(T-T0)2為二階小量，β0L0b(T-T0)為相對(duì)小量，忽略這兩項(xiàng)得到相位延遲δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到波片相位延遲δ＝C+DΔT，式中C＝β0L0，D＝β0L0a。所以波片相位延遲δ與溫度變化量ΔT成線性關(guān)系。
由上述光強(qiáng)信號(hào)與相位延遲誤差的關(guān)系與上述相位延遲與溫度變化量的關(guān)系得到信號(hào)處理單元9隔直、濾波后光強(qiáng)信號(hào)Iout＝Ex2(1-sinδ)sin(4NVI)/2經(jīng)瓊斯矩陣得到λ/4波片6的相位延遲角度δ，由λ/4波片6感應(yīng)傳感光纖71的溫度變化，且所述溫度變化與λ/4波片6的相位延遲成線性關(guān)系δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)，得到所述傳感光纖71的當(dāng)前溫度T。
信號(hào)處理單元9一般光纖電流互感器中的信號(hào)處理單元9由前放單元、FPGA、DSP、方波調(diào)制電路、數(shù)字階梯波發(fā)生電路、模擬輸出電路、光源驅(qū)動(dòng)電路和電源電路組成，前放單元接收由所述光電探測(cè)器輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)，并將其進(jìn)行隔直、濾波、放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出給FPGA，F(xiàn)PGA將實(shí)時(shí)采集的電壓信號(hào)輸出給DSP，經(jīng)DSP進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、數(shù)值濾波、積分處理后輸出數(shù)據(jù)信號(hào)給FPGA；FPGA輸出數(shù)字電壓信號(hào)給模擬輸出電路，模擬輸出電路對(duì)接收的數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后放大輸出；FPGA輸出時(shí)序控制信號(hào)給方波調(diào)制電路和數(shù)字階梯波發(fā)生電路，將時(shí)序控制信號(hào)經(jīng)方波調(diào)制電路后形成方波控制信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào)經(jīng)數(shù)字階梯波發(fā)生電路后形成數(shù)字階梯波高度信號(hào)進(jìn)行疊加后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，相位調(diào)制器對(duì)接收的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制保持干涉光強(qiáng)恒定；光源驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源。
本發(fā)明光纖電流互感器的在線測(cè)溫步驟為(A)由傳感頭7感應(yīng)所在環(huán)境的初始溫度T0；(B)經(jīng)一段時(shí)間t后，當(dāng)前溫度T，則當(dāng)前溫度T與初始溫度T0變化了的溫度變化量ΔT＝T-T0；(C)經(jīng)一段時(shí)間t后，光電探測(cè)器8輸出給信號(hào)處理單元9的光強(qiáng)信號(hào)為Iout；(D)由信號(hào)處理單元9通過Iout＝Ex2(1-sinδ)sin(4NVI)/2式解算出λ/4波片6的相位延遲角度δ；(E)由相位延遲角度δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)得到當(dāng)前的溫度T。
權(quán)利要求
1.一種光纖電流互感器，包括光源(1)、光電探測(cè)器(8)、相位調(diào)制器(4)、波片、傳感頭(7)以及對(duì)光電探測(cè)器(8)探測(cè)到的光強(qiáng)電壓信號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理單元(9)，其特征在于還包括環(huán)形器(2)、起偏器(3)、保偏延遲光纜(5)構(gòu)成，所述傳感頭(7)由傳感光纖(71)和反射膜(72)構(gòu)成，反射膜(72)鍍覆在傳感光纖(71)端面；所述波片是λ/4波片(6)，λ/4波片(6)由入纖(61)和保偏光纖(62)熔接構(gòu)成，入纖(61)與保偏光纖(62)對(duì)軸45°熔接形成第一熔點(diǎn)(63)，保偏光纖(62)與傳感光纖(71)熔接形成第二熔點(diǎn)(64)；光源(1)和光電探測(cè)器(8)的尾纖分別與環(huán)形器(2)的兩根入纖熔接，環(huán)形器(2)的尾纖與起偏器(3)的入纖熔接，起偏器(3)的尾纖與相位調(diào)制器(4)的入纖45°熔接，相位調(diào)制器(4)的尾纖與保偏延遲光纜(5)的一端連接，保偏延遲光纜(5)的另一端與λ/4波片(6)連接，λ/4波片(6)另一端與傳感光纖(71)熔接；光電探測(cè)器(8)輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給信號(hào)處理單元(9)，經(jīng)信號(hào)處理單元(9)處理后反饋方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器的在線測(cè)溫，其特征在于經(jīng)信號(hào)處理單元(9)隔直、濾波后的光強(qiáng)信號(hào)Iout＝Ex2(1-sinδ)sin(4NVI)/2經(jīng)瓊斯矩陣得到λ/4波片(6)的相位延遲角度δ，由λ/4波片(6)感應(yīng)傳感光纖(71)的溫度變化，且所述溫度變化與λ/4波片(6)的相位延遲成線性關(guān)系δ＝β0L0+β0L0a(T-T0)，得到所述傳感光纖(71)的當(dāng)前溫度T，式中，Iout表示光強(qiáng)信號(hào)，Ex表示光源(1)輸出的光強(qiáng)，δ表示λ/4波片(6)的相位延遲角度，N表示傳感光纖(71)圈數(shù)，V表示傳感光纖(71)的維爾德常數(shù)，I表示被測(cè)電流，δ表示λ/4波片(6)相位延遲角度，β0表示光的初始傳播常數(shù)，L0表示保偏光纖(62)的初始長(zhǎng)度，a表示傳播常數(shù)隨溫度變化的線性系數(shù)，T表示當(dāng)前溫度，T0表示初始溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖電流互感器的在線測(cè)溫，其特征在于當(dāng)前溫度T與相位延遲角度δ的關(guān)系為當(dāng)前溫度T升高則相位延遲角度δ增大；當(dāng)前溫度T降低則相位延遲角度δ減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖電流互感器的在線測(cè)溫，其特征在于所述λ/4波片(6)是長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝(2k+1)λ/4，k＝0，1，2……，其中λ為保偏光纖(62)的拍長(zhǎng)，拍長(zhǎng)長(zhǎng)度6～8mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖電流互感器的在線測(cè)溫，其特征在于所述λ/4波片(6)的保偏光纖(602)長(zhǎng)度至少1.5～2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于所述傳感頭(7)在線測(cè)溫范圍為-40℃～+50℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于所述的光源(1)是SLD光源或者LED光源，所述的相位調(diào)制器(4)是PZT調(diào)制器或者光電調(diào)制器或者集成光學(xué)調(diào)制器，所述的λ/4波片(6)是全光纖波片，所述傳感頭(7)的傳感光纖(71)是單模光纖或者圓雙折射光纖或者低雙折射光纖或者退火光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于光源(1)、光電探測(cè)器(8)、環(huán)形器(2)、起偏器(3)、相位調(diào)制器(4)、保偏延遲光纜(5)、λ/4波片(6)和傳感頭(7)各器件采用全光纖連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖電流互感器及其在線測(cè)溫方法，其傳感頭由傳感光纖和反射膜構(gòu)成，λ/4波片由入纖和保偏光纖熔接構(gòu)成，入纖與保偏光纖對(duì)軸45°熔接形成第一熔點(diǎn)。光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與環(huán)形器的兩根入纖熔接，環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏延遲光纜、λ/4波片、傳感光纖順次連接，且起偏器的尾纖與相位調(diào)制器的入纖45°熔接；光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元輸出方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器。本發(fā)明的在線測(cè)溫方法由λ/4波片感應(yīng)傳感光纖的溫度，且溫度變化與λ/4波片的相位延遲成線性關(guān)系δ＝β
文檔編號(hào)G01R15/24GK1687794SQ20051007661
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者張春熹, 王夏霄, 姜中英, 馮麗爽, 張朝陽, 袁玉廠 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)