專利名稱：基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)電流檢測技術(shù)，特別涉及一種基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
智能電網(wǎng)是一個涉及多技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性概念，發(fā)展智能電網(wǎng)必須以測量技術(shù)為手段、設(shè)備技術(shù)為支撐、控制技術(shù)為方法、支持技術(shù)為導(dǎo)向。其中電流是智能電網(wǎng)需要檢測的重要參數(shù)，電流傳感器也就成為了智能電網(wǎng)中最重要的儀器之一，大電流檢測技術(shù)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。大電流檢測系統(tǒng)應(yīng)用光纖的法拉第效應(yīng)，由于法拉第效應(yīng)，電流產(chǎn)生磁場，磁場再影響偏振態(tài)，儀器通過對偏振態(tài)檢測，得到被測的電流值。然而一直以來，由于溫度對基于光纖偏振態(tài)檢測電流的影響難以避免和補償，至今光纖式電流互感器仍難以形成批量和大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對大電流檢測系統(tǒng)中溫度對基于光纖偏振態(tài)檢測電流的影響難以避免和補償?shù)膯栴}，提出了一種基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，通過對環(huán)境溫度進行實時測量，并通過設(shè)置偏振控制器、在偏振控制器中同時輸入光信號和溫度信號，在偏振控制器中對溫度變化信號進行補償，從而使光信號在控制器輸出端(檢測電流之光纖)始終保持線性的偏振態(tài)，從而避免了溫度變化對光的偏振態(tài)變化產(chǎn)生的影響，因而也就避免了溫度變化對電流檢測結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的測量準確度。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，磁光晶體置于通有大電流的導(dǎo)線邊，激光光源，環(huán)形器，偏振控制器，磁光晶體，光纖反射鏡用保偏光纖依次相連，光纖偏振態(tài)探測器通過光纖傳感器模塊測量光纖的實時偏振態(tài)變化量送單片機，溫度傳感器測試環(huán)境溫度送單片機內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，偏振控制器將測得的光的偏振量送單片機，單片機處理信號后，輸出偏振補償量通過偏振控制器傳送至傳感光纖。所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，該儀器傳感部分應(yīng)用光學(xué)原理，所以對絕緣器件的要求不高，相對傳統(tǒng)型測試系統(tǒng)尺寸變小、造價變低；由于該儀器放棄了電磁鐵芯，采用磁光效應(yīng)原理，所以動態(tài)范圍非常大，反應(yīng)速率高，可以實現(xiàn)大電流的非飽和測試；采用光纖作為傳感器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，安全性得到極大的提高；采用偏振控制器對光的偏振態(tài)實施控制，同時在偏振控制系統(tǒng)中針對溫度的影響進行補償，從而使光信號到達傳感光纖檢測電流前完全避免了溫度的影響。


圖I為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)中光纖偏振電流傳感系統(tǒng)原理圖2為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)硬件連接示意圖； 圖4為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)軟件流程圖。
具體實施例方式如圖I所不光纖偏振電流傳感系統(tǒng)原理圖,在磁場的作用下,本來不具有旋光性的物質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性(光矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn))這種現(xiàn)象稱作磁致旋光效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)。旋
轉(zhuǎn)矢量^ = u ,設(shè)物質(zhì)旋光能力為P，則當光通過物質(zhì)的光程為7時，光偏振面
Gs YHsP λ a
的旋轉(zhuǎn)角￡1為4= 1=57 I=Vu 1，此處V= ，V稱為費爾德常數(shù)，與物質(zhì)的性質(zhì)、溫
W Wp ^ n8 Mgw
Ao
度以及光的頻率(波長)有關(guān)，物理意義是每單位光程每單位場強的旋轉(zhuǎn)角。線偏振光通過磁光材料時，在電流產(chǎn)生的磁場作用下其偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)
角0正比于磁場H沿著線偏振光通過材料路徑的線積分= V f Hdi,
由全電流定律有e = y§L Hdl =VNI，通過探測線偏振光偏轉(zhuǎn)角度來探測電流的變化。
電流與Θ角成正比，測出§角即可求出電流I。上述就是本發(fā)明所述系統(tǒng)工作的理論依據(jù)。本發(fā)明專利的突出優(yōu)點是在正常情況下，可以由計算機軟件自動反饋環(huán)境溫度對光在光纖傳輸偏振態(tài)的影響；當系統(tǒng)發(fā)生異常狀況時，也可以進行手動操作。同時還具有計算機監(jiān)控功能，顯示當前被控量的設(shè)定值、實際值，控制量的輸出。如圖2所示基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光光源I、環(huán)形器2、偏振控制器3、光纖傳感器4、中央控制芯片5、磁光晶體7、光纖反射鏡6。所述的激光光源I、環(huán)形器2、偏振控制器3、磁光晶體7、光纖反射鏡6用保偏光纖依次相連。具體實施時，所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。如圖3所示系統(tǒng)硬件連接示意圖，MCU單片機作為中央控制芯片5，光纖偏振態(tài)探測器11通過光纖傳感器模塊4測量光纖的實時偏振態(tài)變化，送中央芯片5，溫度補償性NTC 熱敏電阻作為溫度傳感器9，溫度傳感器9和單片機5中的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集測試的環(huán)境溫度信號。此時偏振控制器3將測得的光的偏振量直接發(fā)送至中央控制芯片5。此時的光偏振量主要由環(huán)境溫度變化的影響產(chǎn)生，據(jù)此計算出溫度變化引起的光偏振態(tài)的偏移量，再由中央控制芯片程序自動控制偏振態(tài)補償量，通過偏振控制器3再將補償后的信號傳送至光纖傳感器模塊4，從而使光纖偏振態(tài)在輸入傳感光纖之前完全抵消了溫度的影響。低壓電源10為溫度傳感器9、中央芯片5、偏振控制器3、偏振態(tài)探測器11供電。本發(fā)明專利所述系統(tǒng)的工作過程為將偏振控制器3與中央控制芯片相連，通過軟件控制調(diào)整偏振態(tài)，使輸出光的偏振態(tài)處于偏振態(tài)變化靈敏度最高的位置。將磁光晶體7 置于通有大電流的導(dǎo)線附近。通過中央控制芯片實時監(jiān)控偏振態(tài)，實現(xiàn)導(dǎo)線中的電流的檢測。如圖4是本發(fā)明所述系統(tǒng)的軟件流程圖。程序開始先檢測激光的偏振態(tài)，然后檢測系統(tǒng)所處溫度，通過算法對溫度變化進行補償，再輸出偏振態(tài)檢測值，最后計算得到電流值。實際應(yīng)用中，單模光纖截面由于加工工藝導(dǎo)致不可能是理想的真圓，而是有一定的橢圓度和形狀畸變；另一方面，拉制光纖的材料在縱向和橫向上也很難保證是理想和均勻的，因而導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)不均勻，在不同的環(huán)境溫度下會呈現(xiàn)不同的橫向、縱向內(nèi)應(yīng)力，這就使得光纖的兩個本征偏振模/STdPiiSf1之間存在著一定的模式藕合。單模光纖
的歸一化雙折射參數(shù)β反映這一模式耦合程度5 = %- ，式中是模式ZffiT1的折射
率，是模式的折射率。光纖中這種固有的模式折射率的現(xiàn)象被稱為固有雙折射效應(yīng)，用Δ於來衡，
Lfi^(2K!X)-(ny - )式O ,應(yīng)用在實際環(huán)境中的單模光纖，其雙折射特性包括固有雙
折射特性和各種環(huán)境因素所致的雙折射(感生雙折射)特性，而溫度的感生雙折射效應(yīng)對于線性雙折射的影響最大。由單模光纖的相位溫度特性的數(shù)學(xué)表達式
權(quán)利要求
1.一種基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，其特征在于，磁光晶體置于通有大電流的導(dǎo)線邊，激光光源，環(huán)形器，偏振控制器，磁光晶體，光纖反射鏡用保偏光纖依次相連，光纖偏振態(tài)探測器通過光纖傳感器模塊測量光纖的實時偏振態(tài)變化量送單片機，溫度傳感器測試環(huán)境溫度送單片機內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，偏振控制器將測得的光的偏振量送單片機，單片機處理信號后，輸出偏振補償量通過偏振控制器傳送至傳感光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖偏振態(tài)檢測的環(huán)境溫度補償大電流測量系統(tǒng)，通過對環(huán)境溫度進行實時測量，并通過設(shè)置偏振控制器、在偏振控制器中同時輸入光信號和溫度信號，在偏振控制器中對溫度變化信號進行補償，從而使光信號在控制器輸出端(檢測電流之光纖)始終保持線性的偏振態(tài)，從而避免了溫度變化對光的偏振態(tài)變化產(chǎn)生的影響，因而也就避免了溫度變化對電流檢測結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的測量準確度。結(jié)構(gòu)簡單，對絕緣器件的要求不高，相對傳統(tǒng)型測試系統(tǒng)尺寸變小、造價低。采用磁光效應(yīng)原理，所以動態(tài)范圍非常大，反應(yīng)速率高，可以實現(xiàn)大電流的非飽和測試；采用光纖作為傳感器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，安全性得到極大的提高。
文檔編號G01R19/00GK102590608SQ20121005447
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者侯英龍, 馮舒寧, 張學(xué)典, 張振一, 毛辰飛, 魯敦科 申請人:上海理工大學(xué)