專利名稱：閉環(huán)光纖電流互感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種光纖電流互感器，尤其涉及一種閉環(huán)的全光纖方案的電流互感器，它的傳感部件和光信號傳輸部件都是光纖，它的信號處理部分采用ー種相關檢測方案的多閉環(huán)技木。
背景技術：
電流互感器是電カ輸變電網絡中最基本、最重要的檢測設備之一，它的作用主要包括一、將輸電線路上高電壓環(huán)境中的大電流數值降到可以用二次儀表直接測量的數值，以便于用普通儀表進行測量；ニ、為各種監(jiān)控及保護設備提供電信號，以監(jiān)測電カ系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行；三、對高電壓一次設備和低電壓的二次設備進行隔離。因此，電流互感器的性能與電カ系統(tǒng)的安全、可靠和經濟運行狀況密切相關。電カ 系統(tǒng)中，常規(guī)的電流檢測設備是采用以電磁互感原理為基礎的電流互感器。在高電壓、大電流和強功率的電カ系統(tǒng)中，這種傳統(tǒng)電流互感器暴露出一系列嚴重的缺點潛在的突然失效危險、絕緣困難、鐵芯磁飽和、二次側負荷開路等等。光纖電流互感器由于其固有特點而具備傳統(tǒng)電磁式電流互感器不可比擬的優(yōu)勢。隨著其可靠性的不斷提高，光纖電流互感器將成為電カ領域電能計量和保護使用的主要選用設備，已逐步成為國內外業(yè)界共識。安培定律指出，當導體內有電流流過時，其周圍會產生閉合磁場，采用法拉第磁光效應的辦法測量出該磁場就能得到導體內流過電流的大小。光纖電流互感器通常是到體外繞上一定圈數的光纖形成一個光纖傳感單元。當導體內有電流流過時，根據法拉第效應，其周圍的磁場將使得傳感光纖內傳輸光的偏振方向變化ー個角度，測量出角度的變化量就能得到導體內流過的電流大小。由于該角度很小，直接測量角度來確定電流大小精度很低，因此采用干涉測量的方法，把偏振光角度旋轉轉變成光的相位變化量，再通過干涉后應用基于相關調制解調的微弱信號處理方法進行提取。但是，現(xiàn)有的光纖電流互感器存在以下一些缺點1、光路系統(tǒng)結構復雜，不利于系統(tǒng)集成；2、光路中的元件容易受到溫度等工作條件的影響，測量誤差大，不能實現(xiàn)閉環(huán)反饋。現(xiàn)有的光纖電流互感器技術參見CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A
坐寸ο
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于以下幾個方面一、光路系統(tǒng)結構簡單、便于集成和模塊化；ニ、所用光學元件體積小、重量輕，且不受電磁干擾，對被測量也沒有干擾；三、利用反射式光路和簡單光器件實現(xiàn)正交偏振光的模式互換，形成互易性光路，提高光路抗干擾能力；四、采用多個閉環(huán)技術，有效克服光源功率衰減、光相位調制器半波電壓漂移造成的系統(tǒng)測量誤差，提高互感器運行穩(wěn)定性和可靠性。[0008]為了簡化系統(tǒng)并有效提高系統(tǒng)可靠性，有必要針對傳感的信號處理單元和數據采集單元進行一體化設計。鑒于上述情況，本發(fā)明提供一種閉環(huán)光纖電流互感器，包括光源、光源驅動單元、光電探測器、光學器件集成組件、傳感頭，其中，光學器件集成組件，用于將光源輸出的光線起偏并分解為模式正交的兩束線偏振光，然后把所述兩束線偏振光耦合在同一根保偏光纖的兩個正交模式上并傳輸至傳感頭；接收從傳感頭處返回的光線并使得返回的光線在所述光學器件集成組件中發(fā)生干渉；將干涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調制信息，在兩束線偏振光間疊加偏置調制相位和反饋調制相位；閉環(huán)信號處理單元，接收光電探測器的輸出信號，對該信號進行處理，并將信號處理結果作為反饋調制信息反饋給光器件集成組件和光源驅動單元；光源驅動單元，用于給光源提供恒流和溫控信息，同時接收信號處理單元的反饋信號輸入，使光源輸出穩(wěn)定的光強。根據本發(fā)明的ー個方面，所述光學器件集成組件包括分光合光器件、保偏光纖、光相位調制器、光延遲器。 根據本發(fā)明的ー個方面，所述光器件集成組件包括分光合光器件、保偏光纖、光起偏器、光相位調制器、光延遲器。根據本發(fā)明的ー個方面，所述光器件集成組件包括第一分光合光器件、保偏光纖、Y型光相位調制器、第二分光合光器件、光延遲器。根據本發(fā)明的ー個方面，所述閉環(huán)信號處理單元包括模擬放大濾波単元、模數轉換單元、主回路數字邏輯電路、數模轉換単元、2 π電壓控制單元以及濾波單元。根據本發(fā)明的ー個方面，采用方波偏置調制方式，在兩束相干偏振光間引入土 η /2偏置調制相位差；采用階梯波反饋調制方式在兩束相干偏振光間引入與傳感頭處形成的法拉第相位信息大小相等、方向相反的相位差；采用相關調制解調的辦法進行信號解調。根據本發(fā)明的ー個方面，模擬放大濾波單元，接收來自光電探測器的電信號，進行放大濾波后輸入到模數轉換單元；模數轉換單元，用于接收模擬放大濾波単元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數字信號，然后輸出到主回路數字邏輯電路；主回路數字邏輯電路，接收模數轉換單元輸出，對模數轉換單元輸出信號進行解調，隨之對解調結果進行積分形成數字階梯波臺階高度，并進一歩累加形成數字階梯波；接收2 π電壓控制單元輸出的積分信號，檢測是否有周期性的解調誤差，以對2 π反饋驅動電壓的自動調整；所述主回路數字邏輯電路中還實現(xiàn)數字階梯波與偏置調制方波的疊加，疊加結果輸出到數模轉換単元；所述主回路數字邏輯電路還將解調信息的積分結果直接輸出至濾波器；2π電壓控制単元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將解調后的信號進行積分，得到表征是否存在2π電壓復位誤差的信號，并將所述信號輸出給主回路數字邏輯電路；數模轉換単元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將數字階梯波和偏置調制方波信號的疊加結果轉換為模擬信號，然后將模擬信號輸出給光相位調制器，驅動光相位調制器在兩束線偏振光間引入土 η/2偏置調制相位和反饋調制相位差；濾波單元，用于接收積分單元的輸出，對積分信號進行濾波，濾波結果作為互感器數字輸出。根據下文對最佳實施方式的詳細描述，本發(fā)明公開的這些和其他目的、特征和優(yōu)點將更為明顯。
圖I是本發(fā)明的光纖互感器一個實施例的原理結構示意圖；圖2是圖I中閉環(huán)信號處理單元的ー個具體實施方式
的結構圖；圖3是圖I中光學器件集成組件的多個具體實施方式
的結構圖；圖4是方波調制的波形示意圖；圖5是階梯波反饋相位關系的波形示意圖。
具體實施方式
圖I是本發(fā)明所涉及的光纖互感器的一個實施例的原理結構圖。根據該實施例，該光纖互感器包括光源驅動單元、光源、光學器件集成組件、傳感光纖、反射鏡、1/4波片、 光電探測器、閉環(huán)信號處理單元、電源。傳感光纖、反射鏡、1/4波片這三個部件構成傳感頭。由于傳感頭屬于現(xiàn)有技術，因此未在圖I中用文字標明。此外，傳感頭也可以具有多種實現(xiàn)形式，不屬于本發(fā)明的內容，故不再贅述。光源,用于在光源驅動單兀的控制下輸出一定功率的光束。光學器件集成組件，用于接收光源輸出的光線，并把光源輸出的該光線起偏成線偏振光，隨即又把該線偏振光分解為模式正交的兩束線偏振光；光學器件集成組件中，把上述兩束線偏振振光耦合在同一根保偏光纖的兩個正交模式上，即光學器件集成組件送出兩束模式正交的線偏振光沿著同一根保偏光纖的兩個正交模式前向傳輸至傳感頭，并隨后接收該兩束線偏振光在傳感頭處敏感法拉第磁光效應后沿原光路模式互換返回的光束，返回的兩束光線在光學器件集成組件中發(fā)生干渉；光學器件集成組件還用于將兩束線偏振光的干涉結果通過光纖輸出到光電探測器；此外，光學器件集成組件接受來自閉環(huán)信號處理單元的反饋調制信息，以在兩束線偏振光間疊加土 η /2偏置調制相位和與法拉第相位差Φ F大小相等、方向相反的反饋調制相位Φκ。傳感頭，包括1/4波片、傳感光纖、反射鏡，用于敏感待測電流導線周圍的磁場，SP根據法拉第磁光效應，在兩束正交偏振光間引入法拉第磁光效應相位差Φρ。在傳感頭中，1/4波片用于偏振光束從線偏振光到圓偏振光,或圓偏振光到線偏振光之間的模式變換。在本實施例中，1/4波片用于把前向傳輸的兩束正交線偏振光轉變?yōu)樽笮陀倚膬墒Ｊ秸粓A偏振光，并同時把從傳感光纖返回的兩束圓偏振光轉變回正交的線偏振光。之后，轉變回的兩束線偏振光沿原光路返回。在傳感頭中，反射鏡用于反射光線，使光線反向傳輸。在本實施例中，反射鏡用于使得兩束圓偏振光束模式互換并反向傳輸，即使得原來是左旋和右旋的兩束圓偏振光轉變?yōu)橛倚妥笮膬墒鴪A偏振光并沿傳感光纖返回。光電探測器，用于接收光學器件集成組件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到閉環(huán)信號處理單元中的放大濾波単元。光電探測器屬于現(xiàn)有技術，本領域的技術人員完全能夠得知其具體實現(xiàn)方式，下文不再詳述。閉環(huán)信號處理單元，接收光電探測器的信號輸入，實現(xiàn)信號的數字控制和處理，并將信號處理結果反饋給光學器件集成組件和光源驅動單元。電源，用于把110V、220V等直流或交流市電轉變?yōu)榛ジ衅髦械碾娐钒蹇捎玫娜蹼?，即電源作用是向光源驅動單元和閉環(huán)信號處理單元供電。光源驅動單元，用于給光源提供恒流和溫控信息，同時接收閉環(huán)信號處理單元的反饋信號輸入，使得光源始終輸出穩(wěn)定的光強信息。如圖I所示，在工作狀態(tài)下，電源向光源驅動單元、閉環(huán)信號處理單元供電，光源驅動單元工作，控制光源發(fā)光。光源發(fā)出的光 ，通過光纖進入光學器件集成組件，經過光學器件集成組件的調整，形成線偏振光后又均分成模式正交的兩束光線，即，X、Y兩束模式正交的線偏振光。然后這兩束偏振光沿著同一根保偏傳輸光纖傳輸到傳感頭。在傳感頭處，X、Y兩束模式正交的線偏振光首先通過1/4波片分別轉換成左旋和(或)右旋的圓偏振光。當所述左旋和(或)右旋的圓偏振光到達傳感光纖末端的反射鏡時，這兩種圓偏振光產生模式互換，模式互換后返回(即左旋變右旋、右旋變左旋)。這兩束光再次敏感法拉第磁光效應并通過傳感光纖到達1/4波片，經1/4波片轉變回線偏振光(與之前的線偏振模式也互換了)并沿著原光路返回。兩束光在到達光學器件集成組件后發(fā)生干渉，干渉結果經過光電探測器進行光電轉換后進入閉環(huán)信號處理單元進行信號解算和提取。閉環(huán)信號處理單元根據光電探測器輸入的信號進行處理，將得到的處理結果輸出到光學器件集成組件，從而形成對光路器件的信號反饋，便于精確、穩(wěn)定地檢測到載流導線中所通過的電流。此外，閉環(huán)信號處理單元還根據光電探測器的輸入信號對光源驅動單元進行反饋，形成光源驅動的閉環(huán)控制。如圖I所示，通過對光電探測器輸出結果中直流分量的提取反映光源功率的變化，并把該直流分量信息(即下文中的Itl)實時反饋到光源驅動單元，修正光源驅動電流大小，使得光源始終輸出穩(wěn)定的光功率。上述過程中，兩束偏振光分別兩次敏感法拉第效應形成的相位差大小為=4NVI其中，N是傳感光纖圈數、V是傳感光纖的Verdet常數、I是待測電流大小。ΦF是法拉第相移。之后，兩束線偏振光傳回光學器件集成組件中，并在其中發(fā)生干渉，干涉結果送至光電探測器，轉別為電信息后進入后續(xù)信號處理環(huán)節(jié)，對發(fā)生干涉的兩束偏振光的相位差信息進行提取。由于互感器的干涉光強信息是法拉第相移的余弦函數，即Id = I0(l+cos Φρ)其中，I。是兩束相關光的光強。由余弦函數在零相位附近的性質可知(I)干涉光強不能反映法拉第相移的符號，無論的正負都輸出同樣的數值，因而不能反映待測電流的流向；⑵小電流測量靈敏度低，因為余弦函數在零相位處ー階導數為零。然而在大多數的應用場合，法拉第相移很小；(3)在光纖電流互感器中，由所使用的光學器件基本參數限制，決定了光電探測器的輸出電壓是微伏級的微弱信息，而噪聲卻一般是毫伏量級，即難以從上式直接提取相位信息。本發(fā)明中通過在光學器件集成組件中引入調制相位差，達到提取法拉第相移ΦΡ的目的。即通過引入方波偏置調制和階梯波反饋技術，使得互感器系統(tǒng)始終工作在最靈敏區(qū)域，并且易于采用相關解調的辦法提取法拉第相移信息。在本發(fā)明中，在光學器件集成組件中設置光相位調制器，其目的是在兩束相干光之間引入土 η/2偏置調制相位和閉環(huán)反饋調制相位Φκ，其中反饋調制相位Φκ用以抵消法拉第相位差，使得系統(tǒng)始終工作在最靈敏區(qū)域。光學器件集成組件主要實現(xiàn)分光合光、光起偏、偏振光分解、光稱合、光相位調制等幾種功能。光學器件集成組件可具有多種具體實施方式
。圖3是圖I中光學器件集成組件的多個具體實施方式
的結構圖。如圖3(a)所示，光學器件集成組件包括分光合光器件I、保偏光纖、光相位調制器、光延遲器。該方案中除了傳感頭部分，光纖電流互感器的光路方案是全保偏方案，即所有光纖和器件尾纖都是保偏光纖。高偏光源發(fā)出的線偏振光經過分光合光器件后經過尾纖的45°角對軸熔接均分為模式正交的兩束線偏振光Χ、Υ在同一根保偏光纖中傳輸，經過光相位調制器和光延遲器(光延遲器本身是一段數米至數千米的一段保偏光纖)后，接著沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至傳感頭。從傳感頭處返回后，該兩束光模式互換，再 次經過光相位調制器，達到45°熔接點處滿足干渉條件，發(fā)生干渉，干涉結果經過分光合光器件I耦合進光電探測器。如圖3(b)所不,光學器件集成組件包括分光合光器件I、保偏光纖、光起偏器、光相位調制器、光延遲器。光源發(fā)出的光經過分光合光器件和光起偏器后，經過保偏尾纖的45°角對軸熔接均分為模式正交的兩束線偏振光X、Y在同一根保偏光纖中傳輸，經過光相位調制器和光延遲器(光延遲器本身是一段數米至數千米的一段保偏光纖)后，接著沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至傳感頭。從傳感頭處返回后，該兩束光模式互換，再次經過光相位調制器，達到45°熔接點處滿足干渉條件，發(fā)生干渉，干涉結果經過光起偏器和分光合光器件耦合進光電探測器。如圖3(c)所示，光學器件集成組件包括第一分光合光器件(即分光合光器件I)、保偏光纖、Y型光相位調制器、第二分光合光器件(即分光合光器件2)、光延遲器。光源發(fā)出的光經第一分光合光器件后到達Y型光相位調制器。Y型光相位調制器有光起偏、光分束、光調制的功能。Y型光相位調制器屬于現(xiàn)有技術，不再詳述。在Y型光相位調制器處，光被起偏并均分為兩束偏振模式相同的線偏振光后，分別沿其兩根尾纖前向傳播達到第二分光合光器件。在此之前，通過Y型光相位調制器的一根尾纖與第二分光合光器件的一根尾纖90°角對軸熔接，使得上述兩束線偏振光從第二分光合光器件中出來后模式正交地沿著同一根保偏光纖前向傳播。同樣地，這兩束模式正交的偏振光從傳感頭處返回并經過第二分光合光器件后，又由于上述90°角的對軸熔接變?yōu)槟Ｊ较嗤膬墒€偏振光,并在Y型光相位調制器處發(fā)生干渉，干渉結果經第一分光合光器件耦合進光電探測器。如圖3(d)所示，光學器件集成組件包括第一分光合光器件(即分光合光器件I)、保偏光纖、Y型光相位調制器、第二分光合光器件(即分光合光器件2)、光延遲器。光源發(fā)出的光經第一分光合光器件后到達Y型光相位調制器，在Y型光相位調制器處，光被起偏并均分為兩束偏振模式相同的線偏振光后，分別沿其兩根尾纖前向傳播達到第二分光合光器件。第二個分光合光器件能夠把前向通道兩根尾纖中的相同偏振模式的線偏振光集合成模式正交的兩束線偏振光且沿著同一根保偏尾纖繼續(xù)前向傳播，還能夠把反向通道中一根保偏尾纖中模式正交的兩束線偏振光轉變?yōu)橄嗤Ｊ降膬墒€偏振光，并分別沿著它的兩根反向通道尾纖傳播，即可以把在其中傳播的兩束偏振光中的一束偏振光的偏振角度旋轉90°。上述兩束線偏振光從第二分光合光器件中出來后模式正交地沿著同一根保偏光纖前向傳播。同樣地，這兩束模式正交的偏振光從傳感頭處返回并經過第二分光合光器件后，又轉變?yōu)槟Ｊ较嗤膬墒€偏振光，并在Y型光相位調制器處發(fā)生干渉，干渉結果經第一分光合光器件耦合進光電探測器。以上列出了可以實現(xiàn)本專利中的關于光學器件集成組件的幾個具體實施例，但是任何可以實現(xiàn)上述功能的設計都在本專利的保護范圍之內。如圖2所示，根據本發(fā)明的一個實施方式，閉環(huán)信號處理單元包括模擬放大濾波単元、模數轉換單元(A/D)、主回路數字邏輯電路、數模轉換単元Φ/Α)、2π電壓控制単元以及濾波單元。其中，模擬放大濾波 単元，用于接收來自光電探測器的電信號，進行放大濾波用以作為模數轉換環(huán)節(jié)的輸入。模數轉換單元，用于接收模擬放大濾波単元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數字信號，然后輸出到主回路數字邏輯電路，進行邏輯運算。主回路數字邏輯電路，接收模數轉換單元輸出，對模數轉換單元輸出信號進行解調，隨之對解調結果進行積分形成反饋階梯波的臺階高度，之后以時間τ為步長對上述臺階高度進行累加，形成數字階梯波。步長τ是光在互感器光路中的傳輸時間。根據后續(xù)環(huán)節(jié)數模轉換單元的位數，數字階梯波可以自動溢出歸零，實現(xiàn)反饋調制的自動復位。如果當自動復位發(fā)生時，階梯波總高度對應反饋調制2 π相位差，那么這種自動復位不會對互感器的測量精度產生影響。此外，由于光相位調制的半波電壓可能隨著環(huán)境和時間的變化而產生漂移，本實施例中將經過解調的信號同時傳輸到2 π電壓控制単元中；此外，該邏輯電路還接收2 π電壓控制單元輸出的積分信號，檢測是否有周期性的解調誤差，用以對2 π反饋驅動電壓的自動調整；此外主回路數字邏輯電路中還實現(xiàn)數字階梯波與偏置調制方波的疊加，疊加結果輸出到數模轉換単元；此外，主回路數字邏輯電路還對解調信息的積分結果直接輸出至濾波器，濾波結果作為互感器數字輸出，以表征待測電流大小。2 π電壓控制単元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將解調后的信號進行積分，得到可以表征是否存在2 π電壓復位誤差的信號，并將該信號輸出給主回路數字邏輯電路，用以對2π復位電壓進行自動調整。數模轉換単元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將數字階梯波和偏置調制方波信號的疊加結果轉換為模擬信號，然后將模擬信號輸出給光相位調制器，從而驅動光相位調制器以在兩束線偏振光間引入土 η/2偏置調制相位和Φκ反饋調制相位差。濾波單元，用于接收積分單元的輸出，對積分信號進行濾波，濾波結果作為互感器數字輸出，以表征待測電流大小。根據本發(fā)明的一個實施方式，在該實施例中，主回路數字邏輯電路至少包括信號解調單元、積分單元和累加単元。根據本發(fā)明的一個實施方式，在該實施例中，2 電壓控制單元包括2 電壓誤差信號解調單元和數字積分器。信號解調單元接收模數轉換單元的輸出，對模數轉換單元的輸出信號進行解調。解調的方法是對模數轉換單元輸出的周期信號的相鄰前后半周期分別取樣做累加，累加結果再相減，相減結果即是解調結果。然后將解調結果傳送到2π電壓控制単元中的2π電壓誤差信號解調單元。[0064]2 π電壓誤差信號解調單元對接收到的信號進行解調判斷，判斷是否存在周期性的誤差信息，并形成解調判斷結果傳送到數字積分器中，進ー步地形成修正信息，并反饋回主回路數字邏輯電路，用以對2 π反饋電壓進行自動調整。積分單元將積分結果輸出給濾波単元，而且將積分結果傳輸到累加器中由累加器進行累加形成數字階梯波，如圖5所示。形成的數字階梯波經與偏置調制方波疊加后傳送到數模轉換単元中。偏置調制方波如圖4所示。數模轉換単元將轉換結果輸入到光相位調制器中，從而在光路當中引入相應的偏置調制相位和反饋調制相位差。根據本發(fā)明的ー個具體實施例，圖4描述了ー種方波調制的實施例。圖4可分為上、下、右三個部分。圖4上部分的正弦圖縱軸表示兩束偏振光干涉以后的光強，橫軸表示兩束相干偏振光相位差。圖4下部分是對兩束相干偏振光進行土 π /2偏置調制的調制方波，它的豎軸是時間，橫軸表示方波幅值，并且方波幅值調制時正好可以在兩束相干偏振光間引入土 η /2偏置調制相位差。圖4右部分是兩束偏振光干涉結果經過方波調制后的輸 出波形，其中偏左側部分是在待測物理量=O時的波形，偏右側部分是在待測物理量不等于O時的波形，底部平的部分表示正處于方波幅值調制時、尖峰則是在方波峰-峰幅值跳變中的兩束偏振光干涉結果經過最高點形成的?；ジ衅鞯母缮婀鈴娦畔⑹欠ɡ谙嘁痞郸钡挠嘞液瘮担碔d = I0 (1+cos Φ F)上式中，I。是兩束相關光的光強，= 4NVI是兩束線偏振光在傳感頭處敏感的法拉第相移，其中N是傳感光纖纏繞圈數、V是傳感光纖Verdet常數、I是待測電流大小。如圖4所示，首先在光相位調制器處由光相位調制器通過方波驅動調制引入頻率為1/(2τ)的方波相位偏置調制(其中τ為兩束線偏振光形成到最終發(fā)生干渉的時間差)，在兩束線偏振光間疊加土 η/2相位差，改善互感器系統(tǒng)的靈敏度；同時通過引入方波偏置調制，在頻域上將輸出信號頻譜由低頻區(qū)遷移到高頻，避開低頻區(qū)的Ι/f噪聲，減少了低頻噪聲的影響。這時干渉輸出為Id = I0 (I + cos(‘ 土 5)) = /0(1 + sin φΡ )通過偏置調制，把干涉輸出調制成一個疊加在直流Ici上的幅值為ItlSin (^f的方波信號，方波幅值反映了法拉第相移大小。為了進一步減小系統(tǒng)輸出非線性誤差和増大動態(tài)測量范圍，在光相位調制器處由光相位調制器通過階梯波反饋調制引入一個與法拉第相移大小相等、方向相反的反饋補償相移Φκ，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。此時，兩束光的干渉輸出為Id =/0(1 + sin( φΡ + φκ ))由于ΦΡ+Φκ 0，所以此時互感器系統(tǒng)始終工作在線性度最好的零相位附近區(qū)域，因此測量靈敏度最高；同時由于實現(xiàn)閉環(huán)檢測，也擴大了系統(tǒng)的測量范圍。這時系統(tǒng)的相關解調結果為(上式表示的周期信號前后半周期相減結果)Δ = η · I0 · 8 η(Φρ+ΦΕ) η · I0 · ( Φ F+ Φ Ε)其中，Λ是信號解調環(huán)節(jié)出現(xiàn)的ー個中間量，它表示解調結果，是ー個微小量，通過對該微小量的積分形成數字階梯波臺階高度。它產生于主回路數字邏輯電路中的信號解調單元，輸出到積分單元和2 π電壓控制単元。根據本發(fā)明的一個實施例，圖5給出了階梯波反饋相位關系的實施例。如圖5所示，圖5分為上下兩個部分。其中在圖5的上半部分中，縱軸是相位差，橫軸是時間。其中的實線階梯波表示t時刻的反饋階梯波，虛線階梯波表示t+ τ時刻的反饋階梯波，階梯波的臺階高度實際反饋量的大小。圖5的下半部分與上半部分對應，由上半部分的實線與虛線相減得到，它實際表征的是階梯波的臺階高度。在周期性的下凹部分，表征的同樣是階梯波的高度值，只是此處階梯波相位累加至2 31，形成復位，因此它的高度比非復位處高度低
2 Ji ο本實施例中采用階梯波反饋調制產生反饋相位差Φκ。對上式所述的解調結果作累加積分，形成數字階梯波的臺階高度So(Sc)是中間量，在圖5中未標明)。So —方面經過數模轉換単元形成模擬階梯波后驅動光相位調制器，以在兩束光間引入補償相差Φκ，同時So在進ー步濾波處理后作為互感器的數字輸出，反映互感器輸入電流的大小和方向。設經過數模轉換形成的模擬階梯波為AVK(t) =VK(t)-VK(t-T)，其值域為(-⑴，+ -)，則在兩束線偏振光間產生的附加相移為Φ E = KfpVk (t) -KfpVE (t- τ ) = Kfp (VE (t) -Ve (t_ τ ))= Kfp Δ Ve (t)上式中τ是光束在光纖延遲線中的渡越時間，Kfp是相位調制器調制系數。上式說明，階梯波調制產生的相位差與階梯波臺階高度成正比。圖5中FW(實線)表示t時刻的反饋階梯波，BW(虛線)表示t+ τ時刻的反饋階梯波；VK(t)表示模擬階梯波臺階的絕對高度。但是顯然，值域范圍在(-%+m)上不斷上升的階梯波是不可能實現(xiàn)的。由于干涉輸出信號以2 π為周期，所以在本閉環(huán)方案中，采用形如圖5所示的值域范圍為(0，2π)的階梯波來取代值域為(-m，+c )的階梯波，即當階梯波調制相位Kfp ·νκα) =2π時自動復位。通過以上方法實現(xiàn)光纖電流互感器的閉環(huán)信號檢測。但是在互感器長期工作過程中，光相位調制器的半波電壓會發(fā)生漂移，即Kfp -Ve(t)デ2 π，這時就需要設計2 π復位電壓的自動修正回路，如圖2所示。首先需要提取2 復位電壓修正回路的誤差信號，分Kfp · VK(t) > 2 ,Kfp-Ve(t)< 2 π、Kfp · VK(t) = 2 π三種情況。當Kfp · Ve(t) ^ 2 時，光探測器輸出功率會產生ー個瞬變值，該瞬變值在階梯波復位時刻可以根據系統(tǒng)相關解調結果獲得，這ー解調結果作為第2閉環(huán)回路，即圖2中主回路數字邏輯電路與2 π電壓控制単元二者的信號回路的輸入誤差信號，然后用通過數字積分器對其進行處理，再將積分后的數字信號通過數模轉變成模擬信號，去控制數模轉換単元的増益或互感器主回路數字邏輯電路產生階梯波的數模轉換器參考電壓，從而形成了 2 π復位電壓修正回路，對2π復位電壓進行實時控制，使其始終能夠產生準確的2 π相位，從而保證互感器的變比性能。根據本發(fā)明的ー個方面，閉環(huán)信號處理單元可由FPGA、DSP等技術實現(xiàn)。上述単元在功能確定的情況下，可根據需求，設計為集成器件或者単獨的模塊，在設計為集成器件的情況下，光路、電路的器件均易于模塊化和集成，互易性好，便于組網設計。本領域的技術人員應當理解，在所附權利要求的范圍及其等同范圍內，依據設計要求及其他因素，可以出現(xiàn)各種修改、合并、子項合并和變化。
權利要求1.一種閉環(huán)光纖電流互感器，包括光源、光源驅動單元、光電探測器、光學器件集成組件、傳感頭，其特征在于 光學器件集成組件，用于將光源輸出的光線起偏并分解為模式正交的兩束線偏振光，然后把所述兩束線偏振光耦合在同一根保偏光纖的兩個正交模式上并傳輸至傳感頭；接收從傳感頭處返回的光線并使得返回的光線在所述光學器件集成組件中發(fā)生干涉；將干涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調制信息，在兩束線偏振光間疊加偏置調制相位和反饋調制相位； 閉環(huán)信號處理單元，接收光電探測器的輸出信號，對該信號進行處理，并將信號處理結果作為反饋調制信息反饋給光器件集成組件和光源驅動單元； 光源驅動單元，用于給光源提供恒流和溫控信息，同時接收信號處理單元的反饋信號輸入，使光源輸出穩(wěn)定的光強。
2.根據權利要求I所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于所述光學器件集成組件 包括分光合光器件、保偏光纖、光相位調制器、光延遲器。
3.根據權利要求2所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于采用全保偏方案，即此光路中所有涉及的光纖或光電子器件尾纖均為保偏光纖；光源發(fā)出的線偏振光經過分光合光器件后，經過保偏光纖的45°角熔接點處均分為模式正交的兩束線偏振光，經過光相位調制器后，接著沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至傳感頭；從傳感頭處返回后，該兩束光模式互換，再次經過光相位調制器，達到所述45°角熔接點處發(fā)生干涉，干涉結果經過分光合光器件耦合到光電探測器。
4.根據權利要求I所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于所述光器件集成組件包括分光合光器件、保偏光纖、光起偏器、光相位調制器、光延遲器。
5.根據權利要求4所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于光源發(fā)出的光經過分光合光器件和光起偏器后，經過保偏光纖的45°角熔接點處均分為模式正交的兩束線偏振光，經過光相位調制器后，接著沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至傳感頭；從傳感頭處返回后，該兩束光模式互換，再次經過光相位調制器，達到所述45°角熔接點處發(fā)生干涉，干涉結果經過光起偏器和分光合光器件耦合到光電探測器。
6.根據權利要求I所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于所述光器件集成組件包括第一分光合光器件、保偏光纖、Y型光相位調制器、第二分光合光器件、光延遲器。
7.根據權利要求6所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于Y型光相位調制器的一根尾纖與第二分光合光器件的一根尾纖以90°角對軸熔接；光源發(fā)出的光經第一分光合光器件后到達Y型光相位調制器，在Y型光相位調制器處，光被起偏并均分為兩束偏振模式相同的線偏振光后，分別沿所述Y型光相位調制器的兩根尾纖傳播達到第二分光合光器件；從傳感頭處返回的兩束光線經過第二分光合光器件后，在Y型光相位調制器處發(fā)生干涉，干涉結果經第一分光合光器件耦合到光電探測器。
8.根據權利要求6所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于第二分光合光器件將前向通道兩根尾纖中的相同偏振模式的線偏振光集合成模式正交的兩束線偏振光并且沿著同一根保偏尾纖繼續(xù)前向傳播，還將在其中傳播的兩束線偏振光中的一束線偏振光的偏振角度旋轉90° ;光源發(fā)出的光經第一分光合光器件后到達Y型光相位調制器，在Y型光相位調制器處，光被起偏并均分為兩束偏振模式相同的線偏振光后，分別沿所述Y型光相位調制器的兩根尾纖傳播達到第二分光合光器件；從傳感頭處返回的兩束光線經過第二分光合光器件后，轉變?yōu)槟Ｊ较嗤膬墒€偏振光，在Y型光相位調制器處發(fā)生干涉，干涉結果經第一分光合光器件耦合進光電探測器。
9.根據權利要求I所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于所述閉環(huán)信號處理單元包括模擬放大濾波單元、模數轉換單元、主回路數字邏輯電路、數模轉換單元、2 π電壓控制單元以及濾波單元。
10.根據權利要求1-9之一所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于，采用方波偏置調制方式，在兩束相干偏振光間引入土 η/2偏置調制相位差；采用階梯波反饋調制方式在兩束相干偏振光間引入與傳感頭處形成的法拉第相位信息大小相等、方向相反的相位差；采用相關調制解調的辦法進行信號解調。
11.根據權利要求9所述的閉環(huán)光纖電流互感器，其特征在于 模擬放大濾波單元，接收來自光電探測器的電信號，進行放大濾波后輸入到模數轉換單元； 模數轉換單元，用于接收模擬放大濾波單元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數字信號，然后輸出到主回路數字邏輯電路； 主回路數字邏輯電路，接收模數轉換單元輸出，對模數轉換單元輸出信號進行解調，隨之對解調結果進行積分形成數字階梯波臺階高度，并進一步累加形成數字階梯波；接收2π電壓控制單元輸出的積分信號，檢測是否有周期性的解調誤差，以對2 π反饋驅動電壓的自動調整；所述主回路數字邏輯電路中還實現(xiàn)數字階梯波與偏置調制方波的疊加，疊加結果輸出到數模轉換單元；所述主回路數字邏輯電路還將解調信息的積分結果直接輸出至濾波器； 2π電壓控制單元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將解調后的信號進行積分，得到表征是否存在2 π電壓復位誤差的信號，并將所述信號輸出給主回路數字邏輯電路； 數模轉換單元，用于接收主回路數字邏輯電路的輸出，將數字階梯波和偏置調制方波信號的疊加結果轉換為模擬信號，然后將模擬信號輸出給光相位調制器，驅動光相位調制器在兩束線偏振光間引入土 η/2偏置調制相位和反饋調制相位差； 濾波單元，用于接收積分單元的輸出，對積分信號進行濾波，濾波結果作為互感器數字輸出。
專利摘要本實用新型提供一種閉環(huán)光纖電流互感器，包括光源、光源控制單元、光電探測器、光器件集成組件、傳感頭。該互感器的光路系統(tǒng)結構簡單、便于集成和模塊化；所用光學元件體積小、重量輕，且不受電磁干擾，對被測量也沒有干擾；利用反射式光路和簡單光器件實現(xiàn)正交偏振光的模式互換，形成互易性光路，提高光路抗干擾能力；采用多個閉環(huán)技術，有效克服光源功率衰減、光相位調制器半波電壓漂移造成的系統(tǒng)測量誤差，提高互感器運行穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號G01R19/00GK202649279SQ20122012516
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者石金華 申請人:揚州永陽光電科貿有限公司