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专利名称：一种具有光纤温度采集和温度补偿的光纤电流互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤电流互感器，更特别地说，是指一种具有双温度源补偿模式的光纤电流互感器。
背景技术：
光纤电流互感器是基于Ampere定律和Faraday磁光效应原理的，该光纤电流互感器通过测量在传感光纤内传输的模式正交的两束偏振光间由于敏感导线内电流量而产生的相位差来间接地测量出电流值。在传感光纤中，由于Faraday磁光效应作用，两束圆偏振光传输速度不同，从而产生Faraday相差。当两束圆偏振光传输到传感光纤末端时，产生镜面反射，两束光在模式互换(左旋变右旋，右旋变左旋)后沿原光路返回，Faraday效应加倍增强，并且在λ/4光纤波片处再次转换成两束模式正交的线偏振光，在起偏器处发生干涉。应用在电网中的光纤电流互感器，由于环境温度对输出电流的非线性影响，其影响的因素有1.磁光效应系数随温度变化而改变；2. λ /4光纤波片的延迟性随温度变化而改变；3.传感光纤随温度变化会产生内应力；4.相位调制器的V π随温度变化而改变；5.模拟电路器件温度特性的非线性。因此采用常规光纤电流互感器测量获得的输出电流的精度不高，影响了电网中电流的准确计量。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够使电流测量精确达到0. 的、且具有光纤温度采集和温度补偿的光纤电流互感器。本发明是一种光纤电流互感器，其包括有宽谱光源、消偏器、分光器、温度获取单元、电流获取单元、调制信号发生单元、数据处理单元和计算补偿单元；宽谱光源与分光器之间连接有消偏器，分光器与计算补偿单元之间连接有温度获取单元，分光器与数据处理单元之间连接有电流获取单元，数据处理单元连接在计算补偿单元上，计算补偿单元与电流获取单元之间连接有调制信号发生单元；所述的温度获取单元输出第一温度T1、第二温度T2给计算补偿单元；所述的电流获取单元输出数字电流信息DIin给数据处理单元， 数据处理单元对数字电流信息DIin进行电流提取得到检测电流Iin后输出给计算补偿单元；所述的计算补偿单元用于实现对光纤电流传感器的温度补偿。计算补偿单元中设有温度补偿�？椋梦露炔钩ツ？橛赡Ｊ坏ピ�、环境温度拾取单元和补偿电流输出单元组成；补偿电流输出单元中存储有温度-电流曲线关系数据；计算补偿单元第一方面对接收到的第一温度T1和第二温度T2分别在模数转换单元进行处理获得第一数字温度DT1和第二数字温度DT2输出给环境温度拾取单元；计算补偿单元第二方面应用环境温度拾取单元对接收到的第一放大温度DT1和第二放大温度DT2进行求取工作环境温度Δ T计算， …DT, -DT2
=DT1+DT ；工作环境温度Δ τ的范围为-45°c +60°C;计算补偿单元第三方面应
用补偿电流输出单元对接收到的工作环境温度ΔT根据温度-电流曲线进行电流温度补偿因子Cf求�。玫讲饬康缌鱅。ut = CfXIin ；计算补偿单元第四方面输出电压调整信号给调制信号发生单元；调制信号发生单元根据电压调整信号产生调制电压信号V作用到电流获取单元中的相位调制器上。所述的一种光纤电流互感器，温度获取单元和电流获取单元能够分别设置三相； 即结构相同的第一温度获取单元、第二温度获取单元和第三温度获取单元；即结构相同的第一电流获取单元、第二电流获取单元和第三电流获取单元；即结构相同的第一调制信号发生单元、第二调制信号发生单元和第三调制信号发生单元。本发明具有光纤温度采集和温度补偿的光纤电流互感器具有的优点在于(1)采用计算补偿单元和数据处理单元的双模式，并对温度和电流进行不同处理器的划分；在计算补偿单元中对温度和电流进行同步处理，提高了本发明光纤电流互感器实时检测及电流输出的准确性。(2)采用�？榛幕侄喔霾考沟酶鞲瞿？槭迪值墓δ苋ㄔ鸱置鳎子诔鱿止收鲜苯械ツ？榈募觳猓奖懔宋�。(3)电流传感信号的传输和温度传感信号的传输均采用光纤，很容易解决高压绝缘问题，完全适合高电压、大电流的电网中使用。(4)本发明光纤电流互感器采用两个处理器对多个部件进行软件化的�？榛郑� 更加利于单相光纤电流互感器的组成和三相光纤电流互感器的组成。本发明的采用双温度源对该光纤电流互感器进行的温度补偿能够实现的优点在于(A)光纤温度传感器能够实时、准确地测量出光纤电流传感器所在位置的温度，并且利用DSP内嵌A/D采样，这样提高了本发明的光纤电流互感器整体的实时性和可靠性，降低了生产成本。(B)双温度获取单元通过第一传输光纤实现温度信号传输，从而实现低成本解决了光纤电流传感器所在位置的温度测量问题，以及高电压下的绝缘问题。(C)电流获取单元通过第二传输光纤实现高电压大电流的变电站环境中导线中电流的传输，从而实现低成本解决了本发明设计的光纤电流互感器在高电压下的绝缘问题。(D)发明人采用多个实验获得的数据进行拟合得到的温度-电流曲线，在计算补偿单元中应用温度-电流曲线进行实时电流补偿，提高了光纤电流互感器输出电流的精度。(E)在三相的光纤电流互感器的补偿过程中，对输入的三相温度和三相电流，计算补偿单元以简单的先入先出方式进行处理，提高了系统对输出电流的响应时间。
(F)经温度-电流曲线取得温度补偿因子进行温度补偿后，本发明的光纤电流互感器的输出电流精度达到了士0. 1%。


图1是本发明的单相光纤电流互感器的结构框图。图2是本发明的三相光纤电流互感器的结构框图。图3是本发明光纤电流互感器中的温度获取单元的结构图。图3A是本发明光纤电流互感器中的温度获取单元的另一结构图。图4是本发明光纤电流互感器中的电流获取单元的结构图。图4A是本发明光纤电流互感器中的电流获取单元的另一结构图。图5是本发明光纤电流互感器中计算补偿单元对双温度(T1, T2)与检测电流(Iin) 的处理流程图。图5A是本发明光纤电流互感器中计算补偿单元中保存的温度-电流曲线。图6是本发明调制信号发生单元的结构图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明的一种具有光纤温度采集和温度补偿的光纤电流互感器， 其包括有宽谱光源4、消偏器5、分光器6、温度获取单元7、电流获取单元8、调制信号发生单元3、数据处理单元2和计算补偿单元1。所述的计算补偿单元1由芯片硬件和编写在芯片硬件上双温度源补偿�？楣钩桑眯酒布梢允荄SP处理器芯片、单片机或微处理器等， 双温度源补偿模块可以采用C语言编写而成。所述的数据处理单元为FPGA处理器等。宽谱光源4与分光器6的N端之间连接有消偏器5 ；分光器6的A端与计算补偿单元1之间连接有温度获取单元7 ；分光器6的B端与数据处理单元2之间连接有电流获取单元8 ；
数据处理单元2连接在计算补偿单元1上；计算补偿单元1与电流获取单元8之间连接有调制信号发生单元3。所述的温度获取单元7输出第一温度T1、第二温度T2给计算补偿单元1 ；所述的电流获取单元8输出数字电流信息DIin给数据处理单元2，数据处理单元2 对数字电流信息DIin进行电流提取得到检测电流Iin输出给计算补偿单元1 ；该数字电流信息DIin为正弦波，在本发明中，通过数据处理单元2记录下脉冲周期便可提取出当前检测到的电流；所述的计算补偿单元1用于实现对光纤电流互感器的温度补偿。参见图5、图5A所示，本发明为了精确解析出工作环境温度对光纤电流互感器输出的测量电流I。ut造成的影响，发明人通过在计算补偿单元1中采用C语言编写有双温度源补偿�？椤８盟露仍床钩ツ？橛善夏Ｊ坏ピ�102、环境温度拾取单元103和补偿电流输出单元101组成。补偿电流输出单元101中存储有温度-电流曲线关系数据。计算补偿单元1第一方面对接收到的第一温度T1和第二温度T2分别在模数转换单元102进行处理获得第一数字温度DT1和第二数字温度DT2输出给温度拾取单元103 ；
计算补偿单元1第二方面应用环境温度拾取单元103对接收到的第一放大温度
DT -DT
DT1和第二放大温度DT2进行求取工作环境温度Δ T计算，ΔΤ 二；工作环境温
度ΔΤ的范围为-45°C +60°C。计算补偿单元1第三方面应用补偿电流输出单元101对接收到的工作环境温度 ΔΤ根据温度-电流曲线进行电流温度补偿因子Cf求�。缓笥们笕〉牡缌魑露炔钩ヒ蜃� Cf乘以检测电流Iin，即得到本发明光纤电流互感器实时输出的高精度的测量电流I。ut，Iout =cf X Iin。在本发明中，电流温度补偿因子cf的求取采用了如图5A所示的工作环境温度 Δ T与检测电流Iin的温度-电流曲线关系获得，这是经发明人采用多个实验获得的数据 (检测电流)进行拟合得到的温度-电流曲线，在计算补偿单元中应用温度-电流曲线进行实时电流补偿，提高了光纤电流互感器输出电流的精度。采集了 300个温度点和标定电流对应的点值(该对应的点值经过运算则得到电流温度补偿因子cf)，并利用MathCad2001 Professional软件拟合得到的温度_电流曲线关系数据。将该温度-电流曲线关系数据保存在计算补偿单元1中，通过每一次本发明光纤电流互感器中的温度获取单元得到的工作温度Δ T都会通过运算得到相对应的电流温度补偿因子Cf。计算补偿单元1第四方面输出电压调整信号给调制信号发生单元3。调制信号发生单元3根据电压调整信号产生调制电压信号V作用到电流获取单元8中的相位调制器83 上。参见图3所示，温度获取单元7由第一环路器71、分束器72、光纤温度传感器、第一传输光纤75、第一光电转换器711、第二光电转换器721、第一滤波放大器712和第二滤波放大器722组成；该光纤温度传感器用于测量工作环境温度Δ Τ，该工作环境温度Δ T是指光纤电流传感器所在工作环境中的温度，即_45°C +60°C。温度获取单元7中各部件的连接关系为第一环路器71的A端与分路器6的A端连接，第一环路器71的B端与分束器72的A端连接，第一环路器71的C端与第一光电转换器711的输入端连接；第一光电转换器711的输出与第一滤波放大器712的输入端连接，第一滤波放大器712输出第一温度T1给计算补偿单元1 ；分束器72的B端通过第一传输光纤75与光纤温度传感器的连接端连接，光纤温度传感器的敏感端与被测物接触，用于测量被测物的温度，分束器72的C端与B光电转换器721的输入端连接；第二光电转换器721的输出端与第二滤波放大器722的输入端连接，第二滤波放大器722输出第二温度T2给计算补偿单元1。参见图3A所示，光纤温度传感器由第一波片73和第一反射镜74构成，第一波片 73的另一端与第一反射镜74连接，第一波片73的一端与第一传输光纤75的另一端连接， 第一传输光纤75的一端连接在分束器72的B端上。图3A所示的温度获取单元7的结构， 除光纤温度传感器的结构与图3所示的温度获取单元7不同以外，其余结构相同。参见图4所示，电流获取单元8由第二环路器81、起偏器82、相位调制器83、第二传输光纤86、光纤电流传感器、第三光电转换器811、滤波放大器812和A/D转换器813组成；该光纤电流传感器用于测量如高电压大电流的变电站环境中导线中通过的电流(在本发明中，也称为检测电流)。电流获取单元8中各部件的连接关系为第二环路器81的A端与分路器6的B端连接，第二环路器81的B端与相位调制器83的A端之间连接有起偏器82，第二环路器81 的C端与第三光电转换器811的输入端连接；相位调制器83的B端通过第二传输光纤86与光纤电流传感器连接，相位调制器 83的C端接收调制信号发生单元3输出的调制电压信号V ；第三光电转换器811的输出端与滤波放大器812的输入端连接，滤波放大器812 的输出端与A/D转换器813的输入端连接，A/D转换器813输出数字电流信息DIin给数据处理单元2。参见图4A所示，光纤电流传感器由第二 λ /4波片84、第二反射镜85和传感光纤 87构成，第二 λ/4波片84的另一端与第二反射镜85之间连接有传感光纤87，第二 λ/4 波片84的一端与第二传输光纤86的另一端连接，第二传输光纤86的一端与相位调制器83 的B端连接。图4Α所示的电流获取单元8的结构，除光纤电流传感器的结构与图4所示的电流获取单元8不同以外，其余结构相同。在本发明中，第一反射镜74是在光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形成。第二反射镜85是在光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形成。第一反射镜74与第二反射镜85 的结构相同。在本发明中，第一传输光纤75的长度为20m 200m，该第一传输光纤75可以是保偏光纤，中心波长为1310nm。第二传输光纤86的长度为20m 200m，该第二传输光纤86 是保偏光纤，中心波长为1310nm。在本发明中，第一环路器71的中心波长为1310nm。第二环路器81的中心波长为 1310nm。第一环路器71与第二环路器81的结构相同。在本发明中，第一波片73与第二 λ/4波片84的结构相同。在本发明中，第一光电转换器711、第二光电转换器721和第三光电转换器811的结构相同。第一滤波放大器812采用高速、高精度互阻抗放大器0ΡΑ380芯片。在本发明中，第一滤波放大器712和第二滤波放大器722的结构相同。采用AD公司生产的AD8031芯片。在本发明中，相位调制器83为铌酸锂光相位调制器，其带宽为IOGHz 40GHz，输入波段可以选择。发明人在本专利申请中还采用了三相温度获取单元、三相电流获取单元和三相调制信号发生单元的多相布局设计，则有如图2所示的一种具有温度补偿的三相光纤电流互感器。该三相光纤电流互感器包括有宽谱光源4、消偏器5、分光器6、第一温度获取单元7A、 第二温度获取单元7B、第三温度获取单元7C、第一电流获取单元8A、第二电流获取单元8B、 第三电流获取单元8C、第一调制信号发生单元3A、第二调制信号发生单元;3B、第三调制信号发生单元3C、数据处理单元2和计算补偿单元1。其中，第一温度获取单元7A、第二温度获取单元7B和第三温度获取单元7C的结构相同。第一电流获取单元8A、第二电流获取单元8B和第三电流获取单元8C的结构相同。第一调制信号发生单元3A、第二调制信号发生单元:3B和第三调制信号发生单元3C的结构相同对比图1与图2，三相光纤电流互感器的连接关系与单相光纤电流互感器的连接关系的不同之处在于分光器6的A端与第一温度获取单元7A中的环路器的A端连接，第一温度获取单元7A输出A相的第一温度7；'、A相的第二温度给计算补偿单元1 ；分光器6的C端与第二温度获取单元7Β中的环路器的A端连接，第二温度获取单元7Β输出B相的第三温度T3、B相的第四温度T4给计算补偿单元1 ；分光器6的E端与第三温度获取单元7C中的环路器的A端连接，第三温度获取单元7C输出C相的第五温度T5、C相的第六温度T6给计算补偿单元1 ；分光器6的B端与第一电流获取单元8Α中的环路器的A端光纤连接，第一电流获取单元8Α输出A相数字电流信息DIin_A给数据处理单元2，A相数字电流信息DIin_A经数据处理单元2的电流提取处理后获得A相检测电流Iin_A输出给计算补偿单元1 ；分光器6的D端与第二电流获取单元8B中的环路器的A端光纤连接，第二电流获取单元8B输出B相脉冲电流信息DIin_B给数据处理单元2，B相数字电流信息DIin_B经数据处理单元2的电流提取处理后获得B相检测电流Iin_B输出给计算补偿单元1 ；分光器6的F端与第三电流获取单元8C中的环路器的A端光纤连接，第三电流获取单元8C输出C相数字电流信息DIilrt给数据处理单元2，C相脉冲电流信息DIilrt经数据处理单元2的电流提取处理后获得C相检测电流Iilrt输出给计算补偿单元1 ；数据处理单元2将接收的A相检测电流Iin_A、B相检测电流Iin_B和C相检测电流 Iin-C按照先进先出顺序输出给计算补偿单元1 ；若数据处理单元2输出的A相检测电流Iin_A、B相检测电流Iin_B和C相检测电流 Iin-C是顺次的，则计算补偿单元1首先对接收到的第一温度T1和第二温度T2进行处理，然后是第三温度T3和第四温度T4，最后是第五温度T5和第六温度τ6。六路温度在计算补偿单元1中的片上模数转换是相同的，而工作温度的求取
分别为:Α相工作温度为
权利要求
1.一种光纤电流互感器，其特征在于该光纤电流互感器包括有宽谱光源G)、消偏器 (5)、分光器(6)、温度获取单元(7)、电流获取单元(8)、调制信号发生单元C3)、数据处理单元⑵和计算补偿单元⑴；宽谱光源⑷与分光器(6)之间连接有消偏器(5)，分光器(6) 与计算补偿单元(1)之间连接有温度获取单元(7)，分光器(6)与数据处理单元(2)之间连接有电流获取单元(8)，数据处理单元( 连接在计算补偿单元(1)上，计算补偿单元(1) 与电流获取单元(8)之间连接有调制信号发生单元(3)，其中所述的温度获取单元(7)包括结构相同的第一温度获取单元(7A)、第二温度获取单元 (7B)和第三温度获取单元(7C)；所述的电流获取单元(8)包括结构相同的第一电流获取单元(8A)、第二电流获取单元(8B)和第三电流获取单元(8C)；所述的调制信号发生单元⑶ 包括结构相同的第一调制信号发生单元(3A)、第二调制信号发生单元(3B)和第三调制信号发生单元(3C)；所述的温度获取单元(7)输出第一温度T1、第二温度T2给计算补偿单元(1)；所述的电流获取单元(8)输出数字电流信息DIin给数据处理单元O)，数据处理单元 (2)对数字电流信息DIin进行电流提取得到检测电流、后输出给计算补偿单元(1)；所述的计算补偿单元(1)用于实现对光纤电流传感器的温度补偿。
2.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于计算补偿单元(1)中设有温度补偿�？椋梦露炔钩ツ？橛赡Ｊ坏ピ�(102)、环境温度拾取单元(10 和补偿电流输出单元(101)组成；补偿电流输出单元(101)中存储有温度-电流曲线关系数据；计算补偿单元(1)第一方面对接收到的第一温度T1和第二温度T2分别在模数转换单元(10 进行处理获得第一放大温度DT1和第二放大温度DT2输出给环境温度拾取单元 (103)；计算补偿单元(1)第二方面应用环境温度拾取单元(10 对接收到的第一放大温度DT1和第二放大温度DT2进行求取工作环境温度Δ T计算，
3.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于温度获取单元(7)由第一环路器(71)、分束器(7 、光纤温度传感器、第一传输光纤(7 、第一光电转换器(711)、第二光电转换器(721)、第一滤波放大器(71 和第二滤波放大器(72 组成；其中各部件的连接关系为第一环路器(71)与分束器(7 连接，第一环路器(71)与第一光电转换器(711) 连接，第一光电转换器(711)与第一滤波放大器(71 连接，第一滤波放大器(71 输出第一温度T1给计算补偿单元(1)；分束器(7 与光纤温度传感器之间连接有第一传输光纤 (75)；分束器(7 与第二光电转换器(721)连接，第二光电转换器(721)与第二滤波放大器(72 连接，第二滤波放大器(72 输出第二温度T2给计算补偿单元(1)。
4.根据权利要求3所述的光纤电流互感器，其特征在于所述的光纤温度传感器由第一波片(73)和第一反射镜(74)构成，第一波片(73)的另一端与第一反射镜(74)连接，第一波片(7 的一端与第一传输光纤(7 的另一端连接，第一传输光纤(7 的一端连接在分束器(72)上。
5.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于电流获取单元(8)由光纤电流传感器、第二环路器(81)、起偏器(82)、相位调制器(83)、第二传输光纤(86)、第三光电转换器(811)、滤波放大器(81 和A/D转换器(81 组成；其中各部件的连接关系为第二环路器(81)与起偏器(8 连接，起偏器(8 与相位调制器(8 连接，相位调制器(83) 与光纤电流传感器之间连接有第二传输光纤(86)；相位调制器(8 的C端接收调制信号发生单元(3)输出的调制电压信号V;第二环路器(81)与第三光电转换器(811)连接，第三光电转换器(811)与滤波放大器(81 连接，滤波放大器(812)与A/D转换器(813)连接，A/D转换器(813)输出给数据处理单元O)。
6.根据权利要求5所述的光纤电流互感器，其特征在于所述的光纤电流传感器由第二 λ/4波片(84)、第二反射镜(8 和传感光纤(87)构成，第二 λ/4波片(84)的另一端与第二反射镜(8 之间连接有传感光纤(87)，第二 λ/4波片(84)的一端与第二传输光纤 (86)的另一端连接，第二传输光纤(86)的一端与相位调制器(8 连接。
7.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于所述的调制信号发生单元(3) 由数字频率合成器、D/A转换器、乘法器和带通滤波器组成。
8.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于所述的计算补偿单元选取DSP 处理器芯片。
9.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于所述的数据处理单元选取 FPGA处理器芯片。
全文摘要
本发明公开了一种具有温度补偿的光纤电流互感器，该光纤电流互感器的宽谱光源(4)与分光器(6)之间连接有消偏器(5)，分光器(6)与计算补偿单元(1)之间连接有温度获取单元(7)，分光器(6)与数据处理单元(2)之间连接有电流获取单元(8)，数据处理单元(2)连接在计算补偿单元(1)上，计算补偿单元(1)与电流获取单元(8)之间连接有调制信号发生单元(3)。本发明的光纤电流互感器利用计算补偿单元中的温度-电流曲线关系，在计算补偿单元中对温度和电流进行同步处理，提高了本发明光纤电流互感器实时检测及电流输出的准确性。
文档编号G01R15/24GK102305884SQ201110127258
公开日2012年1月4日 申请日期2009年9月4日 优先权日2009年9月4日
发明者不公告发明人 申请人:北京齐瑞得电力技术有限公司