专利名称：电子错位散斑干涉测电流的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种光电传感器测电流的装置与方法，具体的说是利用电子错位散斑干涉测电流的装置及方法。
背景技术：
电流互感器是电力系统中取得计量与保护用电流信号的重要设备，随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式电流互感器因其传感机理而存在着诸如磁饱和、铁磁共振、动态范围小等缺点，尤其是其绝缘机构日趋复杂、体积大、造价随电压升高而急剧上升，同时充油的电压互感器又存在着潜在的爆炸危险等。因此，利用法拉第磁光效应对电流进行测量的光电流互感器因其使用安全、维护方便等优点被认为是电流互感器的发展趋势，它是利用线性偏振光通过光纤及磁光物质时，偏振光随电流产生的磁场的大小产生旋转角度不同的原理对电流进行测量，但这种方法由于受到环境温度、光纤固有双折射等问题的制约，至今技术仍不成熟，未能实现大规模的推广使用。
发明内容
本发明就是针对电磁互感器和法拉第磁光效应光电互感器的不足而提供一种体积小、重量轻、光路简单、操作简便、价格低廉，并能非接触测量的电子错位散斑干涉测电流的装置及方法。
本发明所采取的技术方案是
一种电子错位散斑干涉测电流的装置包括激光器、扩束镜、传感器、错位镜、偏振片、变焦镜头和CCD，错位镜、偏振片固定在CCD的前端，扩束镜置于激光器的前方，激光经扩束镜扩束，照在传感器上，传感器置于通电电缆前方，通电电缆的磁场力作用在传感器上，传感器受到力加载产生变形，经错位镜互为物光、参考光，经偏振片使物光、参考光同轴产生干涉进入CCD，CCD采集变形前后的信号经图象采集卡输入计算机做数字图象处理并实时显示干涉条纹。
所述的传感器采用磁性材料。
所述的传感器采用周边固支圆板结构。
所述的传感器表面喷涂反光物质，以增强光的反射程度，增加生成干涉条纹的对比度、清晰度。
对于此行磁性材料较高磁导率的软磁材料，比如稀土永磁材料利用其对于磁场敏感，用于测量微小(毫安级)电流的磁场，可尝试薄板软磁材料厚度小于0.3毫米，半径大于5厘米，应用于绝缘体漏电流的定性检测，这是很有现场实用性的项目；一般磁导率的软磁材料铁磁或永磁材料，用于测量小电流(10安培级)的磁场。用于直流测量时须考虑退磁因素，可考虑材料厚度、半径的变化适合要求；而永磁材料用于测量大电流(大于10安培级)的磁场(考虑测量的重复性)。可考虑材料厚度、半径或材料的弹性杨氏模量的变化以适合要求。
对选择材料参数的建议是估算待测电流的磁�。谴衅鞔呕蟮拇懦�(软磁材料)或本身的磁场(永磁材料)的10倍-100倍范围。这样使传感器变形量适度，变形导数的条纹不致过密或太少，影响测量精度。
理论上，由于周边固支中心加载圆形板的最大位移的导数为|dW/dr|max=F*(1-μ2)*a3/(23Et3)---(1)]]>其中F为受力大小；μ为泊松常数，E为弹性模量，a为圆板的半径，t为圆板的厚度。
传感器受通电电缆(电磁学中的无限长直导线)的磁场力为F＝K*B，K是系数；传感器置于输电电缆的磁场中，磁感应强度B＝μ0I/(2πr)，μ0是真空磁导率，r是传感器与电缆的距离。
即 F＝K*μ0I/(2πr) (2)电子错位散斑干涉测得传感器的变形导数条纹数n1为|dW/dr|max＝λ*n1/(2δx) (3)其中λ为光的波长，δx是错位量(与测量距离有关)。
由(1)、(3)即可求得传感器受力F的大小。将F的结果代入(2)式，通以不同的已知电流得到系数K。由此确定系数K后，可以准确测量未知电流。这就是电子错位散斑干涉测电流的原理。在实际测量中，可以由测量定标的结果，得到ΔI∝Δn1，即找出变化一条变形导数对应的电流变化。测量中某一参数的改变，视其与原始参数的比例关系而对结果修正，可使得每次测量简单。
具体操作方法1、按照电子错位散斑干涉布置光路并通电，参照显示器屏幕，调整变焦镜头，使物像清晰。
2、拍摄一幅图，在一般的做图软件(如Windows的画图界面)中分析此图，测量图上已知长度L的对应像素M1，并与错位像的错位量δx的对应像素M2比较，由δx＝M2*L/M1，测得错位量δx；δx与“变焦镜头和传感器之间的距离L”有关，可先测得δx与L的数据关系，备实际测量中查用。
3、测取直导线与传感器之间的距离r；4、由|dW/dr|max=F(1-μ2)*a3/(23Et3)]]>|dW/dr|max＝λ*n1/(2δx)已知测量传感器的半径a，厚度t，及杨氏弹性摸量E、迫松系数μ，记录对传感器加载力(或者加载已知大小的力)前后的图象的处理结果，得到传感器的变形导数图象中的条纹数n1，及已测得的错位量δx，计算所用传感器|dW/dr|max变化一个条纹须加载的力F。
5、由F＝K*μ0I/(2πr)，加已知电流，测量传感器2受磁场力变形导数的条纹数，由步骤4的结果F，求出K的数值。
6、由步骤5的结果K及F＝K*μ0I/(2πr)即可得出被测量未知电流的大小。
步骤1-5一次精确测量，可作为以后测量的基�。恍胄拚霰鸩问浠鸬腒值变化。
本发明所能达到的有益效果是1、本发明体积小、重量轻、安装简易、绝缘性能好、操作和维修方便，避免了电磁式电流互感器的缺点；2、本发明光路简单、光学元件少、造价低、对环境要求不高，利用成熟的技术，克服了法拉第磁光效应光电式电流互感器的缺点，而吸收了大部分其主要优点；3、本发明适用范围较宽，不同的电流测量范围变化的只是传感器，测量精度高。
图1是电子错位散斑干涉的光路图。
图2是电子错位散斑干涉纪录的传感器变形导数数据。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述如图1、图2所示该电子错位散斑干涉测电流的装置包括激光器4、扩束镜3、传感器2、错位镜6、偏振片7、变焦镜头5和CCD8，错位镜6、偏振片7固定在CCD8的前端，扩束镜3置于激光器4的前方，激光经扩束镜3扩束，照在传感器2上，传感器2置于通电电缆1前方，通电电缆1的磁场力作用在传感器2上，传感器2受到力加载产生变形，经错位镜6互为物光、参考光，经偏振片7使物光、参考光同轴产生干涉进入CCD8，CCD8采集变形前后的信号经图象采集卡输入计算机做数字图象处理并实时显示干涉条纹。
传感器2采用周边固支圆板结构，并采用磁性材料，且传感器2表面喷涂白漆，以增强光的反射程度，增加生成干涉条纹的对比度、清晰度。对于磁性材料较高磁导率的软磁材料，比如稀土永磁材料利用其对于磁场敏感，用于测量微小(毫安级)电流的磁�。沙⑹员“迦泶挪牧虾穸刃∮�0.3毫米，半径大于5厘米，应用于绝缘体漏电流的定性检测，这是很有现场实用性的项目；一般磁导率的软磁材料铁磁或永磁材料，用于测量小电流(10安培级)的磁场。用于直流测量时须考虑退磁因素，可考虑材料厚度、半径的变化适合要求；而永磁材料用于测量大电流(大于10安培级)的磁场(考虑测量的重复性)。可考虑材料厚度、半径或材料的弹性杨氏模量的变化以适合要求。
对选择材料参数的建议是估算待测电流的磁�。谴衅�2磁化后的磁场(软磁材料)或本身的磁场(永磁材料)的10倍-100倍范围。这样使传感器2变形量适度，变形导数的条纹不致过密或太少，影响测量精度。
具体测量步骤如下1、按照电子错位散斑干涉布置光路并通电，参照显示器屏幕，调整变焦镜头5，使物像清晰。
2、拍摄一幅图，在Windows的画图界面中分析此图，测量图上已知长度L的对应像素M1，并与错位像的错位量δx的对应像素M2比较，由δx＝M2*L/M1，测得错位量δx；δx与“变焦镜头5和传感器2之间的距离L”有关，可先测得δx与L的数据关系，备实际测量中查用。
3、测取直导线与传感器2之间的距离r；4、由|dW/dr|max=F(1-μ2)*a3/(23Et3),]]>|dW/dr|max＝λ*n1/(2δx)已知测量传感器2的半径a，厚度t，及杨氏弹性摸量E、迫松系数μ，记录对传感器2加载力(或者加载已知大小的力)前后的图象的处理结果，得到传感器2的变形导数图象中的条纹数n1，及已测得的错位量δx，计算所用传感器2|dW/dr|max变化一个条纹须加载的力F。
5、由F＝K*μ0I/(2πr)，加已知电流，测量传感器2受磁场力变形导数的条纹数，由步骤4的结果F，求出K的数值。
6、由步骤5的结果K及F＝K*μ0I/(2πr)即可得出被测量未知电流的大小。
权利要求
1.一种电子错位散斑干涉测电流的装置，该装置包括激光器(4)、扩束镜(3)、传感器(2)、错位镜(6)、偏振片(7)、变焦镜头(5)和CCD(8)，错位镜(6)、偏振片(7)固定在CCD(8)的前端，其特征在于扩束镜(3)置于激光器(4)的前方，激光经扩束镜(3)扩束，照在传感器(2)上，传感器(2)置于通电电缆(1)前方，通电电缆1的磁场力作用在传感器(2)上，传感器(2)受到力加载产生变形，经错位镜(6)互为物光、参考光，经偏振片(7)使物光、参考光同轴产生干涉进入CCD(8)，CCD(8)采集变形前后的信号经图象采集卡输入计算机做数字图象处理并实时显示干涉条纹。
2.如权利要求1所述的电子错位散斑干涉测电流的装置，其特征在于所述的传感器(2)采用磁性材料。
3.如权利要求1或2所述的电子错位散斑干涉测电流的装置，其特征在于所述的传感器(2)采用周边固支圆板结构。
4.如权利要求1、2或3所述的电子错位散斑干涉测电流的装置，其特征在于所述的传感器(2)表面喷涂反光物质，以增强光的反射程度，增加生成干涉条纹的对比度、清晰度。
5.如权利要求1所述的电子错位散斑干涉测电流的装置，利用该装置具体的测量方法如下一、按照电子错位散斑干涉布置光路并通电，参照显示器屏幕，调整变焦镜头(5)，使物像清晰。二、拍摄一幅图，在Windows的画图界面中分析此图，测量图上已知长度L的对应像素M1，并与错位像的错位量δx的对应像素M2比较，由δx＝M2*L/M1，测得错位量δx；δx与“变焦镜头(5)和传感器(2)之间的距离L”有关，可先测得δx与L的数据关系，备实际测量中查用。三、测取直导线与传感器(2)之间的距离r；四、由|dW/dr|max=F(1-μ2)*a3/(23Et3),]]>|dW/dr|max＝λ*n1/(2δx)已知测量传感器(2)的半径a，厚度t，及杨氏弹性摸量E、迫松系数μ，记录对传感器(2)加载力(或者加载已知大小的力)前后的图象的处理结果，得到传感器(2)的变形导数图象中的条纹数n1，及已测得的错位量δx，计算所用传感器(2)|dW/dr|max变化一个条纹须加载的力F。五、由F＝K*μ0I/(2πr)，加已知电流，测量传感器(2)受磁场力变形导数的条纹数，由步骤4的结果F，求出K的数值。六、由步骤五的结果K及F＝K*μ0I/(2πr)即可得出被测量未知电流的大小。
全文摘要
本发明公开一种电子错位散斑干涉测电流的装置及测量方法，该装置包括激光器、扩束镜、传感器、错位镜、偏振片、变焦镜头和CCD，错位镜、偏振片固定在CCD的前端，激光经扩束镜扩束，照在传感器上，通电电缆的磁场力作用在传感器上，传感器受到力加载产生变形，经错位镜互为物光、参考光，经偏振片使物光、参考光同轴产生干涉进入CCD，CCD采集变形前后的信号经图象采集卡输入计算机做数字图象处理并实时显示干涉条纹，然后测量形变、位移导数基础上，提出的光测电流新方法。本发明绝缘性能好、操作和维修方便，避免了电磁式电流互感器的缺点；且对环境要求不高，利用成熟的技术，克服了法拉第磁光效应光电式电流互感器的缺点。
文档编号G01R19/00GK1588096SQ20041006047
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月23日 优先权日2004年8月23日
发明者张甦英, 黄健, 王玉宏 申请人:郑州电力高等专科学校
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