专利名称：一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的制作方法
技术领域：
[0001]本实用新型涉及ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，属于光电领域。
背景技术：
光纤电流互感器(Optical current transformer, OCT)是电流传感与监测领域中的新技术，对于电カ计量与保护具有重要的意义。光纤电流互感器所表现出的无爆炸、无磁饱和、无滞后、体小质轻等优点，得到了许多研究者的认可和关注。目前广泛被关注的光纤电流互感器主要是基于法拉第磁光效应传感方案，这种传感方案受线性双折射问题的影响，同时也受环境温度因素的影响。光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术是光纤传感中可靠性最高、实用性最强并可波分复用的传感技木。基于光纤光栅和超磁致伸縮材料(GMM)制成的光纤光栅电流互感器，可能成为光学电流互感器的新选择方案，光纤光栅和超磁致伸缩材料有较大的磁滞伸缩系数和较宽的频率响应范围，而FBG仅对应变和温度敏感，由导磁回路将导线电流产生的磁场导入GMM中，GMM在磁场作用下的应变由FBG感知并解调该信号将是该方案的技术路线。近年来，国内外很多学者关注了基于GMM-FBG的光纤电流互感器，有文献研究了直流磁场下，应用蒙乃尔合金与GMM具有相同的热膨胀系数这一事实消除温度的影响。也有研究者应用螺线管产生的磁场研究了 GMM-FBG系统对磁场的强度响应及温度影响水平。国内也有应用匹配光栅方法解调FBG，剔除温度对FBG随温度漂移的影响。上述剔除温度影响方法需要额外配置光纤光栅，同时增加了系统的成本和结构的复杂性。
发明内容本实用新型目的是为了解决现有为剔除对FBG随温度漂移的影响，采用配置额外光纤光栅，这种方案増加了系统的成本和结构的复杂性的问题，提供了ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器。本实用新型所述ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，它包括DFB激光器、耦合器、光电放大器、采集调节�？椤/A转换器和激光器温控电路，DFB激光器发射的激光经耦合器入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器输出至光电放大器，光电放大器将输入的光信号转换成电信号并输出给采集调节�？椋杉鹘谀？榈姆蠢〉鹘谛藕攀涑龆擞隓/A转换器的数字信号输入端相连，D/A转换器的模拟信号输出端与激光器温控电路的输入端相连，激光器温控电路的输出端与DFB激光器的温度控制端相连。本实用新型的优点I、应用FBG与GMM结合作为传感器探头，应用导磁材料构建磁路系统，利用DFB激光器解调FBG，实现了电流的传感与測量。在电流传感器环境温度不变的情况下，能够实现交流信号的实时检測，并且测量信号与输入信号幅值满足一定的线性关系，没有相位差。[0009]2、当电流互感器的外界环境温度发生变化吋，光纤光栅就会发生漂移，如图2所示，这样会造成静态工作点的漂移，使解调输出信号失真。FBG在測量交流信号吋，利用DFB激光器的可调谐特性实现静态工作点自动跟踪光纤光栅的漂移，锁定静态工作点，剔除了温度对电流测量的影响。设定环境温度变化范围从22°C到38°C，当电流传感光栅受温度影响发生漂移吋，光电放大的输出偏离了静态工作点，此时自动调节DFB激光器控制电压，使DFB激光器跟踪光栅的温度漂移，保持光电放大的输出始終始终是5V(静态工作点输出值)，即剔除了温度对光纤光栅的影响。温度和控制电压随时间变化曲线如图4所示，两者具有很好的一致性。实验结果表明本实用新型所述装置很好的实现了温度自动跟踪功能，静态工作点A的输出电压5V在整个温度变化过程中输出恒定，最大偏差小于I %，如图5所示。整个温度跟踪试验进行了 I小时30分钟，系统工作状态稳定，对温度实验进行了反复测试，具有很好的重复性。
图I是本实用新型所述具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的结构示意图；图2是激光器解调原理曲线图，图中LI为DFB激光器光谱曲线，L2为光栅光谱曲线，L3为解调信号曲线，L4为应变信号曲线；图3是激光器參考电压与中心波长的关系曲线图。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图I至图3说明本实施方式，本实施方式所述ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，它包括DFB激光器I、耦合器2、光电放大器3、采集调节�？�4、D/A转换器5和激光器温控电路6，DFB激光器I发射的激光经耦合器2入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器2输出至光电放大器3，光电放大器3将输入的光信号转换成电信号并输出给采集调节�？�4，采集调节模块4的反馈调节信号输出端与D/A转换器5的数字信号输入端相连，D/A转换器5的模拟信号输出端与激光器温控电路6的输入端相连,激光器温控电路6的输出端与DFB激光器I的温度控制端相连。激光器温控电路6选用LTC1923专用温度控制芯片来实现。本实用新型提出了一种基于分布式反馈半导体(DFB Distributed FeedbackLaser)激光器的高精度解调方案，由于FBG对应カ和温度交叉敏感，本实用新型利用DFB激光器波长可调谐特性，自动跟踪FBG-GMM的工作点随温度漂移，在自动锁定系统解调工作点的同时，剔除了温度对电流互感器的影响，同时获得了温度信息。应用DFB激光器(Distributed Feedback Laser) I解调光纤光栅，实际上是利 用DFB激光器I的窄线宽特性解调FBG，即使DFB激光器入射到光栅边带的中点，使光电放大的输出直流分量恒定不变。使用数据采集卡采集光电放大器的输出，光电放大输出包含被测交流分量和直流分量，通过数字滤波滤掉交流分量，保留直流分量，在上位机上通过C++编程实现PID算法，把采集进来的直流量与设定值比较，根据偏差调整DFB激光器控制电压，调谐DFB激光器中心波长，使光电放大输出稳定。当外界温度变化时，光纤光栅随温度变化中心波长发生漂移，通过PID算法和DFB激光器波长可调谐特性，使DFB激光器自动跟踪光纤光栅中心波长变化，锁定工作点，剔除了温度对光纤光栅的影响，进而剔除了温度对光纤光栅电流互感器的影响。DFB激光器I最大特点是光谱线宽窄。本实用新型利用DFB激光器I的窄线宽特性解调光纤光栅，实现动态信号检测。DFB激光器I作为窄带光源，通过调整DFB激光器I内部的温度改变激光器的波长。当激光入射到光纤光栅边带曲率半径最大处A点时，如图2示，A点附近的线性度最好，称A点位静态工作点。当光栅在应力或温度的作用下波长发生变化，即向左或者向右漂移时，将得到不同的电压输出信号。在交变磁场作用下按正弦信号变化，当输入信号很小时，认为光纤光栅边带在小范围内是线性的，在光电放大输出端将得到正弦输出信号L3。光纤光栅电流互感器是应用光纤光栅对应カ敏感实现电流测量的，由于温度的变化引起中心波长的飘移将造成測量结果不准确，为此当温度变化引起波长飘移时，通过调谐DFB激光器I的中心波长，使DFB激光器I跟随光纤光栅同步飘移，即锁定静态工作点A，即可剔除温度对光纤光栅中心波长的影响，同时可以获得温度信息。DFB激光器I是通过内部沿纵向等间隔分布的布拉格光栅来实现光的反馈。当有电流注入时，空穴和电子在有源区内复合，辐射出一定能量的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射，所以称之为分布反馈。当温度或注入电流发生变化吋，内置光栅的间距就会发生变化，致使DFB激光器I的波长改变，这就起到改变激光器中心波长的作用。本系统采用控制激光器内部温度实现波长可调谐，采用负反馈闭环控制系统，通过控制激光器温控电路6的參考电压来控制DFB激光器I内部温度和中心波长，如图3所示，横坐标为控制DFB激光器I中心波长的控制电压，纵坐标为DFB激光器I中心波长，两者具有很好的线性关系。通过改变DFB激光器I内部的温度实现了波长可调谐。
具体实施方式
ニ 本实施方式对实施方式一作进ー步说明，采集调节�？�4内部构建有数据采集卡4-1、低通滤波电路4-2和PID调节电路4-3，数据采集卡4-1采集光电放大器3输出的电信号，数据采集卡4-1的输出端与低通滤波电路4-2输入端相连，低通滤波电路4-2的输出端与PID调节电路4-3的输入端相连，PID调节电路4-3输出反馈调节信号。
具体实施方式
三本实施方式对实施方式ニ作进ー步说明，数据采集卡4-1选用型号为AD7202的数据采集卡。
权利要求1.ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在干，它包括DFB激光器(I)、耦合器(2)、光电放大器(3)、采集调节�？�(4)、D/A转换器(5)和激光器温控电路(6), DFB激光器(I)发射的激光经耦合器(2)入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经率禹合器(2)输出至光电放大器(3),光电放大器(3)将输入的光信号转换成电信号并输出给采集调节�？�(4)，采集调节�？�(4)的反馈调节信号输出端与D/A转换器(5)的数字信号输入端相连，D/A转换器(5)的模拟信号输出端与激光器温控电路(6)的输入端相连,激光器温控电路(6)的输出端与DFB激光器(I)的温度控制端相连。
2.根据权利要求I所述ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，激光器温控电路(6)选用LTC1923专用温度控制芯片来实现。
3.根据权利要求I所述ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，采集调节�？�(4)内部构建有数据采集卡(4-1)、低通滤波电路(4-2)和PID调节电路(4-3), 数据采集卡(4-1)采集光电放大器(3)输出的电信号，数据采集卡(4-1)的输出端与低通滤波电路(4-2)输入端相连，低通滤波电路(4-2)的输出端与PID调节电路(4-3)的输入端相连，PID调节电路(4-3)输出反馈调节信号。
4.根据权利要求3所述ー种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，数据采集卡(4-1)选用型号为AD7202的数据采集卡。
专利摘要一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，属于光电领域，本实用新型为解决现有为剔除对FBG随温度漂移的影响，采用配置额外光纤光栅的方案增加了系统成本和结构复杂性的问题。本实用新型包括DFB激光器、耦合器、光电放大器、采集调节�？�、D/A转换器和激光器温控电路，DFB激光器发射的激光经耦合器入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器输出至光电放大器，光电放大器将输入的光信号转换成电信号并输出给采集调节�？椋杉鹘谀？榈姆蠢〉鹘谛藕攀涑龆擞隓/A转换器的数字信号输入端相连，D/A转换器的模拟信号输出端与激光器温控电路的输入端相连，激光器温控电路的输出端与DFB激光器的温度控制端相连。
文档编号G01R19/32GK202404151SQ20122002579
公开日2012年8月29日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者刘杰, 王鹏, 蒋亮, 赵洪 申请人:哈尔滨理工大学
专业数控铣床产品供应商
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