专利名称：一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法。
背景技术：
全光纤型电流互感器是电力系统中最重要的高压设备之一。随着电力系统电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器在绝缘、带宽、动态范围、输出接口、安全性、重量、体积等方面暴露出了固有的缺点，而基于法拉第(Faraday)效应的全光纤型电流互感器在这些方面却有着突出的优势，是高电压大电流测量中最有前景的方案。全光纤型电流互感器的工作原理是利用法拉第效应(外加磁场使得两束圆偏振光在传播一段距离后会产生一定的相位差，可通过测量该相位差来获得磁场及产生磁场的电流信息)进行电流检测。
理论上，如果光路是理想的互易光路，系统中将不存在初始相位差，即无电流输入时，前半周期调制和后半周期调制所产生的干涉光强应相等。而实际上由于光源的偏振态变化、光纤内的微小结构缺陷、1/4波片的缺陷等原因，系统中不可避免的存在初始相位差。当系统中存在初始相位差时，会导致即使无电流输入，全光纤型电流互感器的输出值也不为零，即产生零点漂移；且这一相位差在系统运行时，会受温度、振动等外界因素的影响而发生变化，影响到全光纤电流互感器的信噪比、线性系数等性能因素，从而降低全光纤型电流互感器的精度性能。为了及早发现全光纤型电流互感器的制备工艺中可能存在的缺陷，提高全光纤型电流互感器的精度性能，须采取一定的方法对系统初始相位差进行测量，且这种测量方法须在不改动全光纤型电流互感器的光路及硬件结构的前提下实现，否则测量完毕后恢复光路及硬件结构的操作又会引入新的初始相位差。
发明内容
本发明的目的是提出一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，采用幅度可变方波调制，在不改变全光纤型电流互感器结构的条件下对其初始相位差进行检测。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，测量方法包括以下步骤
(1)数字信号处理器输出数字量DH(i、Dlo,控制D/A转换器产生频率为本征频率F的两倍、低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波，其中Dhci对应方波的高电平，Dui对应方波的低电平；
(2)低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波对直波导调制器进行相位调制，累加步进电压Vi初始值为O ;
(3)由数字信号处理器输出形如Dh= D1^ON-DXDi (N= 1,2,3,4-)和Dl =D^NXDi (N= 1，2，3，4…)的数字量，控制D/A转换器产生频率为2F的方波，且其高电平为 Vh = VH0+(2N-1) X Vi (N= I，2，3，4...)，低电平为 Vl = V^NXVi (N = 1，2，3，4...)，N 的变化频率为2F ；(4)数字信号处理器控制累加步进电压Vi以固定频率f、步进电SVn累加，即Vi(n+1)=
Vi(n)+VN ；
(5)光探测器将干涉后的光强信号匕和Ph转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上和\，Ph和Vh分别对应；
(6)数字信号处理器计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号匕和Ph的差值，记为ΛΡ ;
(7)每当Vi增加Vn时，重复上述步骤(3) (6)，设重复次数为i，得到第i次步进时和Ph的差值Λ Pi，数字信号处理器对APi值进行极小值判断，当APi趋近于零时，此时
Vi对应的电压即为补偿初始相位差所需的调制电压；
(8)通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用 此时调制电压Vi所对应的数字量作为归一化的初始相位差。在上述方案中，所述全光纤型电流互感器包括光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器，其中，光源和耦合器的端口 A相连，光探测器和耦合器的端口 B相连，耦合器的端口 C依次和直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜相连，光探测器将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器、数字信号处理器、D/A转换器后进入直波导调制器调制。在上述方案中，所述本征频率F可通过公式计算得到，其中，C为真空中
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的光速，η为全光纤型电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。在上述方案中，所述低电平Vui和高电平Vm的值由直波导调制器的特性确定，其范围满足IV ( Vho ( 2V，-2V ( Vlo ( -IV，且在系统中产生± π /2的相位差。在上述方案中，所述固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50 ^ f ^ 2F，所述步进电压Vn的绝对值选取范围满足O. 5mV ( Vj ( 20mV。在上述方案中，所述D/A转换器输入的数字量D与输出的电压信号V满足对应的线性关系。在上述方案中，所述数字信号处理器采用FPGA。在上述方案中，所述光探测器通过示波器观测干涉后的光强信号匕和Ph。在上述方案中，进入所述光探测器的光强信号ΡΗ、&满足干涉光强表达式
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本发明的工作原理是通过数字信号处理器输出数字量Dh、^，控制D/A转换器产生高低幅度与调制电压\表达式有关的方波对直波导调制器进行相位调制，光探测器将干涉光强信号转换为模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再由数字信号处理器计算相邻两个干涉光强差值绝对值Λ P，并对所述差值绝对值Λ P进行极小值判断，当差值绝对值△ P趋近于零时，则有此时Vi对应的电压等于补偿初始相位差所需的调制电压。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，可以得到该系统的初始相位差；利用数字量DH、^与调制电压之间的线性关系，可以得到该初始相位差所对应的数字量。本发明的有益效果在于(1)直波导调制器的电压信号是由数字信号处理器输出数字量驱动D/A转换器取得，测试时的步长\可以设得足够小(使用14位D/A转换器时，可达O. 5mV)，因此初始相位差测量精度高；
(2)方波幅度的步进变化，ΛΡ的测量和极小值比较都由数字信号处理器自动完成，测量速度快；
(3)本发明不增加新的硬件，测量时不需要改变全光纤型电流互感器的光路和结构，直接利用系统中已有的数字信号处理器，D/A转换器、光探测器、A/D转换器完成测量，因此测量结果能准确反应待测系统的初始相位差。
图I是本发明全光纤型电流互感器的结构示意图。图2是本发明全光纤型电流互感器存在初始相位差时光探测器输出的波形图。图3是图2中Vh和' 对应得到Ph和的差值Λ P的示意图。图4是本发明全光纤型电流互感器的初始相位差被补偿后ΛΡ趋近于零的示意图。图中，I.光源，2.耦合器，3.直波导调制器，4. 1/4波片，5.传感光纤环，6.反射镜，7.光探测器,8.数字信号处理器,9. A/D转换器，10. D/A转换器。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明
参照图I所示，本发明所述的一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，基于全光纤型电流互感器测量，全光纤型电流互感器包括光源I、耦合器2、直波导调制器3、1/4波片4、传感光纤环5、反射镜6和光探测器7、数字信号处理器8、A/D转换器9和D/A转换器10，其中，光源I和耦合器2的端口 A相连，光探测器7和耦合器2的端口 B相连，率禹合器2的端口 C依次和直波导调制器3、1/4波片4、传感光纤环5、反射镜6相连,光探测器7将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器9、数字信号处理器8、D/A转换器10后进入直波导调制器3调制，测量方法包括以下步骤(I)数字信号处理器8 (以FPGA为例)输出数字量Dhc^Dui,控制D/A转换器10产生频率为本征频率F的两倍、低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波，其中Dhci对应方波的高电平，Dui对应方波的低
电平，所述本征频率F可通过公式F = _^计算得到，其中，C为真空中的光速，η为全光纤
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型电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。对于一段400m长的光纤，通过计算可以知道本征频率为250KHz，D/A转换器产生的方波频率为500KHz。对于一个确定的D/A转换器，其输入的数字量D与输出的电平V满足一一对应的线性关系，例如对于一个数字精度为十四位，满幅输出幅度为±5V的D/A转换器，数字量D与电平V满足关
系式^ =
(2)低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波对直波导调制器3进行相位调制，累加步进电压Vi初始值为0，低电平Vui和高电平Vhci的值由直波导调制器3的特性确定，其范围满足IV ( Vho ( 2V, -2V ( Vlo ( -IV,且在系统中产生± π/2的相位差；
(3)由数字信号处理器8(以FPGA为例)输出形如Dh= DHQ+(2N-1) XDJN = 1,2,3,4···)和Dl = Du^NXDi (N= 1，2，3，4…)的数字量，控制D/A转换器10产生频率为2F的方波，且其高电平为 Vh = VH0+(2N-1) XVi (N= 1，2，3，4···)，低电平为 Vl = V^NXVi (N =1，2，3，4…)，N的变化频率为2F ；
(4)数字信号处理器8(以FPGA为例)控制累加步进电压Vi以固定频率f、步进电压Vn累加，即Vi(n+1) = Vi(n)+VN ;固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50彡f彡2F，Vn的绝对值选取范围满足O. 5mV ( Vj ( 20mV ；
(5)参照图2所示，光探测器7将干涉后的光强信号匕和Ph转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上和Ph和Vh分别对应；
(6)数字信号处理器8(以FPGA为例)计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号1\和？11的差值，记为ΛΡ，一般情况下ΛΡ不为零，参考图3所示，用示波器观测光探测器7的输出信号时可看到明显幅度差异；
(7)每当Vi增加Vn时，重复上述步骤(3) (6)，设重复次数为i，得到第i次步进时Pl和Ph的差值Λ Pi,数字信号处理器8 (以FPGA为例)对Λ Pi值进行极小值判断，当Λ Pi趋近于零时，参考图4所示，此时Vi对应的电压即为补偿系统初始相位差所需的调制电压；
(8)通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用此时调制电压Vi所对应的数字量作为归一化的初始相位差。典型的全光纤型电流互感器的结构如图I所示，通过数字信号处理器8输出数字量DH、W，控制D/A转换器10产生高低幅度与累加步进电压Vi表达式有关的方波对直波导调制器3进行相位调制，光探测器7将干涉光强信号转换为模拟电信号，A/D转换器9将模拟电信号转换为数字电信号，再由数字信号处理器8通过数字电信号计算相邻两个干涉光强差值绝对值Λ P，并对所述差值绝对值Λ P进行极小值判断，当差值绝对值Λ P趋近于零时，则有此时系统初始相位差被Vi对应的电压补偿为零。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，通过Vh和 '可以得到该系统的初始相位差。采用上述步骤进行了多组实验，记录数据如下表所示
权利要求
1.一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于测量方法包括以下步骤 (1)数字信号处理器输出数字量DH(i、Dui，控制D/A转换器产生频率为本征频率F的两倍、低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波，其中Dhci对应方波的高电平，Dui对应方波的低电平； (2)低电平为Vui、高电平为Vm的对称方波对直波导调制器进行相位调制，累加步进电压Vi初始值为O ; (3)由数字信号处理器输出形如Dh= D1^ON-DXDi (N= 1,2,3,4-)和Dl =D^NXDi (N= 1，2，3，4…)的数字量，控制D/A转换器产生频率为2F的方波，且其高电平为 Vh = VH0+(2N-1) X Vi (N= I，2，3，4...)，低电平为 Vl = V^NXVi (N = 1，2，3，4...)，N 的变化频率为2F ； (4)数字信号处理器控制累加步进电压Vi以固定频率f、步进电SVn累加，即Vi(n+1)=Vi(n)+VN ； (5)光探测器将干涉后的光强信号匕和Ph转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上和\，Ph和Vh分别对应； (6)数字信号处理器计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号匕和Ph的差值，记为AP ；(7)每当Vi增加Vn时，重复上述步骤(3) (6)，设重复次数为i，得到第i次步进时和Ph的差值A Pi,数字信号处理器对APi值进行极小值判断，当APi趋近于零时，此时Vi对应的电压即为补偿系统初始相位差所需的调制电压； (8)通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用此时调制电压Vi所对应的数字量作为归一化的初始相位差。
2.如权利要求I所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述全光纤型电流互感器包括光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器，其中，光源和耦合器的端口 A相连，光探测器和耦合器的端口 B相连，耦合器的端口 C依次和直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜相连，光探测器将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器、数字信号处理器、D/A转换器后进入直波导调制器调制。
3.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述本征频率F可通过公式F = C/2nL计算得到，其中，C为真空中的光速，n为全光纤型 电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。
4.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述低电平Vui和高电平Vm的值由直波导调制器的特性确定，其范围满足IV ≤Vho ≤2V, -2V ≤Vlo ≤-IV,且在系统中产生±31/2的相位差。
5.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50 ≤f ≤2F,所述步进电压Vn的绝对值选取范围满足0.5mV≤Vj≤20mV。
6.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述D/A转换器输入的数字量D与输出的电压信号V满足对应的线性关系。
7.如权利要求I所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述数字信号处理器采用FPGA。
8.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于所述光探测器通过示波器观测干涉后的光强信号匕和PH。
9.如权利要求I或2所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于进入所述光探测器的光强信号PH、Pl满足干涉光强表达式 真寧，I是与光經攝耗、fmmmmmmmmmbwmm,象与待測_籠关系t %是对贏 辱画制器施加电压ft获傳的麵_帽位差1是电流互:1器的_ 帽位差
全文摘要
一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，全光纤型电流互感器包括光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器；数字信号处理器输出数字量控制D/A转换器产生高低幅度的方波对直波导调制器进行相位调制，并控制施加到直波导调制器上的累加步进电压Vi，数字信号处理器计算相邻两个干涉光强差值绝对值△P，并对△P进行极小值判断，当△P趋近于零时，Vi对应的电压等于补偿系统初始相位差所需的调制电压。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，可以得到系统的初始相位差。本发明不需改变全光纤型电流互感器的光路和结构，测量精度高。
文档编号G01R25/00GK102768303SQ20121027435
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者刘莹, 张睿, 茅昕, 陆华清 申请人:长飞光纤光缆有限公司
专业数控铣床产品供应商
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