专利名称：混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器及其电流检测方法
技术领域：
本发明涉及一种用光学方法对导体中的电流进行测量的设备及其检测方法，属于电力应用与光纤传感技术领域。
背景技术：
全光纤电流互感器是新一代高压大电流测量装置，它采用具有天然良好绝缘性能 的光纤材料作为传感和传输元件。传感单元没有电子电路，不需要供电电源，是一种无源的电流传感器。全光纤电流互感器与传统电流互感器相比具有如下优点测量频带宽；动态范围大；绝缘性能好；无开路导致高压的危险；不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和及大电感所引起的滞后现象；不含油，没有爆炸危险；受电磁干扰影响小；体积小、重量轻、结构简单。全光纤电流互感器对电流的测量是基于Ampere定律和Faraday电磁感应原理的。当传感光纤位于有电流通过而形成的磁场中时，依据Faraday电磁感应原理，电流信息会转换到两束圆偏振光的相位中，产生Faraday相位差。当两束圆偏振光传输到传感光纤末端时，产生镜面反射，两束光模式互换(左旋变右旋，右旋变左旋)后沿原光路返回，Faraday效应因非互易性而加倍，并在1/4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。虽然全光纤电流互感器具有传统电流互感器无法比拟的优势，但由于其光路中1/4波片、光纤费尔德常数具有温度相关性，导致电流检测的稳定性和测量精度受到影响，这在很大程度上限制了光纤型电流互感器的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实时测量传感头的温度进而对电流互感器的测量结果进行准确、可靠修正的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器及其电流检测方法。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，包括电流检测光路和温度检测光路，电流检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、相位调制器、偏振合束器、保偏传输光纤和传感头，温度检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、光环形器、单模传输光纤和传感头，所述光源、保偏耦合器和传感头为两条光路所共用，所述两条光路还包括共用的光电转换调制解调单元，所述光电转换调制解调单元分别与所述保偏耦合器和光环形器相连接。所述电流检测光路中正向传输的光与反向传输的光在相位调制器内发生的干涉信号，用于待测电流信号的检测；所述温度检测光路中经光纤光栅反射有带温度信息的反射光波，用于电流信号的在线温度补偿。所述光源为ASE光源。所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
所述传感头包含两条传感线路，电流传感线路与温度传感线路。所述电流传感线路由1/4波片、低双折射传感光纤和设置在低双折射传感光纤末端的法拉第反射镜组成；所述温度传感线路由写有光纤光栅的单模光纤组成。所述两条传感线路为环形，共同封装于充满惰性气体的石英玻璃管中，所述石英玻璃管外部包覆有缓冲层，缓冲层外部为传感头骨架；所述传感头骨架、缓冲层和石英玻璃管的同一环形位置上设有开口，所述保偏传输光纤和单模传输光纤通过所述开口分别与电流传感线路的1/4波片和温度传感线路的单模光纤连接；所述传感头的环形传感线路中央还设有汇流棒。 进一步，所述传感头骨架的开口处设有密封橡胶圈。所述光电转换调制解调单元包括探测器、OCM�？�、调制解调电路和转换输出接口 ；所述调制解调电路包括顺序连接的模数转换器、数据处理单元和数模转换器，所述数据处理单元还与所述转换输出接口连接，所述数据处理单元内写有传感头受温度影响的模拟 补偿算法；所述探测器一端与保偏耦合器相连接，接收电流检测光路中相位调制器内发生 的干涉信号，另一端与调制解调电路的模数转换器相连接，对干涉信号进行调制和解调；所述OCM�？橐欢擞牍饣沸纹飨嗔樱邮瘴露燃觳夤饴分写形露刃畔⒌姆瓷涔獠ǎ硪欢擞氲髦平獾鞯缏返氖荽淼ピ嗔樱晕露刃畔⒔性谙卟钩ィ凰鯫CM�？橛煞止夤庹�、探测器阵列和电子处理单元构成，采用密集型波分复用DWDM技术将光波长变化转换成电信号分析并转换输出。进一步，所述传感头的工作温度为_40°C +60°C。一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的电流检测方法，包括如下步骤(I)对混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器进行温度试验，获得模拟补偿算法；(2)将模拟补偿算法嵌入混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的数据处理单元；(3)使用混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器对待测电流进行检测，输出检测结果。所述模拟补偿算法由如下方法获得⑴将混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的传感头放入温度试验箱，调节汇流棒中电流至基准电流；(2)调整温度试验箱的温度，待传感头温度稳定后记录温度值并采集输出的电流数据；(3)使温度试验箱的温度以一定的温度间隔上升，按步骤(2)记录每一温度点的输出电流数据；(4)将测试得到的温度-电流数据进行建模，根据模型拟合补偿算法，并对补偿算法进行修正，获得模拟补偿算法。进一步，所述数据处理单元为FPGA控制芯片。进一步，所述温度试验箱的温度范围调整为_40(T+6(rC，所述温度间隔调整为10C。本发明的有益效果是1)提出了一种解决光纤电流互感器温度影响问题的新思路；2)传感头组合了电流和温度两个光路实现两种物理参量并行测量；3)实现了全光纤电流互感器在线补偿解决了其工程应用主要限制问题；4)光路设计最大程度的降低了成本，两个光路公用一个光源；5)系统温度补偿无需到电力现场试验，系统补偿后无需二次调试，可以直接现场安装，节约人力物力。
图I为本发明混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的结构示意图。
图2为本发明的传感头内部结构示意图。图3为本发明光电转换调制解调单元结构示意图。图4为OCM模块工作原理图。
图5为调制解调电路工作原理图。图6为温度建模试验示意图。
图7为温度补偿前后效果对比图。图中，I 光源2 保偏I禹合器3 相位调制器4 偏振合束器5 保偏传输光纤6 传感头611 1/4波片612低双折射传感光纤613法拉第反射镜621单模光纤622光纤光栅63 惰性气体64石英玻璃管65 缓冲层66传感头骨架67 开口68汇流棒69 密封橡胶圈7 光环形器8 单模传输光纤9 光电转换调制解调单元 91 探测器92 OCM�？�921分光光栅922探测器阵列923电子处理单元93调制解调电路931模数转换器932数据处理单元933数模转换器94 转换输出接口101温度试验箱102综合解调系统103数据采集系统
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一种具体实施方式
做出简要说明。如图I，一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，包括电流检测光路和温度检测光路，电流检测光路包括顺序连接的光源I、保偏耦合器2、相位调制器3、偏振合束器
4、保偏传输光纤5和传感头6，温度检测光路包括顺序连接的光源I、保偏耦合器2、光环形器7、单模传输光纤8和传感头6，所述光源I、保偏耦合器2和传感头6为两条光路所共用，所述两条光路还包括共用的光电转换调制解调单元9，所述光电转换调制解调单元9分别与所述保偏耦合器2和光环形7器相连接。本实施例中，所述光源I为ASE光源。其中，如图I和2，所述传感头6包含两条传感线路，电流传感线路与温度传感线路。所述电流传感线路由1/4波片611、低双折射传感光纤612和设置在低双折射传感光纤612末端的法拉第反射镜613组成；所述温度传感线路由写有光纤光栅622的单模光纤621组成。所述两条传感线路为环形，共同封装于充满惰性气体63的石英玻璃管64中，所述石英玻璃管64外部包覆有缓冲层65，缓冲层65外部为传感头骨架66 ;所述传感头骨架66、缓冲层65和石英玻璃管64的同一环形位置上设有开口 67,所述保偏传输光纤5和单模传输光纤8通过所述开口 67分别与电流传感线路的1/4波片611和温度传感线路的单模光纤621连接；所述传感头6的环形传感线路中央还设有汇流棒68。进一步,所述传感头骨，66的开口 67处设有密封橡胶圈69。如图3，所述光电转换调制解调单元9包括探测器91、OCM�？�92、调制解调电路93和转换输出接口 94 ;其中，如图5，所述调制解调电路93包括顺序连接的模数转换器931、数据处理单元932和数模转换器933，所述数据处理单元932还与所述转换输出接口94连接，所述数据处理单元932内写有传感头6受温度影响的模拟补偿算法；所述探测器91 一端与保偏耦合器2相连接，接收电流检测光路中相位调制器3内发生的干涉信号，另一端与调制解调电路93的模数转换器931相连接，对干涉信号进行调制和解调；所述OCM�？�92 —端与光环形器2相连接，接收温度检测光路中带有温度信息的反射光波，另一端与调制解调电路93的数据处理单元932相连接，对温度信息进行在线补偿；如图4，所述OCM�？�92由分光光栅921、探测器阵列922和电子处理单元923构成，采用密集型波分复用 DffDM技术将光波长变化转换成电信号分析并转换输出。本发明的工作方法如下ASE光源I产生一宽谱光束，经过保偏耦合器2分束为两束光，一束光信号进入相位调制器3作为电流传感应用，另一束光进入光环形器7作为温度传感应用。进入相位调制器3的光转变成线偏振光且一分为二，光相位被调制线95施加的调制信号调制，调制后的两束输出光分别进入偏振合束器4的两个输入端，偏振分合束器4将两束线偏振光合并到同一输出光纤正交的两个光轴上，合并后的光束经过一定距离的传输保偏光纤5传输到光纤传感头6部分,合束的两个偏振信号光电流传感线路的1/4波片611分别转换成为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，然后进入低双折射传感光纤612并到法拉第反射镜613,经过法拉第反射镜反射后两束旋转偏振光反射向反向传输，此时两束光的偏振态在反射时发生交换，即原左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光，原右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光。偏振信号来回两次经过低双折射传感光纤612，当汇流体68中有电流通过时，依据法拉第电磁感应原理电流信息会转换到两束偏振光的相位中，由于法拉第效应具有非互易性因此感应信号会加倍。载有电流信息的两束偏振光再次返回到1/4波片611又会重新转换为两束正交的线偏振光，经过偏振分合束器4将两束正交的线偏振光分别注入到两个光纤中，光反向进入相位调制器3发生干涉，干涉信号输入到光电转换调制解调单元9的探测器91接收，转换为电信号，经调制解调电路93的数据处理单元932计算输出反馈信号，经调制线95施加到相位调制器3。进入光环形器7正向传输的光信号经过单模传输光纤8到达传感头6中的光纤光栅622，光纤光栅622反射的光波波长与光栅所处的温度有关，光纤光栅反射回来的载有温度信息的光信号反向经过单模传输光纤8返回到光环形器7，光环行器7将反向传回的信号输出到光电转换调制解调单元9的OCM�？�92，OCM�？�92的分光光栅921首先将入射光进行光谱分解(空间)，探测器阵列922接收分解后的光信号并对它进行光电转换，电子处理单元923进一步将转换后的电信号分析并转换输出。经电子处理单元923转换输出的电信号送入调制解调电路93，调制解调电路93的数据处理单元932嵌有模拟补偿算法，依据算法对温度信息进行补偿后由转换输出接口 94输出。如图6，所述模拟补偿算法由如下方法获得⑴将混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的传感器6放入温度试验箱101，调节汇流棒68中电流至基准电流；(2)调整温度试验箱101的温度，待传感头温度稳定后记录温度值并由数据采集系统103采集输出的电流数据；(3)使温度试验箱101的温度以一定的温度间隔上升，按步骤(2)记录每一温度点的输出电流数据；(4)将测试得到的温度-电流数据进行建模，根据模型拟合补偿算法，并对补偿算法进行修正，获得模拟补偿算法。其中，图6中所示综合解调系统102为本发明混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器除传感头之外的部分。本实施例中模拟补偿算法采集温度信息的范围为_40°C、60°C，每间隔10°C进行一次数据采集，将得到的温度-电流数据进行建模后，所得到的补偿效果如图7所示。其中，归一化标度因数SF为电流的测量值与实际值的比值。
本实施例中，所述数据处理单元为FPGA控制芯片。以上对本发明的一个实例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
权利要求
1.一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于包括电流检测光路和温度检测光路；所述电流检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、相位调制器、偏振合束器、保偏传输光纤和传感头；所述温度检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、光环形器、单模传输光纤和传感头；所述光源、保偏耦合器和传感头为两条光路所共用；所述两条光路还包括共用的光电转换调制解调单元，所述光电转换调制解调单元分别与所述保偏耦合器和光环形器相连接； 所述电流检测光路中正向传输的光与反向传输的光在相位调制器内发生的干涉信号，用于待测电流信号的检测；所述温度检测光路中经光纤光栅反射有带温度信息的反射光波，用于电流信号的在线温度补偿。
2.根据权利要求I所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述传感头包含两条传感线路，电流传感线路与温度传感线路；所述电流传感线路由1/4波片、低双折射传感光纤和设置在低双折射传感光纤末端的法拉第反射镜组成；所述温度传感线路由写有光纤光栅的单模光纤组成；所述两条传感线路为环形，共同封装于充满惰性 气体的石英玻璃管中，所述石英玻璃管外部包覆有缓冲层，缓冲层外部为传感头骨架；所述传感头骨架、缓冲层和石英玻璃管的同一环形位置上设有开口，所述保偏传输光纤和单模传输光纤通过所述开口分别与电流传感线路的1/4波片和温度传感线路的单模光纤连接；所述传感头骨架的开口处设有密封橡胶圈；所述传感头的环形传感线路中央还设有汇流棒。
3.根据权利要求I所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述光电转换调制解调单元包括探测器、OCM�？�、调制解调电路和转换输出接口 ； 所述调制解调电路包括顺序连接的模数转换器、数据处理单元和数模转换器，所述数据处理单元还与所述转换输出接口连接，所述数据处理单元内写有传感头受温度影响的模拟补偿算法； 所述探测器一端与保偏耦合器相连接，接收电流检测光路中相位调制器内发生的干涉信号，另一端与调制解调电路的模数转换器相连接，对干涉信号进行调制和解调； 所述OCM�？橐欢擞牍饣沸纹飨嗔樱邮瘴露燃觳夤饴分写形露刃畔⒌姆瓷涔獠ǎ硪欢擞氲髦平獾鞯缏返氖荽淼ピ嗔樱晕露刃畔⒔性谙卟钩ィ凰鯫CM�？橛煞止夤庹�、探测器阵列和电子处理单元构成，采用密集型波分复用DWDM技术将光波长变化转换成电信号分析并转换输出。
4.根据权利要求1-3任一项所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述光源为ASE光源。
5.根据权利要求1-3任一项所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
6.根据权利要求3所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述数据处理单元为FPGA控制芯片。
7.根据权利要求1-3任一项所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，其特征在于所述传感头的工作温度为_40°C、60°C。
8.一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的电流检测方法，包括如下步骤(I)对混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器进行温度试验，获得模拟补偿算法；(2)将模拟补偿算法嵌入混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的数据处理单元；(3)使用混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器对待测电流进行检测，输出检测结果。
9.根据权利要求8所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的电流检测方法，其特征在于所述模拟补偿算法由如下方法获得(I)将混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的传感头放入温度试验箱，调节汇流棒中电流至基准电流；(2)调整温度试验箱的温度，待传感头温度稳定后记录温度值并采集输出的电流数据；(3)使温度试验箱的温度以一定的温度间隔上升，按步骤(2)记录每一温度点的输出电流数据；(4)将测试得到的温度-电流数据进行建模，根据模型拟合补偿算法，并对补偿算法进行修正，获得模拟补偿算法。
10.根据权利要求9所述的混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器的电流检测方法，其特征在于所述温度试验箱的温度范围调整为-40°C、60°C，所述温度间隔调整为10。。。
全文摘要
本发明涉及一种混合式光栅在线测温型全光纤电流互感器，包括电流检测光路和温度检测光路；所述电流检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、相位调制器、偏振合束器、保偏传输光纤和传感头；所述温度检测光路包括顺序连接的光源、保偏耦合器、光环形器、单模传输光纤和传感头；所述光源、保偏耦合器和传感头为两条光路所共用；所述两条光路还包括共用的光电转换调制解调单元，所述光电转换调制解调单元分别与所述保偏耦合器和光环形器相连接。本发明能够实时测量传感头的温度并对电流互感器的测量结果进行准确、可靠修正。
文档编号G01R15/24GK102721847SQ20121019882
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者李丽, 李伟峻, 梁志军, 郑志胜 申请人:天津光拓科技有限公司
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