專利名稱：基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)電流檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
智能電網(wǎng)是一個(gè)涉及多技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性概念，發(fā)展智能電網(wǎng)必須以測(cè)量技術(shù)為手段、設(shè)備技術(shù)為支撐、控制技術(shù)為方法、支持技術(shù)為導(dǎo)向。其中電流是智能電網(wǎng)需要檢測(cè)的重要參數(shù)，電流傳感器也就成為了智能電網(wǎng)中最重要的儀器之一，大電流檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。大電流檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用光纖的法拉第效應(yīng)，由于法拉第效應(yīng)，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再影響偏振態(tài)，儀器通過對(duì)偏振態(tài)檢測(cè)，得到被測(cè)的電流值。然而一直以來，由于溫度對(duì)基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)電流的影響難以避免和補(bǔ)償，至今光纖式電流互感器仍難以形成批量和大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)大電流檢測(cè)系統(tǒng)中溫度對(duì)基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)電流的影響難以避免和補(bǔ)償?shù)膯栴}，提出了一種基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過設(shè)置偏振控制器、在偏振控制器中同時(shí)輸入光信號(hào)和溫度信號(hào)，在偏振控制器中對(duì)溫度變化信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使光信號(hào)在控制器輸出端(檢測(cè)電流之光纖)始終保持線性的偏振態(tài)，從而避免了溫度變化對(duì)光的偏振態(tài)變化產(chǎn)生的影響，因而也就避免了溫度變化對(duì)電流檢測(cè)結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，磁光晶體置于通有大電流的導(dǎo)線邊，激光光源，環(huán)形器，偏振控制器，磁光晶體，光纖反射鏡用保偏光纖依次相連，光纖偏振態(tài)探測(cè)器通過光纖傳感器模塊測(cè)量光纖的實(shí)時(shí)偏振態(tài)變化量送單片機(jī)，溫度傳感器測(cè)試環(huán)境溫度送單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，偏振控制器將測(cè)得的光的偏振量送單片機(jī)，單片機(jī)處理信號(hào)后，輸出偏振補(bǔ)償量通過偏振控制器傳送至傳感光纖。所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該儀器傳感部分應(yīng)用光學(xué)原理，所以對(duì)絕緣器件的要求不高，相對(duì)傳統(tǒng)型測(cè)試系統(tǒng)尺寸變小、造價(jià)變低；由于該儀器放棄了電磁鐵芯，采用磁光效應(yīng)原理，所以動(dòng)態(tài)范圍非常大，反應(yīng)速率高，可以實(shí)現(xiàn)大電流的非飽和測(cè)試；采用光纖作為傳感器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，安全性得到極大的提高；采用偏振控制器對(duì)光的偏振態(tài)實(shí)施控制，同時(shí)在偏振控制系統(tǒng)中針對(duì)溫度的影響進(jìn)行補(bǔ)償，從而使光信號(hào)到達(dá)傳感光纖檢測(cè)電流前完全避免了溫度的影響。


圖I為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)中光纖偏振電流傳感系統(tǒng)原理圖2為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)硬件連接示意圖； 圖4為本發(fā)明基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所不光纖偏振電流傳感系統(tǒng)原理圖,在磁場(chǎng)的作用下,本來不具有旋光性的物質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性(光矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn))這種現(xiàn)象稱作磁致旋光效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)。旋
轉(zhuǎn)矢量^ = u ,設(shè)物質(zhì)旋光能力為P，則當(dāng)光通過物質(zhì)的光程為7時(shí)，光偏振面
Gs YHsP λ a
的旋轉(zhuǎn)角￡1為4= 1=57 I=Vu 1，此處V= ，V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與物質(zhì)的性質(zhì)、溫
W Wp ^ n8 Mgw
Ao
度以及光的頻率(波長(zhǎng))有關(guān)，物理意義是每單位光程每單位場(chǎng)強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)角。線偏振光通過磁光材料時(shí)，在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下其偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)
角0正比于磁場(chǎng)H沿著線偏振光通過材料路徑的線積分= V f Hdi,
由全電流定律有e = y§L Hdl =VNI，通過探測(cè)線偏振光偏轉(zhuǎn)角度來探測(cè)電流的變化。
電流與Θ角成正比，測(cè)出§角即可求出電流I。上述就是本發(fā)明所述系統(tǒng)工作的理論依據(jù)。本發(fā)明專利的突出優(yōu)點(diǎn)是在正常情況下，可以由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)反饋環(huán)境溫度對(duì)光在光纖傳輸偏振態(tài)的影響；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常狀況時(shí)，也可以進(jìn)行手動(dòng)操作。同時(shí)還具有計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能，顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。如圖2所示基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光光源I、環(huán)形器2、偏振控制器3、光纖傳感器4、中央控制芯片5、磁光晶體7、光纖反射鏡6。所述的激光光源I、環(huán)形器2、偏振控制器3、磁光晶體7、光纖反射鏡6用保偏光纖依次相連。具體實(shí)施時(shí)，所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。如圖3所示系統(tǒng)硬件連接示意圖，MCU單片機(jī)作為中央控制芯片5，光纖偏振態(tài)探測(cè)器11通過光纖傳感器模塊4測(cè)量光纖的實(shí)時(shí)偏振態(tài)變化，送中央芯片5，溫度補(bǔ)償性NTC 熱敏電阻作為溫度傳感器9，溫度傳感器9和單片機(jī)5中的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集測(cè)試的環(huán)境溫度信號(hào)。此時(shí)偏振控制器3將測(cè)得的光的偏振量直接發(fā)送至中央控制芯片5。此時(shí)的光偏振量主要由環(huán)境溫度變化的影響產(chǎn)生，據(jù)此計(jì)算出溫度變化引起的光偏振態(tài)的偏移量，再由中央控制芯片程序自動(dòng)控制偏振態(tài)補(bǔ)償量，通過偏振控制器3再將補(bǔ)償后的信號(hào)傳送至光纖傳感器模塊4，從而使光纖偏振態(tài)在輸入傳感光纖之前完全抵消了溫度的影響。低壓電源10為溫度傳感器9、中央芯片5、偏振控制器3、偏振態(tài)探測(cè)器11供電。本發(fā)明專利所述系統(tǒng)的工作過程為將偏振控制器3與中央控制芯片相連，通過軟件控制調(diào)整偏振態(tài)，使輸出光的偏振態(tài)處于偏振態(tài)變化靈敏度最高的位置。將磁光晶體7 置于通有大電流的導(dǎo)線附近。通過中央控制芯片實(shí)時(shí)監(jiān)控偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線中的電流的檢測(cè)。如圖4是本發(fā)明所述系統(tǒng)的軟件流程圖。程序開始先檢測(cè)激光的偏振態(tài)，然后檢測(cè)系統(tǒng)所處溫度，通過算法對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，再輸出偏振態(tài)檢測(cè)值，最后計(jì)算得到電流值。實(shí)際應(yīng)用中，單模光纖截面由于加工工藝導(dǎo)致不可能是理想的真圓，而是有一定的橢圓度和形狀畸變；另一方面，拉制光纖的材料在縱向和橫向上也很難保證是理想和均勻的，因而導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)不均勻，在不同的環(huán)境溫度下會(huì)呈現(xiàn)不同的橫向、縱向內(nèi)應(yīng)力，這就使得光纖的兩個(gè)本征偏振模/STdPiiSf1之間存在著一定的模式藕合。單模光纖
的歸一化雙折射參數(shù)β反映這一模式耦合程度5 = %- ，式中是模式ZffiT1的折射
率，是模式的折射率。光纖中這種固有的模式折射率的現(xiàn)象被稱為固有雙折射效應(yīng)，用Δ於來衡，
Lfi^(2K!X)-(ny - )式O ,應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中的單模光纖，其雙折射特性包括固有雙
折射特性和各種環(huán)境因素所致的雙折射(感生雙折射)特性，而溫度的感生雙折射效應(yīng)對(duì)于線性雙折射的影響最大。由單模光纖的相位溫度特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，磁光晶體置于通有大電流的導(dǎo)線邊，激光光源，環(huán)形器，偏振控制器，磁光晶體，光纖反射鏡用保偏光纖依次相連，光纖偏振態(tài)探測(cè)器通過光纖傳感器模塊測(cè)量光纖的實(shí)時(shí)偏振態(tài)變化量送單片機(jī)，溫度傳感器測(cè)試環(huán)境溫度送單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，偏振控制器將測(cè)得的光的偏振量送單片機(jī)，單片機(jī)處理信號(hào)后，輸出偏振補(bǔ)償量通過偏振控制器傳送至傳感光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光光源可選用1550nm或者1310nm的激光光源；所述的環(huán)形器可選用三孔環(huán)形器，所述的光纖反射鏡選用FC-NPC接口的光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖偏振態(tài)檢測(cè)的環(huán)境溫度補(bǔ)償大電流測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過設(shè)置偏振控制器、在偏振控制器中同時(shí)輸入光信號(hào)和溫度信號(hào)，在偏振控制器中對(duì)溫度變化信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使光信號(hào)在控制器輸出端(檢測(cè)電流之光纖)始終保持線性的偏振態(tài)，從而避免了溫度變化對(duì)光的偏振態(tài)變化產(chǎn)生的影響，因而也就避免了溫度變化對(duì)電流檢測(cè)結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)絕緣器件的要求不高，相對(duì)傳統(tǒng)型測(cè)試系統(tǒng)尺寸變小、造價(jià)低。采用磁光效應(yīng)原理，所以動(dòng)態(tài)范圍非常大，反應(yīng)速率高，可以實(shí)現(xiàn)大電流的非飽和測(cè)試；采用光纖作為傳感器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，安全性得到極大的提高。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102590608SQ20121005447
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者侯英龍, 馮舒寧, 張學(xué)典, 張振一, 毛辰飛, 魯敦科 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)