專利名稱：一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法。
背景技術：
全光纖型電流互感器是電力系統(tǒng)中最重要的高壓設備之一。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器在絕緣、帶寬、動態(tài)范圍、輸出接口、安全性、重量、體積等方面暴露出了固有的缺點，而基于法拉第(Faraday)效應的全光纖型電流互感器在這些方面卻有著突出的優(yōu)勢，是高電壓大電流測量中最有前景的方案。全光纖型電流互感器的工作原理是利用法拉第效應(外加磁場使得兩束圓偏振光在傳播一段距離后會產(chǎn)生一定的相位差，可通過測量該相位差來獲得磁場及產(chǎn)生磁場的電流信息)進行電流檢測。

理論上，如果光路是理想的互易光路，系統(tǒng)中將不存在初始相位差，即無電流輸入時，前半周期調(diào)制和后半周期調(diào)制所產(chǎn)生的干涉光強應相等。而實際上由于光源的偏振態(tài)變化、光纖內(nèi)的微小結構缺陷、1/4波片的缺陷等原因，系統(tǒng)中不可避免的存在初始相位差。當系統(tǒng)中存在初始相位差時，會導致即使無電流輸入，全光纖型電流互感器的輸出值也不為零，即產(chǎn)生零點漂移；且這一相位差在系統(tǒng)運行時，會受溫度、振動等外界因素的影響而發(fā)生變化，影響到全光纖電流互感器的信噪比、線性系數(shù)等性能因素，從而降低全光纖型電流互感器的精度性能。為了及早發(fā)現(xiàn)全光纖型電流互感器的制備工藝中可能存在的缺陷，提高全光纖型電流互感器的精度性能，須采取一定的方法對系統(tǒng)初始相位差進行測量，且這種測量方法須在不改動全光纖型電流互感器的光路及硬件結構的前提下實現(xiàn)，否則測量完畢后恢復光路及硬件結構的操作又會引入新的初始相位差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，采用幅度可變方波調(diào)制，在不改變?nèi)饫w型電流互感器結構的條件下對其初始相位差進行檢測。本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是
一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，測量方法包括以下步驟
(1)數(shù)字信號處理器輸出數(shù)字量DH(i、Dlo,控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率為本征頻率F的兩倍、低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波，其中Dhci對應方波的高電平，Dui對應方波的低電平；
(2)低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波對直波導調(diào)制器進行相位調(diào)制，累加步進電壓Vi初始值為O ;
(3)由數(shù)字信號處理器輸出形如Dh= D1^ON-DXDi (N= 1,2,3,4-)和Dl =D^NXDi (N= 1，2，3，4…)的數(shù)字量，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率為2F的方波，且其高電平為 Vh = VH0+(2N-1) X Vi (N= I，2，3，4...)，低電平為 Vl = V^NXVi (N = 1，2，3，4...)，N 的變化頻率為2F ；(4)數(shù)字信號處理器控制累加步進電壓Vi以固定頻率f、步進電SVn累加，即Vi(n+1)=
Vi(n)+VN ；
(5)光探測器將干涉后的光強信號匕和Ph轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，進入A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量信號，在時間上和\，Ph和Vh分別對應；
(6)數(shù)字信號處理器計算上述數(shù)字量信號的差值，從而推算得到光強信號匕和Ph的差值，記為ΛΡ ;
(7)每當Vi增加Vn時，重復上述步驟(3) (6)，設重復次數(shù)為i，得到第i次步進時和Ph的差值Λ Pi，數(shù)字信號處理器對APi值進行極小值判斷，當APi趨近于零時，此時
Vi對應的電壓即為補償初始相位差所需的調(diào)制電壓；
(8)通過調(diào)制電壓與相位差之間的線性對應關系得到系統(tǒng)的初始相位差，或直接使用 此時調(diào)制電壓Vi所對應的數(shù)字量作為歸一化的初始相位差。在上述方案中，所述全光纖型電流互感器包括光源、耦合器、直波導調(diào)制器、1/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和光探測器、數(shù)字信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，其中，光源和耦合器的端口 A相連，光探測器和耦合器的端口 B相連，耦合器的端口 C依次和直波導調(diào)制器、1/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡相連，光探測器將接收到的干涉光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，并依次接入A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換器后進入直波導調(diào)制器調(diào)制。在上述方案中，所述本征頻率F可通過公式計算得到，其中，C為真空中
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的光速，η為全光纖型電流互感器中光纖折射率，L為全光纖型電流互感器光路總長度。在上述方案中，所述低電平Vui和高電平Vm的值由直波導調(diào)制器的特性確定，其范圍滿足IV ( Vho ( 2V，-2V ( Vlo ( -IV，且在系統(tǒng)中產(chǎn)生± π /2的相位差。在上述方案中，所述固定頻率f與本征頻率F的關系應滿足F/50 ^ f ^ 2F，所述步進電壓Vn的絕對值選取范圍滿足O. 5mV ( Vj ( 20mV。在上述方案中，所述D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量D與輸出的電壓信號V滿足對應的線性關系。在上述方案中，所述數(shù)字信號處理器采用FPGA。在上述方案中，所述光探測器通過示波器觀測干涉后的光強信號匕和Ph。在上述方案中，進入所述光探測器的光強信號ΡΗ、&滿足干涉光強表達式
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本發(fā)明的工作原理是通過數(shù)字信號處理器輸出數(shù)字量Dh、^，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高低幅度與調(diào)制電壓\表達式有關的方波對直波導調(diào)制器進行相位調(diào)制，光探測器將干涉光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，再由數(shù)字信號處理器計算相鄰兩個干涉光強差值絕對值Λ P，并對所述差值絕對值Λ P進行極小值判斷，當差值絕對值△ P趨近于零時，則有此時Vi對應的電壓等于補償初始相位差所需的調(diào)制電壓。利用相位差與調(diào)制電壓之間的線性對應關系，可以得到該系統(tǒng)的初始相位差；利用數(shù)字量DH、^與調(diào)制電壓之間的線性關系，可以得到該初始相位差所對應的數(shù)字量。本發(fā)明的有益效果在于(1)直波導調(diào)制器的電壓信號是由數(shù)字信號處理器輸出數(shù)字量驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換器取得，測試時的步長\可以設得足夠小(使用14位D/A轉(zhuǎn)換器時，可達O. 5mV)，因此初始相位差測量精度高；
(2)方波幅度的步進變化，ΛΡ的測量和極小值比較都由數(shù)字信號處理器自動完成，測量速度快；
(3)本發(fā)明不增加新的硬件，測量時不需要改變?nèi)饫w型電流互感器的光路和結構，直接利用系統(tǒng)中已有的數(shù)字信號處理器，D/A轉(zhuǎn)換器、光探測器、A/D轉(zhuǎn)換器完成測量，因此測量結果能準確反應待測系統(tǒng)的初始相位差。


圖I是本發(fā)明全光纖型電流互感器的結構示意圖。圖2是本發(fā)明全光纖型電流互感器存在初始相位差時光探測器輸出的波形圖。圖3是圖2中Vh和' 對應得到Ph和的差值Λ P的示意圖。圖4是本發(fā)明全光纖型電流互感器的初始相位差被補償后ΛΡ趨近于零的示意圖。圖中，I.光源，2.耦合器，3.直波導調(diào)制器，4. 1/4波片，5.傳感光纖環(huán)，6.反射鏡，7.光探測器,8.數(shù)字信號處理器,9. A/D轉(zhuǎn)換器，10. D/A轉(zhuǎn)換器。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明
參照圖I所示，本發(fā)明所述的一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，基于全光纖型電流互感器測量，全光纖型電流互感器包括光源I、耦合器2、直波導調(diào)制器3、1/4波片4、傳感光纖環(huán)5、反射鏡6和光探測器7、數(shù)字信號處理器8、A/D轉(zhuǎn)換器9和D/A轉(zhuǎn)換器10，其中，光源I和耦合器2的端口 A相連，光探測器7和耦合器2的端口 B相連，率禹合器2的端口 C依次和直波導調(diào)制器3、1/4波片4、傳感光纖環(huán)5、反射鏡6相連,光探測器7將接收到的干涉光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，并依次接入A/D轉(zhuǎn)換器9、數(shù)字信號處理器8、D/A轉(zhuǎn)換器10后進入直波導調(diào)制器3調(diào)制，測量方法包括以下步驟(I)數(shù)字信號處理器8 (以FPGA為例)輸出數(shù)字量Dhc^Dui,控制D/A轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生頻率為本征頻率F的兩倍、低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波，其中Dhci對應方波的高電平，Dui對應方波的低
電平，所述本征頻率F可通過公式F = _^計算得到，其中，C為真空中的光速，η為全光纖
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型電流互感器中光纖折射率，L為全光纖型電流互感器光路總長度。對于一段400m長的光纖，通過計算可以知道本征頻率為250KHz，D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的方波頻率為500KHz。對于一個確定的D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入的數(shù)字量D與輸出的電平V滿足一一對應的線性關系，例如對于一個數(shù)字精度為十四位，滿幅輸出幅度為±5V的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量D與電平V滿足關
系式^ =
(2)低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波對直波導調(diào)制器3進行相位調(diào)制，累加步進電壓Vi初始值為0，低電平Vui和高電平Vhci的值由直波導調(diào)制器3的特性確定，其范圍滿足IV ( Vho ( 2V, -2V ( Vlo ( -IV,且在系統(tǒng)中產(chǎn)生± π/2的相位差；
(3)由數(shù)字信號處理器8(以FPGA為例)輸出形如Dh= DHQ+(2N-1) XDJN = 1,2,3,4···)和Dl = Du^NXDi (N= 1，2，3，4…)的數(shù)字量，控制D/A轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生頻率為2F的方波，且其高電平為 Vh = VH0+(2N-1) XVi (N= 1，2，3，4···)，低電平為 Vl = V^NXVi (N =1，2，3，4…)，N的變化頻率為2F ；
(4)數(shù)字信號處理器8(以FPGA為例)控制累加步進電壓Vi以固定頻率f、步進電壓Vn累加，即Vi(n+1) = Vi(n)+VN ;固定頻率f與本征頻率F的關系應滿足F/50彡f彡2F，Vn的絕對值選取范圍滿足O. 5mV ( Vj ( 20mV ；
(5)參照圖2所示，光探測器7將干涉后的光強信號匕和Ph轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，進入A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量信號，在時間上和Ph和Vh分別對應；
(6)數(shù)字信號處理器8(以FPGA為例)計算上述數(shù)字量信號的差值，從而推算得到光強信號1\和？11的差值，記為ΛΡ，一般情況下ΛΡ不為零，參考圖3所示，用示波器觀測光探測器7的輸出信號時可看到明顯幅度差異；
(7)每當Vi增加Vn時，重復上述步驟(3) (6)，設重復次數(shù)為i，得到第i次步進時Pl和Ph的差值Λ Pi,數(shù)字信號處理器8 (以FPGA為例)對Λ Pi值進行極小值判斷，當Λ Pi趨近于零時，參考圖4所示，此時Vi對應的電壓即為補償系統(tǒng)初始相位差所需的調(diào)制電壓；
(8)通過調(diào)制電壓與相位差之間的線性對應關系得到系統(tǒng)的初始相位差，或直接使用此時調(diào)制電壓Vi所對應的數(shù)字量作為歸一化的初始相位差。典型的全光纖型電流互感器的結構如圖I所示，通過數(shù)字信號處理器8輸出數(shù)字量DH、W，控制D/A轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生高低幅度與累加步進電壓Vi表達式有關的方波對直波導調(diào)制器3進行相位調(diào)制，光探測器7將干涉光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，A/D轉(zhuǎn)換器9將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，再由數(shù)字信號處理器8通過數(shù)字電信號計算相鄰兩個干涉光強差值絕對值Λ P，并對所述差值絕對值Λ P進行極小值判斷，當差值絕對值Λ P趨近于零時，則有此時系統(tǒng)初始相位差被Vi對應的電壓補償為零。利用相位差與調(diào)制電壓之間的線性對應關系，通過Vh和 '可以得到該系統(tǒng)的初始相位差。采用上述步驟進行了多組實驗，記錄數(shù)據(jù)如下表所示
權利要求
1.一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于測量方法包括以下步驟 (1)數(shù)字信號處理器輸出數(shù)字量DH(i、Dui，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率為本征頻率F的兩倍、低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波，其中Dhci對應方波的高電平，Dui對應方波的低電平； (2)低電平為Vui、高電平為Vm的對稱方波對直波導調(diào)制器進行相位調(diào)制，累加步進電壓Vi初始值為O ; (3)由數(shù)字信號處理器輸出形如Dh= D1^ON-DXDi (N= 1,2,3,4-)和Dl =D^NXDi (N= 1，2，3，4…)的數(shù)字量，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率為2F的方波，且其高電平為 Vh = VH0+(2N-1) X Vi (N= I，2，3，4...)，低電平為 Vl = V^NXVi (N = 1，2，3，4...)，N 的變化頻率為2F ； (4)數(shù)字信號處理器控制累加步進電壓Vi以固定頻率f、步進電SVn累加，即Vi(n+1)=Vi(n)+VN ； (5)光探測器將干涉后的光強信號匕和Ph轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，進入A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量信號，在時間上和\，Ph和Vh分別對應； (6)數(shù)字信號處理器計算上述數(shù)字量信號的差值，從而推算得到光強信號匕和Ph的差值，記為AP ；(7)每當Vi增加Vn時，重復上述步驟(3) (6)，設重復次數(shù)為i，得到第i次步進時和Ph的差值A Pi,數(shù)字信號處理器對APi值進行極小值判斷，當APi趨近于零時，此時Vi對應的電壓即為補償系統(tǒng)初始相位差所需的調(diào)制電壓； (8)通過調(diào)制電壓與相位差之間的線性對應關系得到系統(tǒng)的初始相位差，或直接使用此時調(diào)制電壓Vi所對應的數(shù)字量作為歸一化的初始相位差。
2.如權利要求I所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述全光纖型電流互感器包括光源、耦合器、直波導調(diào)制器、1/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和光探測器、數(shù)字信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，其中，光源和耦合器的端口 A相連，光探測器和耦合器的端口 B相連，耦合器的端口 C依次和直波導調(diào)制器、1/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡相連，光探測器將接收到的干涉光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，并依次接入A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換器后進入直波導調(diào)制器調(diào)制。
3.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述本征頻率F可通過公式F = C/2nL計算得到，其中，C為真空中的光速，n為全光纖型 電流互感器中光纖折射率，L為全光纖型電流互感器光路總長度。
4.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述低電平Vui和高電平Vm的值由直波導調(diào)制器的特性確定，其范圍滿足IV ≤Vho ≤2V, -2V ≤Vlo ≤-IV,且在系統(tǒng)中產(chǎn)生±31/2的相位差。
5.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述固定頻率f與本征頻率F的關系應滿足F/50 ≤f ≤2F,所述步進電壓Vn的絕對值選取范圍滿足0.5mV≤Vj≤20mV。
6.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量D與輸出的電壓信號V滿足對應的線性關系。
7.如權利要求I所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述數(shù)字信號處理器采用FPGA。
8.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于所述光探測器通過示波器觀測干涉后的光強信號匕和PH。
9.如權利要求I或2所述的全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，其特征在于進入所述光探測器的光強信號PH、Pl滿足干涉光強表達式 真寧，I是與光經(jīng)攝耗、fmmmmmmmmmbwmm,象與待測_籠關系t %是對贏 辱畫制器施加電壓ft獲傳的麵_帽位差1是電流互:1器的_ 帽位差
全文摘要
一種全光纖型電流互感器的初始相位差的測量方法，全光纖型電流互感器包括光源、耦合器、直波導調(diào)制器、1/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和光探測器、數(shù)字信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器；數(shù)字信號處理器輸出數(shù)字量控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高低幅度的方波對直波導調(diào)制器進行相位調(diào)制，并控制施加到直波導調(diào)制器上的累加步進電壓Vi，數(shù)字信號處理器計算相鄰兩個干涉光強差值絕對值△P，并對△P進行極小值判斷，當△P趨近于零時，Vi對應的電壓等于補償系統(tǒng)初始相位差所需的調(diào)制電壓。利用相位差與調(diào)制電壓之間的線性對應關系，可以得到系統(tǒng)的初始相位差。本發(fā)明不需改變?nèi)饫w型電流互感器的光路和結構，測量精度高。
文檔編號G01R25/00GK102768303SQ20121027435
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權日2012年8月3日
發(fā)明者劉瑩, 張睿, 茅昕, 陸華清 申請人:長飛光纖光纜有限公司