換為左旋和右旋圓偏光，進入傳感光纖15。在傳感光纖15中，由于導線內(nèi)電流產(chǎn)生磁場的Faraday磁光效應作用，兩束圓偏振光的傳播速度不同，從而產(chǎn)生Faraday相差,經(jīng)反射鏡16發(fā)生鏡面反射后兩束圓偏振光沿原光路返回，同時Faraday相移加倍，并再次由λ/4光纖波片14轉(zhuǎn)換為兩束模式互換的正交線偏振光，即原來沿保偏光纖快軸傳輸?shù)木€偏光此時沿慢軸傳輸，原來沿保偏光纖慢軸傳輸?shù)木€偏光此時沿快軸傳輸。最終，攜帶Faraday效應相位信息的兩束光在起偏器10處發(fā)生干涉，發(fā)生干涉的兩束光始終在同一根光纖的兩個正交模式上傳輸，具有較好的互易性，然后由第二單模耦合器9耦合進第一光電探測器18和第二光電探測器19，進行后續(xù)信號處理。
[0031]如圖1所示，光源單元I采用了有源光學器件的冗余設計方法，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。正常情況下，通過控制主光源驅(qū)動電路5和備用光源驅(qū)動電路6的驅(qū)動電流，給主光源SLD3施加80?10mA的驅(qū)動電流，供后端光路使用，同時給備用光源SLD4施加5?1mA微弱的驅(qū)動電流，以增強其壽命，預防因主光源SLD3老化導致光功率衰減甚至不能工作等問題，提高了光源的可靠性。兩路光由第一單模耦合器7和偏振光合束器8合成在一起，使光源單元I輸出的光功率和平均波長更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。
[0032]如圖2所示，數(shù)字信號處理單元20包括光源噪聲抑制單元21、相位解調(diào)電路29和相位調(diào)制驅(qū)動電路30。光源噪聲抑制單元21利用第二單模耦合器9的兩個輸出端輸出光的相關性，利用數(shù)字電路相減法在數(shù)字相減電路28中實現(xiàn)，以達到抑制光源強度噪聲的目的。具體方法是第二單模耦合器9的兩個輸出端輸出光分別經(jīng)過參數(shù)指標相同的第一光電探測器18和第二光電探測器19轉(zhuǎn)換為電信號。干涉光強信號經(jīng)過第一前置放大器22放大，再通過第一濾波器24濾波后進入第一 A/D轉(zhuǎn)換器26進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入至數(shù)字相減電路28，該信號既包含了電流信息又包含光源強度噪聲。第二光電探測器19中的光電流經(jīng)過第二前置放大器23、第二濾波器25、第二 A/D轉(zhuǎn)換器27后，輸入至數(shù)字相減電路28，該信號僅包含了光源強度噪聲。由于進入第一光電探測器18中的光比第二光電探測器19中的光延遲了一個渡越時間τ ,將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字相減電路28,在數(shù)字相減電路28中完成延遲時間τ和增益系數(shù)的調(diào)整后實現(xiàn)數(shù)字相減，相減后得到的數(shù)據(jù)僅包含電流信息，光源的噪聲得到抑制，從而改善了信噪比，提高了系統(tǒng)的測量精度。電流信息通過相位解調(diào)電路29和相位調(diào)制驅(qū)動電路30分別進行相位調(diào)制解調(diào)，實現(xiàn)全光纖電流互感器的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)輸出，得到實測的電流值大小和相位值。
[0033]如圖3所示,傳感環(huán)圈17是基于光纖磁光Faraday效應進行電流測量的,通過檢測布置在載流導體周圍的光纖中傳輸?shù)膬墒窆忾g形成的相位差大小，以間接地測量電流值，包括玻璃骨架31、凹槽32、λ/4光纖波片14、傳感光纖15、反射鏡16五部分。首先將環(huán)形玻璃骨架31均分為6段，每段刻上25個斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相連，凹槽深度0.25mm,寬度0.25mm,每段中兩凹槽距離0.1mm,并保證凹槽表面光滑，將傳感光纖15沿著凹槽32依次螺旋繞在環(huán)形玻璃骨架31上，并控制張力在30g左右，這樣可以引入足夠的圓雙折射，從而抑制傳感光纖15的線性雙折射隨溫度變化引起的測量誤差。通過控制傳感光纖15的阻數(shù)在25 BL使得Faraday相移較大,具有適中的信噪比,便于微弱信號檢測，以保證小電流的測量精度及穩(wěn)定性。通過凹槽32可以防止傳感光纖15在環(huán)形玻璃骨架31上錯位移動，從而提高了傳感環(huán)圈的穩(wěn)定性和可靠性。其次通過采用溫度系數(shù)為-0.022° /°C的橢圓芯保偏光纖制作λ/4光纖波片14，利用帶有微位移控制機構(gòu)的光纖切割刀控制光纖波片的長度，即控制相位延遲，并進行防水氣、防塵封裝。由于λ/4光纖波片14相位延遲的溫度系數(shù)為負數(shù)，與溫度之間為線性關系，隨溫度升高而減小，而傳感光纖15的Verdet常數(shù)具有正溫度系數(shù)，隨著溫度升高而增大，二者隨溫度變化對互感器變比的影響相反，因此可以通過光纖切割刀精密控制λ /4光纖波片14的相位延遲的工作區(qū)間，保證其在常溫下的相位延遲控制在95.0°?104.8。，使其對全光纖電流互感器精度的影響與傳感光纖15的Verdet常數(shù)隨溫度變化造成的影響相反，二者相互補償，可以減小系統(tǒng)的測量誤差，提高系統(tǒng)的全溫測量精度。
【主權(quán)項】
1.一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:包括光路系統(tǒng)單元(2)和信號處理單元(20)； 光路系統(tǒng)單元(2)包括光源單元(I)、第二單模耦合器(9)、起偏器(10)、消偏頭(11)、直波導相位調(diào)制器(12)、保偏延遲光纖(13)、傳感環(huán)圈(17);上述光路系統(tǒng)單元(2)中各器件單元依次連接，其中起偏器(10)的尾纖與消偏頭(11)入纖以45°對軸熔接，其余器件尾纖和相鄰器件入纖以0°對軸熔接； 第二單模耦合器(9)連接有參數(shù)指標相同的第一光電探測器(18)和第二光電探測器(19)，第一光電探測器(18)和第二光電探測器(19)的輸出端連接至信號處理單元(20)的輸入端，信號處理單元(20)的輸出端與直波導相位調(diào)制器(12)連接構(gòu)成數(shù)字閉環(huán)； 光源單元(I)發(fā)出的光經(jīng)過第二單模耦合器(9)、起偏器(10)、消偏頭(11)后，分成兩束正交的線偏振光，兩束正交的線偏振光經(jīng)直波導相位調(diào)制器(12)后進入保偏延遲光纖(13)，線偏振光以45°光纖熔接點注入到保偏延遲光纖(13)的快軸和慢軸傳播，之后兩束正交的線偏振光進入傳感環(huán)圈(17); 傳感環(huán)圈(17)包括依次連接的λ /4光纖波片(14)、傳感光纖(15)、反射鏡(16);其中傳感光纖(15)是低雙折射單模光纖，螺旋纏繞在刻有凹槽(32)的環(huán)形石英玻璃骨架(31)上；傳感環(huán)圈(17)中傳播的兩束正交的線偏振光由λ/4光纖波片(14)轉(zhuǎn)換為兩束正交的圓偏振光并進入傳感光纖(15),在導線內(nèi)電流產(chǎn)生磁場的Faraday磁光效應作用下，兩束圓偏振光的傳播速度不同，產(chǎn)生Faraday相差,經(jīng)反射鏡(16)發(fā)生鏡面反射后兩束圓偏振光沿原光路返回，同時Faraday相移加倍，并再次由λ /4光纖波片(14)轉(zhuǎn)換為兩束模式互換的正交線偏振光，沿保偏光纖快軸傳輸?shù)木€偏光此時沿慢軸傳輸，原來沿保偏光纖慢軸傳輸?shù)木€偏光此時沿快軸傳輸；最終，攜帶Faraday效應相位信息的兩束光在起偏器(10)處發(fā)生干涉，然后由第二單模耦合器(9)耦合進第一光電探測器(18)和第一光電探測器(19)； 信號處理單元(20)包括光源噪聲抑制單元(21)、相位解調(diào)電路(29)和相位調(diào)制驅(qū)動電路(30);光源噪聲抑制單元(21)采用數(shù)字電路相減法在FPGA中實現(xiàn)，抑制光源強度噪聲；第一光電探測器(18 )中的光電流依次經(jīng)過第一前置放大器(22 )放大，再通過第一濾波器(24)濾波后進入第一 A/D轉(zhuǎn)換器(26)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將包含了電流信息和光源強度噪聲的信息輸入至數(shù)字相減電路(28);第二光電探測器(19)中的光電流經(jīng)過第二前置放大器(23)、第二濾波器(25)、第二 A/D轉(zhuǎn)換器(27)后，將只包含光源強度噪聲的信息輸入至數(shù)字相減電路(28);兩路信號在數(shù)字相減電路(28)中進行相減，去除光源強度噪聲的影響，只包含電流信息，然后通過相位解調(diào)電路(29)和相位調(diào)制驅(qū)動電路(30)分別進行相位調(diào)制解調(diào)，實現(xiàn)全光纖電流互感器的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)輸出，得到實測的電流值大小和相位值。2.如權(quán)利要求1所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:所述光源單元(I)采用有源光學器件冗余設計方法，包括主光源SLD (3)、備用光源SLD (4)、主光源驅(qū)動電路(5 )、備用光源驅(qū)動電路(6 )、第一單模耦合器(7 )、偏振光合束器(8 ); 兩個波長和功率一致的主光源SLD (3)、備用光源SLD (4)提供驅(qū)動電流，分別連接至第一單模稱合器(7)的兩個輸入端,第一單模稱合器(7)的輸出端分別連接偏振光合束器(8)的兩個輸入端,偏振光合束器(8)的輸出端連接第二單模I禹合器(9),提供輸出光；通過主光源驅(qū)動電路(5)和備用光源驅(qū)動電路(6)的驅(qū)動電流實時調(diào)節(jié)光源的功率。3.如權(quán)利要求2所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:主光源SLD(3)提供80?10mA的驅(qū)動電流，備用光源SLD (4)提供5?1mA的驅(qū)動電流。4.如權(quán)利要求1所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:λ/4光纖波片(14)采用溫度系數(shù)為-0.022° /°C的橢芯保偏光纖制作，λ/4光纖波片(14)的相位延遲與溫度之間為線性關系，隨溫度升高而減小，變溫過程中λ /4光纖波片(14)相位延遲始終大于90°。5.如權(quán)利要求4所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:傳感光纖(15)的Verdet常數(shù)具有正溫度系數(shù)，λ/4光纖波片(14)在常溫下的相位延遲為95.0°?104.8°，λ /4光纖波片(14)的相位延遲對互感器變比的影響和傳感光纖(15)的Verdet常數(shù)隨溫度變化造成的影響相反，二者相互補償。6.如權(quán)利要求1所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:所述傳感光纖(15)圈數(shù)大于25阻。7.如權(quán)利要求1所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，其特征在于:環(huán)形石英玻璃骨架(31)均分為6段，每段刻上25個斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相連，凹槽深度為0.25mm,寬度為0.25mm，每段中兩凹槽距離0.1mm ;傳感光纖(15)沿著凹槽(32)依次螺旋繞在環(huán)形玻璃骨架(31)上，控制張力為30g。
【專利摘要】本發(fā)明屬于全光纖電流互感器技術領域，具體涉及一種高精度高可靠全光纖電流互感器。通過采用有源光學器件的冗余設計方法，使光源單元的輸出光功率更穩(wěn)定，提高了光源平均波長的穩(wěn)定性。通過在光路系統(tǒng)中增加了消偏頭，提高了光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。通過數(shù)字信號處理單元利用第二單模耦合器的兩個輸出端輸出光的相關性，將兩束光轉(zhuǎn)換為電信號送入信號處理單元，利用數(shù)字電路相減法實現(xiàn)光源強度噪聲的抑制，提高了信噪比，提高了系統(tǒng)的測量精度。通過全光纖電流互感器變比溫度誤差自動補償技術，使低雙折射光纖Verdet常數(shù)和波片相位延遲隨溫度變化造成的變比誤差相互補償，從而提高系統(tǒng)的全溫測量精度。
【IPC分類】G01R19/00, G01R15/24
【公開號】CN104950154
【申請?zhí)枴緾N201410125918
【發(fā)明人】章敏, 吳衍記, 向強, 楊懌, 段俊杰
【申請人】北京自動化控制設備研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2014年3月31日