混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的製作方法

2023-09-16 00:45:50

專利名稱：混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用光學方法對導體中的電流進行測量的設備及其檢測方法，屬於電力應用與光纖傳感技術領域。
背景技術：
全光纖電流互感器是新一代高壓大電流測量裝置，它採用具有天然良好絕緣性能的光纖材料作為傳感和傳輸元件。傳感單元沒有電子電路，不需要供電電源，是一種無源的電流傳感器。全光纖電流互感器與傳統電流互感器相比具有如下優點測量頻帶寬；動態範圍大；絕緣性能好；無開路導致高壓的危險；不含鐵芯，沒有鐵磁共振、磁飽和及大電感所引起的滯後現象；不含油，沒有爆炸危險；受電磁幹擾影響小；體積小、重量輕、結構簡單。全光纖電流互感器對電流的測量是基於Ampere定律和Faraday電磁感應原理的。當傳感光纖位於有電流通過而形成的磁場中時，依據Faraday電磁感應原理，電流信息會轉換到兩束圓偏振光的相位中，產生Faraday相位差。當兩束圓偏振光傳輸到傳感光纖末端時，產生鏡面反射，兩束光模式互換(左旋變右旋，右旋變左旋)後沿原光路返回，Faraday效應因非互易性而加倍，並在1/4波片處再次轉換成兩束模式正交的線偏振光，在起偏器處發生幹涉。雖然全光纖電流互感器具有傳統電流互感器無法比擬的優勢，但由於其光路中1/4波片、光纖費爾德常數具有溫度相關性，導致電流檢測的穩定性和測量精度受到影響，這在很大程度上限制了光纖型電流互感器的應用。
發明內容本實用新型的目的是提供一種能夠實時測量傳感頭的溫度進而對電流互感器的測量結果進行準確、可靠修正的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器及其電流檢測方法。為了實現上述目的，本實用新型所採取的技術方案是一種混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，包括電流檢測光路和溫度檢測光路，電流檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、相位調製器、偏振合束器、保偏傳輸光纖和傳感頭，溫度檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、光環形器、單模傳輸光纖和傳感頭，所述光源、保偏耦合器和傳感頭為兩條光路所共用，所述兩條光路還包括共用的光電轉換調製解調單元，所述光電轉換調製解調單元分別與所述保偏耦合器和光環形器相連接。所述電流檢測光路中正向傳輸的光與反向傳輸的光在相位調製器內發生的幹涉信號，用於待測電流信號的檢測；所述溫度檢測光路中經光纖光柵反射有帶溫度信息的反射光波，用於電流信號的在線溫度補償。所述光源為ASE光源。所述相位調製器為鈮酸鋰相位調製器。[0010]所述傳感頭包含兩條傳感線路，電流傳感線路與溫度傳感線路。所述電流傳感線路由1/4波片、低雙折射傳感光纖和設置在低雙折射傳感光纖末端的法拉第反射鏡組成；所述溫度傳感線路由寫有光纖光柵的單模光纖組成。所述兩條傳感線路為環形，共同封裝於充滿惰性氣體的石英玻璃管中，所述石英玻璃管外部包覆有緩衝層，緩衝層外部為傳感頭骨架；所述傳感頭骨架、緩衝層和石英玻璃管的同一環形位置上設有開口，所述保偏傳輸光纖和單模傳輸光纖通過所述開口分別與電流傳感線路的1/4波片和溫度傳感線路的單模光纖連接；所述傳感頭的環形傳感線路中央還設有匯流棒。 進一步，所述傳感頭骨架的開口處設有密封橡膠圈。所述光電轉換調製解調單元包括探測器、OCM模塊、調製解調電路和轉換輸出接口 ；所述調製解調電路包括順序連接的模數轉換器、數據處理單元和數模轉換器，所述數據處理單元還與所述轉換輸出接口連接，所述數據處理單元內寫有傳感頭受溫度影響的模擬補償算法；所述探測器一端與保偏耦合器相連接，接收電流檢測光路中相位調製器內發生的幹涉信號，另一端與調製解調電路的模數轉換器相連接，對幹涉信號進行調製和解調；所述OCM模塊一端與光環形器相連接，接收溫度檢測光路中帶有溫度信息的反射光波，另一端與調製解調電路的數據處理單元相連接，對溫度信息進行在線補償；所述OCM模塊由分光光柵、探測器陣列和電子處理單元構成，採用密集型波分復用DWDM技術將光波長變化轉換成電信號分析並轉換輸出。進一步，所述傳感頭的工作溫度為_40°C +60°C。一種混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的電流檢測方法，包括如下步驟(I)對混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器進行溫度試驗，獲得模擬補償算法；(2)將模擬補償算法嵌入混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的數據處理單元；(3)使用混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器對待測電流進行檢測，輸出檢測結果。所述模擬補償算法由如下方法獲得(I)將混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的傳感頭放入溫度試驗箱，調節匯流棒中電流至基準電流；(2)調整溫度試驗箱的溫度，待傳感頭溫度穩定後記錄溫度值並採集輸出的電流數據；(3)使溫度試驗箱的溫度以一定的溫度間隔上升，按步驟(2)記錄每一溫度點的輸出電流數據；(4)將測試得到的溫度-電流數據進行建模，根據模型擬合補償算法，並對補償算法進行修正，獲得模擬補償算法。進一步，所述數據處理單元為FPGA控制晶片。進一步，所述溫度試驗箱的溫度範圍調整為-40°C +60°C，所述溫度間隔調整為10。。。本實用新型的有益效果是1)提出了一種解決光纖電流互感器溫度影響問題的新思路；2)傳感頭組合了電流和溫度兩個光路實現兩種物理參量並行測量；3)實現了全光纖電流互感器在線補償解決了其工程應用主要限制問題；4)光路設計最大程度的降低了成本，兩個光路公用一個光源；5)系統溫度補償無需到電力現場試驗，系統補償後無需二次調試，可以直接現場安裝，節約人力物力。

圖I為本實用新型混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的結構示意圖。[0020]圖2為本實用新型的傳感頭內部結構示意圖。圖3為本實用新型光電轉換調製解調單元結構示意圖。圖4為OCM模塊工作原理圖。圖5為調製解調電路工作原理圖。圖6為溫度建模試驗示意圖。圖7為溫度補償前後效果對比圖。
I 光源2 保偏耦合器
3 相位調製器4 偏振合束器
5 保偏傳輸光纖6 傳感頭
611 1/4波片612低雙折射傳感光纖
613法拉第反射鏡621單模光纖
622光纖光柵63惰性氣體
64石英玻璃管65緩衝層圖中，
66傳感頭骨架67開口
68匯流棒69密封橡膠圈
7 光環形器8 單模傳輸光纖
9 光電轉換調製解調單元91探測器
92 OCM模塊921分光光柵
922探測器陣列923電子處理單元
93調製解調電路931模數轉換器
932數據處理單元933數模轉換器
94轉換輸出接口101溫度試驗箱
102綜合解調系統103數據採集系統
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的一種具體實施方式
做出簡要說明。如圖I，一種混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，包括電流檢測光路和溫度檢測光路，電流檢測光路包括順序連接的光源I、保偏耦合器2、相位調製器3、偏振合束器4、保偏傳輸光纖5和傳感頭6，溫度檢測光路包括順序連接的光源I、保偏耦合器2、光環形器7、單模傳輸光纖8和傳感頭6，所述光源I、保偏耦合器2和傳感頭6為兩條光路所共用，所述兩條光路還包括共用的光電轉換調製解調單元9，所述光電轉換調製解調單元9分別與所述保偏耦合器2和光環形7器相連接。本實施例中，所述光源I為ASE光源。其中，如圖I和2，所述傳感頭6包含兩條傳感線路，電流傳感線路與溫度傳感線路。所述電流傳感線路由1/4波片611、低雙折射傳感光纖612和設置在低雙折射傳感光纖612末端的法拉第反射鏡613組成；所述溫度傳感線路由寫有光纖光柵622的單模光纖621組成。所述兩條傳感線路為環形，共同封裝於充滿惰性氣體63的石英玻璃管64中，所述石英玻璃管64外部包覆有緩衝層65，緩衝層65外部為傳感頭骨架66 ;所述傳感頭骨架66、緩衝層65和石英玻璃管64的同一環形位置上設有開口 67,所述保偏傳輸光纖5和單模傳輸光纖8通過所述開口 67分別與電流傳感線路的1/4波片611和溫度傳感線路的單模光纖621連接；所述傳感頭6的環形傳感線路中央還設有匯流棒68。進一步,所述傳感頭骨，66的開口 67處設有密封橡膠圈69。如圖3，所述光電轉換調製解調單元9包括探測器91、OCM模塊92、調製解調電路93和轉換輸出接口 94 ;其中，如圖5，所述調製解調電路93包括順序連接的模數轉換器931、數據處理單元932和數模轉換器933，所述數據處理單元932還與所述轉換輸出接口94連接，所述數據處理單元932內寫有傳感頭6受溫度影響的模擬補償算法；所述探測器91 一端與保偏耦合器2相連接，接收電流檢測光路中相位調製器3內發生的幹涉信號，另一端與調製解調電路93的模數轉換器931相連接，對幹涉信號進行調製和解調；所述OCM模 塊92 —端與光環形器2相連接，接收溫度檢測光路中帶有溫度信息的反射光波，另一端與調製解調電路93的數據處理單元932相連接，對溫度信息進行在線補償；如圖4，所述OCM模塊92由分光光柵921、探測器陣列922和電子處理單元923構成，採用密集型波分復用DffDM技術將光波長變化轉換成電信號分析並轉換輸出。本實用新型的工作方法如下ASE光源I產生一寬譜光束，經過保偏耦合器2分束為兩束光，一束光信號進入相位調製器3作為電流傳感應用，另一束光進入光環形器7作為溫度傳感應用。進入相位調製器3的光轉變成線偏振光且一分為二，光相位被調製線95施加的調製信號調製，調製後的兩束輸出光分別進入偏振合束器4的兩個輸入端，偏振分合束器4將兩束線偏振光合併到同一輸出光纖正交的兩個光軸上,合併後的光束經過一定距離的傳輸保偏光纖5傳輸到光纖傳感頭6部分,合束的兩個偏振信號光電流傳感線路的I/4波片611分別轉換成為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，然後進入低雙折射傳感光纖612併到法拉第反射鏡613，經過法拉第反射鏡反射後兩束旋轉偏振光反射向反向傳輸，此時兩束光的偏振態在反射時發生交換，即原左旋圓偏振光變成右旋圓偏振光，原右旋圓偏振光變成左旋圓偏振光。偏振信號來回兩次經過低雙折射傳感光纖612，當匯流體68中有電流通過時，依據法拉第電磁感應原理電流信息會轉換到兩束偏振光的相位中，由於法拉第效應具有非互易性因此感應信號會加倍。載有電流信息的兩束偏振光再次返回到1/4波片611又會重新轉換為兩束正交的線偏振光，經過偏振分合束器4將兩束正交的線偏振光分別注入到兩個光纖中，光反向進入相位調製器3發生幹涉，幹涉信號輸入到光電轉換調製解調單元9的探測器91接收，轉換為電信號，經調製解調電路93的數據處理單元932計算輸出反饋信號，經調製線95施加到相位調製器3。進入光環形器7正向傳輸的光信號經過單模傳輸光纖8到達傳感頭6中的光纖光柵622，光纖光柵622反射的光波波長與光柵所處的溫度有關，光纖光柵反射回來的載有溫度信息的光信號反向經過單模傳輸光纖8返回到光環形器7，光環行器7將反向傳回的信號輸出到光電轉換調製解調單元9的OCM模塊92，OCM模塊92的分光光柵921首先將入射光進行光譜分解(空間)，探測器陣列922接收分解後的光信號並對它進行光電轉換，電子處理單元923進一步將轉換後的電信號分析並轉換輸出。經電子處理單元923轉換輸出的電信號送入調製解調電路93，調製解調電路93的數據處理單元932嵌有模擬補償算法，依據算法對溫度信息進行補償後由轉換輸出接口 94輸出。如圖6，所述模擬補償算法由如下方法獲得(I)將混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器的傳感器6放入溫度試驗箱101，調節匯流棒68中電流至基準電流；(2)調整溫度試驗箱101的溫度，待傳感頭溫度穩定後記錄溫度值並由數據採集系統103採集輸出的電流數據；(3)使溫度試驗箱101的溫度以一定的溫度間隔上升，按步驟(2)記錄每一溫度點的輸出電流數據；(4)將測試得到的溫度-電流數據進行建模，根據模型擬合補償算法，並對補償算法進行修正，獲得模擬補償算法。其中，圖6中所示綜合解調系統102為本實用新型混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器除傳感頭之外的部分。本實施例中模擬補償算法採集溫度信息的範圍為-40°C +60°C，每間隔10°C進行一次數據採集，將得到的溫度-電流數據進行建模後，所得到的補償效果如圖7所示。其 中，歸一化標度因數SF為電流的測量值與實際值的比值。本實施例中，所述數據處理單元為FPGA控制晶片。以上對本實用新型的一個實例進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用於限定本實用新型的實施範圍。凡依本實用新型申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本實用新型的專利涵蓋範圍之內。
權利要求1.一種混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於包括電流檢測光路和溫度檢測光路；所述電流檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、相位調製器、偏振合束器、保偏傳輸光纖和傳感頭；所述溫度檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、光環形器、單模傳輸光纖和傳感頭；所述光源、保偏耦合器和傳感頭為兩條光路所共用；所述兩條光路還包括共用的光電轉換調製解調單元，所述光電轉換調製解調單元分別與所述保偏耦合器和光環形器相連接； 所述電流檢測光路中正向傳輸的光與反向傳輸的光在相位調製器內發生的幹涉信號，用於待測電流信號的檢測；所述溫度檢測光路中經光纖光柵反射有帶溫度信息的反射光波，用於電流信號的在線溫度補償。
2.根據權利要求I所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述傳感頭包含兩條傳感線路，電流傳感線路與溫度傳感線路；所述電流傳感線路由1/4波片、低雙折射傳感光纖和設置在低雙折射傳感光纖末端的法拉第反射鏡組成；所述溫度傳感線路由寫有光纖光柵的單模光纖組成；所述兩條傳感線路為環形，共同封裝於充滿惰性氣體的石英玻璃管中，所述石英玻璃管外部包覆有緩衝層，緩衝層外部為傳感頭骨架；所述傳感頭骨架、緩衝層和石英玻璃管的同一環形位置上設有開口，所述保偏傳輸光纖和單模傳輸光纖通過所述開口分別與電流傳感線路的1/4波片和溫度傳感線路的單模光纖連接；所述傳感頭骨架的開口處設有密封橡膠圈；所述傳感頭的環形傳感線路中央還設有匯流棒。
3.根據權利要求I所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述光電轉換調製解調單元包括探測器、OCM模塊、調製解調電路和轉換輸出接口 ； 所述調製解調電路包括順序連接的模數轉換器、數據處理單元和數模轉換器，所述數據處理單元還與所述轉換輸出接口連接，所述數據處理單元內寫有傳感頭受溫度影響的模擬補償算法； 所述探測器一端與保偏耦合器相連接，接收電流檢測光路中相位調製器內發生的幹涉信號，另一端與調製解調電路的模數轉換器相連接，對幹涉信號進行調製和解調； 所述OCM模塊一端與光環形器相連接，接收溫度檢測光路中帶有溫度信息的反射光波，另一端與調製解調電路的數據處理單元相連接，對溫度信息進行在線補償；所述OCM模塊由分光光柵、探測器陣列和電子處理單元構成，採用密集型波分復用DWDM技術將光波長變化轉換成電信號分析並轉換輸出。
4.根據權利要求1-3任一項所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述光源為ASE光源。
5.根據權利要求1-3任一項所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述相位調製器為鈮酸鋰相位調製器。
6.根據權利要求3所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述數據處理單元為FPGA控制晶片。
7.根據權利要求1-3任一項所述的混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，其特徵在於所述傳感頭的工作溫度為_40°C、60°C。
專利摘要本實用新型涉及一種混合式光柵在線測溫型全光纖電流互感器，包括電流檢測光路和溫度檢測光路；所述電流檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、相位調製器、偏振合束器、保偏傳輸光纖和傳感頭；所述溫度檢測光路包括順序連接的光源、保偏耦合器、光環形器、單模傳輸光纖和傳感頭；所述光源、保偏耦合器和傳感頭為兩條光路所共用；所述兩條光路還包括共用的光電轉換調製解調單元，所述光電轉換調製解調單元分別與所述保偏耦合器和光環形器相連接。本實用新型能夠實時測量傳感頭的溫度並對電流互感器的測量結果進行準確、可靠修正。
文檔編號G01R15/24GK202661524SQ20122028374
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者歐陽春梅, 梁志軍, 王家寧, 楊冬霞 申請人:天津光拓科技有限公司