干涉光纤电流传感器
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E2 , f = E0{ exp [ i ( kL L + 2θ1 + 2θ2 + A cosωCt) ] i + exp [ i ( kL L + 2θ1 + 2θ2 + A cosωCt) ] j
这两束光方向相同 ,发生干涉 ,相位差为 Δ< = ( kL - k R) L + A cosωCt - A cosωC ( t +Δ T)
(中国科学与技术大学 电子科学与技术系 , 合肥 230026) 摘 要 : 提出了一种新型的高压电流光纤传感器 ,由 Sagnac 干涉仪和光路构成 , 采用 Labview 编写虚拟仪器的测试 端软件 。该系统利用法拉第效应 ,借助电子电路 ,获得干涉后输出光强信号中一次谐波成分 ,就可以将高压母线中待测 电流的大小和相位分量测出 。由于采用的新颖的双光路设计 ,与通常的干涉仪相比该系统的动态测量范围扩大数百倍 , 而且系统不受外界缓变量的影响 。 关 键 词 : 电流测量 ; 干涉仪 ; 光纤电流传感器 ; 虚拟仪器 。 中图分类号 : TN253 文献标识码 : A
(4) 体积小 ,重量轻 。 (5) 适应电力计量 、保护的数字式 ,微机化自动 化及光通信等的发展潮流 。 (6) 动态测量范围大 。 目前具体设计应用的光学电流互感器有 :双正 交全反射型光学电流互感器 ,法拉第镜式光学电流 互感器 , COCS- 1 型光学电流互感器等等[4 ] 。本文
术 、激光技术 ,以及 70 年代初出现的光纤传输技术 设计的干涉光纤电流传感器与其他 OCT 相比可以
Key words : current measurement ; interferometer ; fiber-optic current sensor ; virtual device
0 引 言
压侧不存在因开路而生的高压危险 ,也消除了常规 电磁式互感器因充油产生易燃易爆等问题 。
近年来随着各国经济的迅速发展 ,对电力的需 求日益增大 , 电力系统的额定电压等级和额定电流 都有大幅度地提高 ,与之相应的电力系统中的输变 电设备的额定电压和额定电流都要随之提高[1 ] 。 因此 ,必须研究和发展新型的高压设备 ,在科技发达 的国家都寻求把光电子学技术用于超高压大电流的 电网中 。20 世纪 60 年代出现的半导体集成电路技
振动等外界干扰对测量结果的影响具体的原理结构
图见图 2 。 激光器先经起偏器起偏变成线偏振光 。从耦合
器出来后分成完全相同的两束线偏振光 。入射光的
振动面与 1/ 4 波片光轴方向成 45°角 。 顺时针传播光波在从耦合器出来时即 O 点处
对应复振幅为
E1 , O = E0{ i + j }
(4)
逆时针光波 O 点复振幅
So compared wit h t he common interferometers , it has a large dynamic range extended hundreds times , and is out of t he effect of
slow circumstance variables.
本文研究了一种新型干涉式光纤电流传感器 , 作为一种新型测试手段 ,它具有与常规电流互感器 不同的传感原理与信息的传输方式 。显示出了传统
测量手段不可比拟的优越性 。随着半导体集成电路
技术 、激光技术以及光纤传输技术的不断向前发展 , 干涉式光纤电流传感器必将在测量领域发挥越来越
使得人们最终把目光集中在光学电流互感器 (Opti2 有效地抑制双折射 、温度 、微弯 、振动等产生的干扰 。
cal Current Transducer , OCT) ,尤其是光纤电流传 感器 ( Fiber- Optic Current Sensors , FOCS) 上[2 ] , 这 是因为由光导纤维组成的光纤电流传感器与传统的
= ( kL - k R) L + A cosωCt - A cos (ωCt +π) = ( kL - k R) L + 2 A cosωCt 则干涉后输出光强为
I = I0 [1 + cosΔ<] = I0{ 1 + cos[ ( kL - k R) L + 2 A cosωCt ]}
利用贝塞尔函数对上式展开得
Байду номын сангаас光探测
器将含有待
测量信息的
光信号转换
为电 信 号。
由于该信号 比较微弱, 因此先放
图 3 干涉光纤电流传 感器电路部分设计图
大 ,然后进行带通滤波 ,只保留传感器输出中的一次
谐波 。接着进行高速采样 ,完成模数转换后送入 PC
机使用 LABV IEW 来完成数据的分析和处理 。
2 实验结果
用 Labview 来完成数据的分析 ,我们采用从 0 - 30A 的电流来做基本实验 。每隔 3A 取一个采样 点来测试数据 (图 4) 。表 1 是该组具体数据 。
表 1 测试数据
数据组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 输入 值/ A 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 测量 值/ A 0. 213. 196. 088. 81 11. 78 15. 21 17. 80 21. 19 24. 16 27. 20 29. 78
E1 , e = E0{ exp [ i ( k RL + 2θ1 + 2θ2 + A cosωC ( t +Δ T) ) ] i + exp [ i ( k RL + 2θ1 + 2θ2 + A cosωC ( t +Δ T) ) ] j
调制信号是正弦信号幅度为 A ,频率为 ωc , 取 ωc = π/Δ T 。Δ T 是由于顺时针传播光和逆时针传播光到 达相位调制器 ,有先后对应的延迟时间 。同理逆时针 光束返回到耦合器时 ,在 f 点复振幅为
是一种新颖有效的电流测量方法 。
1 干涉式光纤电流传感器光路设计
电磁式互感器相比具有以下优点[3 ] : (1) 绝缘性能好 ,造价低 。 (2) 不含铁芯 ,不存在磁饱和铁磁谐振等问题 。
因而测量范围大 ,线度好 ,频率响应范围宽 ,测量精 度高 。
(3) 由光来传输信号 ,抗电磁干扰能力强且低
与导线的距离 。
将 (1) 式带入 (2) 式得到
I
=
2πRθ μ0 V L
θ = μ0 V N
(3)
式中 N 为绕在导线上的光纤总圈数 。
由上可知 ,只要测量 θ的值就可以知道待测电
流的大小 。
在总结国
内外相关研究
工作的基础
上,采用一种 新颖的 Sagnac 偏振干涉方案
测量高压母线
上的电流 。明 显 消 除 温 度 、 图 2 新式光纤电流传感器结构框图
∞
∑ I = I0{ 1 + [ J0 (2 A ) + 2 ( - 1) kJ2 k (2 A ) · k =1
cos2 kωCt ]cos[ ( kL - k R) L ] +
∞
∑ [2 ( - 1) kJ 2 k +1 (2 A ) · k =1
cos (2 k + 1) ωCt ]sin[ ( kL - k R) L ]}
光的波矢为
ω
kR = nR c
其中 nR 为右旋圆偏振光的折射率 。则 E1 , z = E0{ exp [ i ( k Rz + θ1 + θ2) ] i + exp [ i ( kR z + θ1 + θ2 +π/ 2) ] j (7)
其中 θ2 是由于光束经过 1/ 4 波片而形成的在快轴 和慢轴上的公共相位偏移 。
法拉第效应是利用光纤测电流的基本原理 。法 拉第效应中的偏振平面的旋转角度可由下式确定
q = VBL
(1)
式中 V 是费尔德常数 ; B 是平行于传播方向的磁感
应强度 ; L 是光在介质中的传播长度 。
光纤测电流基本原理是利用光纤材料的法拉第
Ξ 收稿日期 : 2005207207 ; 收到修改稿日期 : 2005210231 E2mail : zzhong @mail. ustc. edu. cn 作者简介 : 仲正 (1981-) ,男 ,江苏省人 ,中国科学技术大学硕士研究生 ,从事电路与系统研究 。
E2 , O = E0{ i + j }
(5)
先讨论顺时针传播光束 。在 a 点处
E1 , a = E0{ exp ( θi 1) i + exp ( θi 1) j}
(6)
θ是由于顺时针光束经过耦合器到 1/ 4 波片 1 间的
光路而造成的相位偏移 ,经过 1/ 4 波片 1 后变成右
旋圆偏振光在 bc 间 ,即传感光纤环中 ,右旋圆偏振
Interferential f iber- optic current sensor
ZHONG Zheng , GUO Cong-liang (University of Science Technology of China , Hefei 230026 , China)
Abstract : A novel high- voltage current fiber-optic sensor was proposed. It is made up of t he Sagnac interferometer. The
影响本方案精度的因素主要有以下几点 : (1) 光路中光源引入的强度 、噪声 ,光纤的瑞利
散射噪声 、光纤弯曲 、连接反射噪声等都会影响系统 性能 ;
( 2) 电 子线路引入 的噪声 ;
(3) 关 键环节加工 工艺不完善 也会对精度 产生影响 。
3 结 论
图 4 干涉式光纤电流传感 器 Labview 实验结果图
电流分量 I 包含在 B 中 ,借助电子电路 ,获得干
涉后输出光强信号中一次谐波成分 , 进而将 sin ( kL - kR) L 算出 ,就可以求出高压母线中电流的大小和 相位 。由于传播方向相反的两束光经过的光路相
同 ,所以干涉后可以有效抑制双折射 、温度 、微弯 、振
动等产生的干扰 。电路的整体方案如图 3 。
measuring software is programmed wit h Labview. The system is based on t he Faraday effect . It can measure t he current value
of t he high voltage line by acquiring t he output first harmonic value of t he optic- signal data. The system is dual-optic designed.
光 学 技 术 第32
200
卷第5 6年9
期 月
OP
T ICAL
TECHN IQU E VSoepl..32 N2o00. 65
文章编号 : 100221582 (2006) 0520732203
干涉光纤电流传感器 Ξ
仲正 , 郭从良
到达 c 点时 E1 , c = E0{ exp [ i ( k RL + θ1 + θ2) ] i + exp [ i ( k RL + θ1 + θ2 +π/ 2) ] j (8)
式中 L 是传感光纤环中光纤的长度 。 然后经过另一个 1/ 4 波片 ,由于两个波片快轴
和慢轴正好颠倒 ,于是在 d 点又恢复成与原来方向 一致的线偏振光 ,继续传输到达相位调制器被调制 。 在 e点
其中一次谐波分量为
J 1 (2 A ) cosωCt sin[ ( kL - k R) L ]
式中 δ = ( kL -
kR) L
=
2
·( kL
- kR) 2
L
= 2·
VBL ; B
=
μ0 I 2πR
;
J
n
(α0)
是
n 阶贝塞尔函数 。当δ ν
1rad 时 ,δ≈ sinδ。
733
光 学 技 术 第 32 卷
732
第5期
仲正 ,等 : 干涉光纤电流传感器
效应 , 即处于 磁场中的光纤
会使在其中传
播的偏振光发
生偏振面的旋 转 。典型结构 框图见图
图 1 基于法拉第效应的光 纤电流传感器结构框图
1[5 —7 ]载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环
路定律对于无限长导线有
B
=
μ0 I 2πR
(2)
式中 μ0为真空中的磁导率 ; I 为导线中的电流 ; R 为
这两束光方向相同 ,发生干涉 ,相位差为 Δ< = ( kL - k R) L + A cosωCt - A cosωC ( t +Δ T)
(中国科学与技术大学 电子科学与技术系 , 合肥 230026) 摘 要 : 提出了一种新型的高压电流光纤传感器 ,由 Sagnac 干涉仪和光路构成 , 采用 Labview 编写虚拟仪器的测试 端软件 。该系统利用法拉第效应 ,借助电子电路 ,获得干涉后输出光强信号中一次谐波成分 ,就可以将高压母线中待测 电流的大小和相位分量测出 。由于采用的新颖的双光路设计 ,与通常的干涉仪相比该系统的动态测量范围扩大数百倍 , 而且系统不受外界缓变量的影响 。 关 键 词 : 电流测量 ; 干涉仪 ; 光纤电流传感器 ; 虚拟仪器 。 中图分类号 : TN253 文献标识码 : A
(4) 体积小 ,重量轻 。 (5) 适应电力计量 、保护的数字式 ,微机化自动 化及光通信等的发展潮流 。 (6) 动态测量范围大 。 目前具体设计应用的光学电流互感器有 :双正 交全反射型光学电流互感器 ,法拉第镜式光学电流 互感器 , COCS- 1 型光学电流互感器等等[4 ] 。本文
术 、激光技术 ,以及 70 年代初出现的光纤传输技术 设计的干涉光纤电流传感器与其他 OCT 相比可以
Key words : current measurement ; interferometer ; fiber-optic current sensor ; virtual device
0 引 言
压侧不存在因开路而生的高压危险 ,也消除了常规 电磁式互感器因充油产生易燃易爆等问题 。
近年来随着各国经济的迅速发展 ,对电力的需 求日益增大 , 电力系统的额定电压等级和额定电流 都有大幅度地提高 ,与之相应的电力系统中的输变 电设备的额定电压和额定电流都要随之提高[1 ] 。 因此 ,必须研究和发展新型的高压设备 ,在科技发达 的国家都寻求把光电子学技术用于超高压大电流的 电网中 。20 世纪 60 年代出现的半导体集成电路技
振动等外界干扰对测量结果的影响具体的原理结构
图见图 2 。 激光器先经起偏器起偏变成线偏振光 。从耦合
器出来后分成完全相同的两束线偏振光 。入射光的
振动面与 1/ 4 波片光轴方向成 45°角 。 顺时针传播光波在从耦合器出来时即 O 点处
对应复振幅为
E1 , O = E0{ i + j }
(4)
逆时针光波 O 点复振幅
So compared wit h t he common interferometers , it has a large dynamic range extended hundreds times , and is out of t he effect of
slow circumstance variables.
本文研究了一种新型干涉式光纤电流传感器 , 作为一种新型测试手段 ,它具有与常规电流互感器 不同的传感原理与信息的传输方式 。显示出了传统
测量手段不可比拟的优越性 。随着半导体集成电路
技术 、激光技术以及光纤传输技术的不断向前发展 , 干涉式光纤电流传感器必将在测量领域发挥越来越
使得人们最终把目光集中在光学电流互感器 (Opti2 有效地抑制双折射 、温度 、微弯 、振动等产生的干扰 。
cal Current Transducer , OCT) ,尤其是光纤电流传 感器 ( Fiber- Optic Current Sensors , FOCS) 上[2 ] , 这 是因为由光导纤维组成的光纤电流传感器与传统的
= ( kL - k R) L + A cosωCt - A cos (ωCt +π) = ( kL - k R) L + 2 A cosωCt 则干涉后输出光强为
I = I0 [1 + cosΔ<] = I0{ 1 + cos[ ( kL - k R) L + 2 A cosωCt ]}
利用贝塞尔函数对上式展开得
Байду номын сангаас光探测
器将含有待
测量信息的
光信号转换
为电 信 号。
由于该信号 比较微弱, 因此先放
图 3 干涉光纤电流传 感器电路部分设计图
大 ,然后进行带通滤波 ,只保留传感器输出中的一次
谐波 。接着进行高速采样 ,完成模数转换后送入 PC
机使用 LABV IEW 来完成数据的分析和处理 。
2 实验结果
用 Labview 来完成数据的分析 ,我们采用从 0 - 30A 的电流来做基本实验 。每隔 3A 取一个采样 点来测试数据 (图 4) 。表 1 是该组具体数据 。
表 1 测试数据
数据组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 输入 值/ A 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 测量 值/ A 0. 213. 196. 088. 81 11. 78 15. 21 17. 80 21. 19 24. 16 27. 20 29. 78
E1 , e = E0{ exp [ i ( k RL + 2θ1 + 2θ2 + A cosωC ( t +Δ T) ) ] i + exp [ i ( k RL + 2θ1 + 2θ2 + A cosωC ( t +Δ T) ) ] j
调制信号是正弦信号幅度为 A ,频率为 ωc , 取 ωc = π/Δ T 。Δ T 是由于顺时针传播光和逆时针传播光到 达相位调制器 ,有先后对应的延迟时间 。同理逆时针 光束返回到耦合器时 ,在 f 点复振幅为
是一种新颖有效的电流测量方法 。
1 干涉式光纤电流传感器光路设计
电磁式互感器相比具有以下优点[3 ] : (1) 绝缘性能好 ,造价低 。 (2) 不含铁芯 ,不存在磁饱和铁磁谐振等问题 。
因而测量范围大 ,线度好 ,频率响应范围宽 ,测量精 度高 。
(3) 由光来传输信号 ,抗电磁干扰能力强且低
与导线的距离 。
将 (1) 式带入 (2) 式得到
I
=
2πRθ μ0 V L
θ = μ0 V N
(3)
式中 N 为绕在导线上的光纤总圈数 。
由上可知 ,只要测量 θ的值就可以知道待测电
流的大小 。
在总结国
内外相关研究
工作的基础
上,采用一种 新颖的 Sagnac 偏振干涉方案
测量高压母线
上的电流 。明 显 消 除 温 度 、 图 2 新式光纤电流传感器结构框图
∞
∑ I = I0{ 1 + [ J0 (2 A ) + 2 ( - 1) kJ2 k (2 A ) · k =1
cos2 kωCt ]cos[ ( kL - k R) L ] +
∞
∑ [2 ( - 1) kJ 2 k +1 (2 A ) · k =1
cos (2 k + 1) ωCt ]sin[ ( kL - k R) L ]}
光的波矢为
ω
kR = nR c
其中 nR 为右旋圆偏振光的折射率 。则 E1 , z = E0{ exp [ i ( k Rz + θ1 + θ2) ] i + exp [ i ( kR z + θ1 + θ2 +π/ 2) ] j (7)
其中 θ2 是由于光束经过 1/ 4 波片而形成的在快轴 和慢轴上的公共相位偏移 。
法拉第效应是利用光纤测电流的基本原理 。法 拉第效应中的偏振平面的旋转角度可由下式确定
q = VBL
(1)
式中 V 是费尔德常数 ; B 是平行于传播方向的磁感
应强度 ; L 是光在介质中的传播长度 。
光纤测电流基本原理是利用光纤材料的法拉第
Ξ 收稿日期 : 2005207207 ; 收到修改稿日期 : 2005210231 E2mail : zzhong @mail. ustc. edu. cn 作者简介 : 仲正 (1981-) ,男 ,江苏省人 ,中国科学技术大学硕士研究生 ,从事电路与系统研究 。
E2 , O = E0{ i + j }
(5)
先讨论顺时针传播光束 。在 a 点处
E1 , a = E0{ exp ( θi 1) i + exp ( θi 1) j}
(6)
θ是由于顺时针光束经过耦合器到 1/ 4 波片 1 间的
光路而造成的相位偏移 ,经过 1/ 4 波片 1 后变成右
旋圆偏振光在 bc 间 ,即传感光纤环中 ,右旋圆偏振
Interferential f iber- optic current sensor
ZHONG Zheng , GUO Cong-liang (University of Science Technology of China , Hefei 230026 , China)
Abstract : A novel high- voltage current fiber-optic sensor was proposed. It is made up of t he Sagnac interferometer. The
影响本方案精度的因素主要有以下几点 : (1) 光路中光源引入的强度 、噪声 ,光纤的瑞利
散射噪声 、光纤弯曲 、连接反射噪声等都会影响系统 性能 ;
( 2) 电 子线路引入 的噪声 ;
(3) 关 键环节加工 工艺不完善 也会对精度 产生影响 。
3 结 论
图 4 干涉式光纤电流传感 器 Labview 实验结果图
电流分量 I 包含在 B 中 ,借助电子电路 ,获得干
涉后输出光强信号中一次谐波成分 , 进而将 sin ( kL - kR) L 算出 ,就可以求出高压母线中电流的大小和 相位 。由于传播方向相反的两束光经过的光路相
同 ,所以干涉后可以有效抑制双折射 、温度 、微弯 、振
动等产生的干扰 。电路的整体方案如图 3 。
measuring software is programmed wit h Labview. The system is based on t he Faraday effect . It can measure t he current value
of t he high voltage line by acquiring t he output first harmonic value of t he optic- signal data. The system is dual-optic designed.
光 学 技 术 第32
200
卷第5 6年9
期 月
OP
T ICAL
TECHN IQU E VSoepl..32 N2o00. 65
文章编号 : 100221582 (2006) 0520732203
干涉光纤电流传感器 Ξ
仲正 , 郭从良
到达 c 点时 E1 , c = E0{ exp [ i ( k RL + θ1 + θ2) ] i + exp [ i ( k RL + θ1 + θ2 +π/ 2) ] j (8)
式中 L 是传感光纤环中光纤的长度 。 然后经过另一个 1/ 4 波片 ,由于两个波片快轴
和慢轴正好颠倒 ,于是在 d 点又恢复成与原来方向 一致的线偏振光 ,继续传输到达相位调制器被调制 。 在 e点
其中一次谐波分量为
J 1 (2 A ) cosωCt sin[ ( kL - k R) L ]
式中 δ = ( kL -
kR) L
=
2
·( kL
- kR) 2
L
= 2·
VBL ; B
=
μ0 I 2πR
;
J
n
(α0)
是
n 阶贝塞尔函数 。当δ ν
1rad 时 ,δ≈ sinδ。
733
光 学 技 术 第 32 卷
732
第5期
仲正 ,等 : 干涉光纤电流传感器
效应 , 即处于 磁场中的光纤
会使在其中传
播的偏振光发
生偏振面的旋 转 。典型结构 框图见图
图 1 基于法拉第效应的光 纤电流传感器结构框图
1[5 —7 ]载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环
路定律对于无限长导线有
B
=
μ0 I 2πR
(2)
式中 μ0为真空中的磁导率 ; I 为导线中的电流 ; R 为