專利名稱：全光纖電流測試方法
技術領域：
本發(fā)明是全光纖電流測試方法。
背景技術：
大電流測試是電力工業(yè)系統(tǒng)長期關注的一個問題，由于傳統(tǒng)的電流測試系統(tǒng)重達噸數(shù)量級，體積龐大，安裝調試困難，在實際應用中存在許多問題。隨著光纖技術的完善和器件的成熟，利用光纖實現(xiàn)對大電流的測試，是人們一致關注的問題，近年來取得了一定進展。其測試原理大多數(shù)利用了電流使光的偏振態(tài)發(fā)生改變的法拉第效應。由于法拉第效應的溫度影響較大，且光的偏振態(tài)自身也不穩(wěn)定，使能真正實用化的大電流傳感測試系統(tǒng)存在諸多不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是獲得一種測試系統(tǒng)簡單、精度高、不受外界影響的光纖電流測試方法。
本發(fā)明的全光纖測試方法，其測試裝置由全光纖干涉裝置9、可使光纖產生應變的傳感頭4、光電探測和放大電路5、6、采集卡和數(shù)據(jù)處理10組成。結構框圖如圖1所示。全光纖干涉裝置發(fā)出的兩路光，一路從端口7經(jīng)過光纖延遲線3后經(jīng)過傳感頭4順時針傳輸?shù)蕉丝?，另一路從端口8的光先通過傳感頭4后通過光纖延遲線3反時針傳輸?shù)蕉丝?，兩光束在3×3光纖耦合器2中形成攜帶有待測電流特征的調制光信號，被探測器5、6接收；通過反演干涉信號，最終獲得電流大小，實現(xiàn)對電流信號的測試。
在如圖3所示的傳感頭結構中，傳感頭由兩圓柱組成，待測電流纏繞在外圓柱上，光纖和外加小電流導線纏繞在內圓柱上，內圓柱上的導線將受到安培力F的作用，其大小與線圈間電流的大小成正比，外圓柱上纏繞的導線內待測電流為I(t)，內圓柱上纏繞的導線內的電流為外加調制電流，大小為i(t)。內圓柱上同時纏繞光纖，并且圓柱形變與外部應力保持線性關系，由于電流的作用形成的光纖應力形變量ζ(t)與電流間的關系可表示為ζ(t)＝αI(t)i(t) (1)式中，比例系數(shù)α與材料特性應變系數(shù)、磁導率和兩圓柱結構參數(shù)有關。
上述關系為傳感頭產生的干涉光束光程變化量ζ是通電線圈在待測電流產生的磁場中的位移。
如果傳感頭由通電線圈放置在磁場分布為常數(shù)(永磁體形成的磁場)的結構裝置構成，如圖4所示，線圈將產生隨電流大小變化而運動的情況，運動形成的位移ζ與電流大小和磁場的乘積成正比，表示為ζ(t)＝α′I(t) (1′)式中，比例系數(shù)α′與永磁體磁場分布、磁導率和電流線圈結構等參數(shù)有關。
利用全光纖應變測試系統(tǒng)，如能準確測量應變ζ(t)，在圖3所示的傳感頭結構中，在i(t)為已知的情況下，可利用式(1)，計算出電流I(t)；在圖4所示的傳感頭結構中，利用式(1′)可計算出電流I(t)。
本發(fā)明3×3光纖耦合器是錐形耦合器。其分光比一般為1∶1∶1，也可是非均勻功率。測試裝置的光纖耦合器、光纖、光纖延遲線，可以是單模，也可以是多模光纖。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理裝置提供對兩路輸出信號的采集和電流大小的反演功能。
下面，以圖2所示的結構為例，具體推導系統(tǒng)的工作原理。
激光器發(fā)出的光被耦合器分束后，形成正時針和反時針傳輸?shù)膬陕饭?，由于光纖延遲線的存在，兩束光通過擾動源的時間不同，對應的擾動信號也不同，假設通過光纖延遲線的光時間延遲為τ，τ與光纖長度L的關系可表示為τ=neffLC---(2)]]>C為真空中的光速，L是光纖延遲-線長度，neff為光纖的等效折射率。
由于順時針傳輸光和反時針傳輸光形成的光程差，僅與應變區(qū)產生的應變量有關，定義應變量A(t)為應變區(qū)光纖長度的變化量ζ與折射率ns的乘積，即A(t)＝ns(t)ζ(t) (3)由于光纖延遲線的存在，使得順時針傳輸光和反時針傳輸光形成的光稱差ΔL可表示為ΔL＝ns(t)ζ(t)-ns(t-τ)ζ(t-τ)(4)一般情況下，光纖折射率變化往往可以忽略，所以，有下式成立ns(t)＝ns(t-τ)＝ns(5)
考慮到式(4)和式(5)，在全光纖干涉系統(tǒng)中，干涉條紋數(shù)N(t)與光程差ΔL的關系可表示為N(t)=ΔLλ=nsλ[ζ(t)-ζ(t-τ)]---(6)]]>N(t)對應于干涉光的相位(t)為 利用中值定理，上式可以改寫為 利用上式，通過相位可計算出應變量的微分，積分后可計算出應變量隨時間的變化關系。
根據(jù)3×3光纖耦合器的干涉特性，在兩路探測信號輸出端，干涉信號可分別表示為I1(t)＝I0cos[(t)+0] (9)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (10)我們將式(8)、(9)分別相加、減，得到下面兩式I+＝2I0cos0cos[(t)] (11)I-＝2I0sin0sin[(t)] (12)上面兩式中，初始相位與微應變引起的相位變化完全分開，將大大提高系統(tǒng)的測試精度，特別是式(12)，在小信號測試中，靈敏度達到最大值。利用式(1)(8)(11)(12)，計算出測試電流I(t)。
本發(fā)明中光電轉換和放大電路提供輸出最大信號電壓10伏的交流信號，信號最大頻率為100KWZ。
本發(fā)明所用激光器工作波長是1.31μm或1.55μm，如半導體激光二極管(LD)或半導體發(fā)光二極管(LED)激光器，或者超輻射發(fā)光二極管(SLD)激光器。
本發(fā)明方法的突出優(yōu)點利用傳感頭形成的相干光束光程變化與待測電流密切相關的特點，通過干涉光信號的相位關系，實現(xiàn)對電流測試功能。該方法的突出優(yōu)點是系統(tǒng)不存在線性工作區(qū)的限制，系統(tǒng)測試靈敏度可根據(jù)具體情況調節(jié)，不僅能夠保障大電流狀況下的測試精度，還能確保小電流狀況下的測試精度。系統(tǒng)通過磁致干涉光束光程變化實現(xiàn)對電流的測試方法，改變了以往大多數(shù)光纖電流測試依賴于法拉第旋轉效應的技術方法，具有測試系統(tǒng)簡單，不存在光路偏振控制等技術問題，相干光束具有對稱光路特性，可消除熱效應和外界振動等緩慢變化因素對系統(tǒng)的影響，具有很強的商業(yè)開發(fā)性。


圖1是本發(fā)明的測試方法結構圖。4是磁致相干光束光程變化傳感頭，9是全光纖干涉系統(tǒng)，5、6是光電轉換和放大電路的光電探測器，10是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理裝置。
圖2是全光纖干涉系統(tǒng)結構圖。1是穩(wěn)定光源，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是傳感頭，5、6是光電探測器，7、8是3×3光纖耦合器的兩個端口。
圖3是傳感頭結構之一圖。內圓柱上纏繞光纖和外加電流，外圓柱上纏繞待測電流線圈。
圖4是傳感頭結構之二圖，箭頭表示磁場磁力線分布，該磁場可以是永磁鐵產生，也可以是恒定電流產生，垂直于線圈形成的柱面。圓柱上纏繞待測電流通過的導線。同時，圓柱體底面上貼有反光薄膜，由全光纖干涉結構傳輸來的光通過該薄膜反射回全光纖干涉結構。由電流大小改變引起的圓柱體的運動將通過全光纖干涉結構進行信號提取和反演。
圖5為全光纖干涉系統(tǒng)輸出的信號波形圖。與公式(12)對應。橫坐標為時間軸，單位為毫秒；縱坐標為反映干涉信號幅度的電壓信號，單位為伏。
圖6是反演出的電流波形圖。橫坐標為時間軸，單位為毫秒；縱坐標為待測電流大小，單位為安培。
具體實施例方式
為了驗證提出的電流測試方法，進行了實驗測試，測試電流為最大峰值6.6安培頻率50Hz的交流電流。具體的實驗結構框圖如圖1所示，由激光器(1)發(fā)出的光通過跳線連接進入光纖耦合器(2)，被分束后，一路光由耦合器(7)端通過光纖延遲線(3)到達傳感探頭(4)，最后回到光纖(8)端；另一束光由耦合器(8)端，經(jīng)過傳感頭(4)后到達光纖延遲線(3)，回到光纖耦合器(7)端，干涉信號經(jīng)過光電探測器(5)(6)接收后得到電信號，電信號經(jīng)過放大電路放大，被數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到電流信號。
在本實施例中，所用的激光器為電子集團總公司44研究所生產的SO3-B型超輻射發(fā)光管(SLD)型穩(wěn)定光源。光纖耦合器為武漢郵電研究院生產的單模光纖耦合器。光纖準直器為武漢郵電研究院生產的型號為FCO-155-A-C-09/FC/APC光纖準直器。光電探測器為44所生產的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。所用的光纖為美國生產的“康寧”G652型單模光纖。全光纖微應變測試系統(tǒng)如圖2所示，探頭結構采用圖4所示的結構。光纖耦合器與光纖和光纖延遲線的連接方式為融接方式連接，光源與干涉系統(tǒng)的連接方式為FC/PC跳線連接，干涉系統(tǒng)與探測器的連接采用FC/PC連接。得到的電流測試波形如圖5所示，信號周期為標準的20毫秒，對應電流頻率50Hz。
權利要求
1.一種全光纖電流測試方法，測試裝置由全光纖干涉裝置(9)、可使光纖產生應變的傳感頭(4)、光電探測和放大電路(5)(6)、采集卡和數(shù)據(jù)處理(10)組成，其特征是全光纖干涉裝置發(fā)出的兩路光，一路從端口(7)經(jīng)過光纖延遲線(3)后經(jīng)過傳感頭(4)順時針傳輸?shù)蕉丝?8)，另一路從端口(8)的光先通過傳感頭(4)后通過光纖延遲線(3)反時針傳輸?shù)蕉丝?7)，兩光束在3×3光纖耦合器(2)中形成攜帶有待測電流特征的調制光信號，被探測器(5)、(6)接收；通過反演干涉信號，最終獲得電流大小，實現(xiàn)對電流信號的測試。
2.根據(jù)權利要求1所述的全光纖電流測試方法，其特征是傳感頭(4)是兩個圓柱體組成，待測電流繞在外圓柱體上，光纖和外加小電流導線繞在內圓柱上。
3.根據(jù)權利要求2所述的全光纖電流測試方法，其特征是傳感頭產生的干涉光束光程變化量是外加通電線圈在待測電流產生的磁場中的位移。
4.根據(jù)權利要求2所述的全光纖電流測試方法，其特征是傳感頭產生的干涉光束光程變化量是磁致伸縮材料產生的伸縮量。
5.根據(jù)權利要求1所述的全光纖電流測試方法，其特征是3×3光纖耦合器(2)是錐形光纖耦合器。
6.根據(jù)權利要求1所述的全光纖電流測試方法，其特征是所用光纖耦合器(2)、光纖(12)、光纖延遲線(3)是單模光纖，或者是多模光纖。
7.根據(jù)權利要求1所述的全光纖電流測試方法，其特征是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理(10)裝置，提供對兩路輸出信號的采集和電流大小的反演功能。
8.根據(jù)權利要求1所述的全光纖電流測試方法，其特征是所用的激光器(1)工作波長是1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管或半導體發(fā)光二極管激光器，或者超輻射發(fā)光二極管激光器。
全文摘要
本發(fā)明是一種新的電流測試方法?，F(xiàn)有技術存在測試受外界影響帶來結果不穩(wěn)定等不足。本發(fā)明利用傳感頭形成的相干光束光程變化與待測電流密切相關的特點，通過干涉光信號的相位關系，實現(xiàn)對電流測試功能。該方法的突出優(yōu)點是系統(tǒng)不存在線性工作區(qū)的限制，系統(tǒng)測試靈敏度可根據(jù)具體情況調節(jié)，不僅能夠保障大電流狀況下的測試精度，還能確保小電流狀況下的測試精度。系統(tǒng)通過磁致干涉光束光程變化實現(xiàn)對電流的測試方法，改變了以往大多數(shù)光纖電流測試依賴于法拉第旋轉效應的技術方法，具有測試系統(tǒng)簡單，不存在光路偏振控制等技術問題，相干光束具有對稱光路特性，可消除熱效應和外界振動等緩慢變化因素對系統(tǒng)的影響，具有很強的商業(yè)開發(fā)性。
文檔編號G01R15/24GK1488946SQ0314212
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月7日 優(yōu)先權日2003年8月7日
發(fā)明者賈波, 賈 波 申請人:復旦大學