專利名稱：光纖電流互感器及其互感器的閉環(huán)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器裝置，具體地說，是指一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器。該光纖電流互感器利用傳輸電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的Faraday效應(yīng)，使傳輸光的相位發(fā)生變化，通過測(cè)量干涉后的信號(hào)幅值可以間接測(cè)量出導(dǎo)線中的電流值。
背景技術(shù)：
電流互感器(Current tranducer簡(jiǎn)稱CT)是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。然而隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)越來越高，目前我國(guó)電網(wǎng)的最高電壓等級(jí)已達(dá)500KV，并向更高的電壓等級(jí)發(fā)展。而傳統(tǒng)的電磁式電流互感器原理是基于類似變壓器原理的電磁感應(yīng)，由于其工作原理決定了技術(shù)上有一些難以解決的困難。如(1)電壓等級(jí)提高，增大了絕緣困難，致使絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積重量更大，安裝、運(yùn)輸不便，且造價(jià)呈指數(shù)上升。
(2)由于鐵芯磁特性有限，在某些較大的工作電流或故障電流作用下可能會(huì)發(fā)生鐵芯嚴(yán)重飽和，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)難以容許的偏差，給電力系統(tǒng)提供錯(cuò)誤信息。
(3)如果互感器輸出處于開路狀態(tài)，輸出端會(huì)感應(yīng)高壓，有可能導(dǎo)致絕緣故障或危及其它設(shè)備及工作人員安全。
(4)目前傳統(tǒng)電流互感器內(nèi)部多充以礦物油作為絕緣和散熱介質(zhì)，存在突然失效而可能導(dǎo)致燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
目前大多數(shù)電流互感器是利用晶體的Faraday效應(yīng)。晶體構(gòu)建的光纖電流互感器的缺陷在于動(dòng)態(tài)范圍小、靈敏度低、插入損耗大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光纖電流互感器及其互感器的閉環(huán)檢測(cè)裝置，該光纖電流互感器中光路采用全光纖連接。閉環(huán)檢測(cè)裝置使光纖電流互感器始終工作在靈敏度最高點(diǎn)上，采用本發(fā)明的閉環(huán)檢測(cè)模式提高了檢測(cè)的靈敏度，擴(kuò)大了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明的一種光纖電流互感器，由光源、光電探測(cè)器、分束器、偏振器、相位調(diào)制器、保偏延遲光纜、λ/4波片、傳感頭和信號(hào)處理單元構(gòu)成，所述的傳感頭由傳感光纖經(jīng)端面鍍膜形成，光源和光電探測(cè)器的尾纖分別與分束器的兩根入纖熔接，分束器的尾纖與偏振器的入纖熔接，偏振器的尾纖與相位調(diào)制器的入纖45°熔接，相位調(diào)制器的尾纖與保偏光纜的一端連接，保偏光纜的另一端與λ/4波片連接，λ/4波片另一端與傳感光纖熔接；光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元輸出方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器；所述光纖電流互感器中相位調(diào)制器處光源產(chǎn)生的光與經(jīng)反射鏡反射回的光的相位差應(yīng)滿足sin 4VNI≈4VNI，(V表示Verdet常數(shù)，N表示纏繞導(dǎo)線的光纖圈數(shù)，I表示導(dǎo)線中的電流值)，且4VNI≤0.5°～1°。
本發(fā)明光纖電流互感器的閉環(huán)檢測(cè)，其信號(hào)處理單元由前放單元、FPGA、DSP、方波調(diào)制電路、數(shù)字階梯波發(fā)生電路、模擬輸出電路、光源驅(qū)動(dòng)電路和電源電路組成，前放單元接收由所述光電探測(cè)器輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)，并將其進(jìn)行隔直、濾波、放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出給FPGA，F(xiàn)PGA將采集的電壓信號(hào)輸出給DSP，經(jīng)DSP進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、數(shù)值濾波、積分處理后輸出控制信號(hào)給FPGA；FPGA對(duì)接收DSP的控制信號(hào)輸出給模擬輸出電路，模擬輸出電路對(duì)接收的數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后放大輸出；方波調(diào)制電路接收FPGA輸出的控制信號(hào)并產(chǎn)生方波信號(hào)，數(shù)字階梯波發(fā)生電路接收FPGA輸出的控制信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字階梯波高度信號(hào)，方波調(diào)制電路輸出的方波信號(hào)與數(shù)字階梯波發(fā)生電路輸出的數(shù)字階梯波高度信號(hào)經(jīng)疊加后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器；相位調(diào)制器對(duì)接收的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制保持干涉光強(qiáng)恒定；光源驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源。
本發(fā)明光纖電流互感器的光路中由光源發(fā)出的光經(jīng)過分束器后由偏振器起偏形成線偏振光，線偏振光經(jīng)45°偏轉(zhuǎn)分解成X軸線偏振光和Y軸線偏振光后注入相位調(diào)制器，經(jīng)相位調(diào)制器后的X軸線偏振光和Y軸線偏振光以正交模式在保偏光纜中傳輸進(jìn)入λ/4波片，經(jīng)λ/4波片后X軸線偏振光和Y軸線偏振光分別轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光和左旋圓偏振光進(jìn)入傳感光纖，在傳感光纖內(nèi)受Faraday磁光效應(yīng)作用產(chǎn)生相位差Δθ＝2VNI，經(jīng)反射膜反射后右旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振光，左旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光，轉(zhuǎn)變后的兩束光經(jīng)傳感光纖再次受Faraday磁光效應(yīng)作用使兩束光的相位差加倍Δφ＝2Δθ＝4VNI，轉(zhuǎn)變后的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光再次經(jīng)過λ/4波片后，恢復(fù)為X軸線偏振光和Y軸線偏振光，在分束器處發(fā)生干涉，最后，攜帶相位信息的光由分束器耦合進(jìn)入光電探測(cè)器。
本發(fā)明的光纖電流互感器與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，其優(yōu)點(diǎn)(1)采用全光纖傳輸，其絕緣性能好；不含鐵心，受電磁干擾影響小，沒有鐵磁共振、磁飽和及大電感引起的滯后現(xiàn)象；(2)測(cè)量頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，采用閉環(huán)控制無開路導(dǎo)致高壓的危險(xiǎn)；(3)體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝。


圖1是本發(fā)明光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明光纖電流互感器光路走向示意圖。
圖3是本發(fā)明光纖電流互感器信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明光纖電流互感器閉環(huán)檢測(cè)流程框圖。
圖5A是前放電路原理圖。
圖5B是FPGA芯片圖。
圖5C是DSP芯片圖。
圖5D是階梯波、方波電路原理圖。
圖5E是模擬輸出電路原理圖。
圖5F是光源驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
圖6是方波調(diào)制電路輸出波形圖。
圖7是階梯波發(fā)生電路輸出波形圖。
圖中 1.光源 2.環(huán)形器3.起偏器 4.相位調(diào)制器5.保偏延遲光纜 6.λ/4波片 7.傳感頭71.傳感光纖 72.反射膜8.光電探測(cè)器9.信號(hào)處理單元 91.FPGA處理器92.DSP處理器93.前放單元 94.方波發(fā)生電路 95.階梯波發(fā)生電路96.模擬輸出電路 97.光源驅(qū)動(dòng)電路 98.電源電路具體實(shí)施方式
全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器的本質(zhì)是利用兩束光干涉的原理測(cè)得的。傳感光纖中由于傳輸電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)一束圓偏振光經(jīng)過傳感光纖時(shí)，由于Faraday效應(yīng)，圓偏振光的相位發(fā)生變化，相位變化為θF。通過測(cè)量相干的兩束光，就可以間接地測(cè)量出導(dǎo)線中的電流值。
(一)全光纖電流互感器的硬件結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明是一種光纖電流互感器，由光源1、光電探測(cè)器8、傳感頭7，其特征在于還包括分束器2、偏振器3、相位調(diào)制器4、保偏延遲光纜5、λ/4波片6和信號(hào)處理單元7構(gòu)成，所述的傳感頭7由傳感光纖71經(jīng)端面鍍反射膜72形成，光源1和光電探測(cè)器8的尾纖分別與分束器2的兩根入纖熔接，分束器2的尾纖與偏振器3的入纖熔接，偏振器3的尾纖與相位調(diào)制器4的入纖45°熔接，相位調(diào)制器4的尾纖與保偏延遲光纜5的一端連接，保偏延遲光纜5的另一端與λ/4波片6連接(保偏延遲光纜5的兩端與相位調(diào)制器4和λ/4波片6的連接可以是跳線連接或者熔接。)，λ/4波片6另一端與傳感頭7的傳感光纖71熔接；所述光電探測(cè)器8的光強(qiáng)電壓信號(hào)輸出端與信號(hào)處理單元9連接，信號(hào)處理單元9輸出方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器4；所述光纖電流互感器對(duì)接收和/或輸出信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)。所述相位調(diào)制器4中光的相位差滿足sin 4VNI≈4VNI，且4VNI≤0.5°～1°，V表示Verdet常數(shù)，N表示纏繞導(dǎo)線的光纖圈數(shù)，I表示導(dǎo)線中的電流值。相位調(diào)制器4中光的相位差是指從光源1產(chǎn)生的光經(jīng)分束器2、偏振器3進(jìn)入到相位調(diào)制器4中的光與光從光源1產(chǎn)生的光經(jīng)分束器2、偏振器3、相位調(diào)制器4、保偏延遲光纜5、λ/4波片6和傳感頭7后經(jīng)反射鏡72反射回的光(請(qǐng)參見圖2所示)之間的相位差，即相位調(diào)制器4中的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的相位差。在本發(fā)明中的各光學(xué)器件采用全光纖連接。
在本發(fā)明中，所述光源1是SLD光源或者LED光源，所述的分束器2是環(huán)形器或者耦合器，所述的相位調(diào)制器4是PZT調(diào)制器或者光電調(diào)制器或者集成光學(xué)調(diào)制器，所述的λ/4波片6是全光纖波片，所述傳感頭7的傳感光纖71是單模光纖或者圓雙折射光纖或者低雙折射光纖或者退火光纖。
(二)全光纖電流互感器的光路結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見圖2所示，光纖電流互感器的光路中由光源1發(fā)出的光經(jīng)過分束器2后由偏振器3起偏形成線偏振光，偏振器3的尾纖與相位調(diào)制器4的入纖以45°熔接，以45°偏振的線偏振光就被平分為兩份，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，這兩個(gè)正交模式的線偏振光在相位調(diào)制器4處受到相位調(diào)制，而后這兩束光經(jīng)過λ/4波片6，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖71。由于傳輸電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖71中由于Faraday磁光效應(yīng)，這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化(Δθ＝2VNI)并以不同的速度傳輸，在反射膜72處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換(即左旋光變?yōu)橛倚?，右旋光變?yōu)樽笮?再次穿過傳感光纖71，使Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的相位加倍(Δφ＝2Δθ＝4VNI)。這兩束光再次通過λ/4波片6后，恢復(fù)為線偏振光，并且原來沿保偏光纖X軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wY軸傳播，原來沿保偏光纖Y軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wX軸傳播。分別沿保偏光纖X軸、Y軸傳播的光在分束器2處發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由分束器2耦合后進(jìn)光電探測(cè)器8。由于發(fā)生干涉的兩束光，在光路傳輸過程中，分別都通過了保偏光纖的X軸和Y軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時(shí)間上略有差別，因此返回光電探測(cè)器8的光只攜帶了由于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差。
(三)全光纖電流互感器的電路結(jié)構(gòu)前放單元93前放單元93包括隔直濾波、兩級(jí)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。由于光纖電流互感器的輸出信號(hào)極其微弱，而光電探測(cè)器8輸出信號(hào)中又存在一個(gè)幾百毫伏左右的直流偏置量，因此在本發(fā)明中采用阻容耦合的方法，使前級(jí)輸出信號(hào)中的直流分量不至于耦合到下一級(jí)。各端子的連接如圖5A所示，光纖探測(cè)器8輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)端與前放電路的運(yùn)算放大器NO1的2端連接，運(yùn)算放大器NO1的輸出端與運(yùn)算放大器NO2的輸入端連接，運(yùn)算放大器NO2的6端與分壓電路連接，分壓電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路D0的23端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路D0的讀端、寫端、時(shí)鐘端、進(jìn)位端分別與FPGA的讀端、寫端、時(shí)鐘端、進(jìn)位端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路D0的10位地址輸出端與FPGA處理電路D2的10位地址輸入端連接。
FPGA處理電路91本發(fā)明的光纖電流互感器采用閉環(huán)檢測(cè)控制，其要求方波調(diào)制、A/D采集解調(diào)數(shù)字階梯波反饋的時(shí)序控制有嚴(yán)格的同步關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路時(shí)綜合考慮各控制信號(hào)經(jīng)歷的通道的時(shí)延。以A/D觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)，分頻產(chǎn)生調(diào)制方波信號(hào)及數(shù)字相位階梯波臺(tái)階產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)控制解調(diào)過程的進(jìn)行。時(shí)序采用晶振控制的鎖相環(huán)產(chǎn)生AD采樣頻率，通過對(duì)AD采樣頻率的分頻產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)給FPGA處理器，F(xiàn)PGA將時(shí)序控制信號(hào)同時(shí)給調(diào)制方波電路和解調(diào)電路分別產(chǎn)生調(diào)制方波時(shí)序和解調(diào)時(shí)序，通過調(diào)制方波時(shí)序控制反饋階梯波時(shí)序使方波和階梯波嚴(yán)格同步。
因?yàn)锳/D觸發(fā)脈沖、相位臺(tái)階產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖和調(diào)制方波是按嚴(yán)格的分頻來實(shí)現(xiàn)的，所以一旦其第一點(diǎn)的時(shí)序做到了同步，則其它的點(diǎn)也是嚴(yán)格同步的。
各端子的連接如圖5B所示，F(xiàn)PGA處理電路D2的16位雙向數(shù)據(jù)端與DSP處理電路D1的16位雙向數(shù)據(jù)端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的16位地址輸入端與DSP處理電路D1的16位地址輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的控制輸入端與DSP處理電路D1的控制輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的12位數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的12位數(shù)據(jù)輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的片選端、寫輸入端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的片選端、寫輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的數(shù)字信號(hào)輸出端與模擬輸出電路的D/A轉(zhuǎn)換電路D6的數(shù)字輸入端連接。
DSP處理電路92由于本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)屬于微弱信號(hào)檢測(cè)的范疇，根據(jù)微弱信號(hào)檢測(cè)理論，本發(fā)明采用同步相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，可以將光纖電流互感器輸出的信號(hào)從強(qiáng)噪聲中提取出來。基本實(shí)現(xiàn)方法為1、首先通過調(diào)制使檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)的主要電路避開噪聲功率密度大的地方，從而使輸出噪聲較小。在低頻區(qū)，閃爍噪聲可以比白噪聲高出數(shù)倍、數(shù)十倍、甚至數(shù)百倍。本發(fā)明可以使信號(hào)不失真的從低頻區(qū)移出；2、從信號(hào)與噪聲的特征對(duì)比可以看出，信號(hào)與多數(shù)噪聲有頻率和相位兩方面不同。本發(fā)明中濾波利用了頻率特征的識(shí)別，再利用相位特征的識(shí)別就可以把同頻率不同相位的噪聲大量排除。解調(diào)模塊完成解調(diào)后，將解調(diào)出的數(shù)據(jù)保存在寄存器中，并同時(shí)向DSP發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)，DSP接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序讀取寄存器的值。各端子的連接如圖5C所示，DSP處理電路D1的16位雙向數(shù)據(jù)端與FPGA處理電路D2的16位雙向數(shù)據(jù)端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的16位地址輸入端與DSP處理電路D1的16位地址輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的控制輸入端與DSP處理電路D1的控制輸出端連接。DSP處理電路與FPGA處理電路和連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址的傳輸。
方波調(diào)制電路94方波調(diào)制電路94中的恒壓電路產(chǎn)生一個(gè)恒壓信號(hào)，并對(duì)所述恒壓信號(hào)進(jìn)行分配出兩路分壓信號(hào)，其中一分壓信號(hào)輸出一個(gè)參考電壓信號(hào)給數(shù)字階梯波發(fā)生電路，另一分壓信號(hào)輸出給分頻電路，分頻電路接收FPGA處理電路的脈沖信號(hào)并產(chǎn)生輸出一方波信號(hào)。在本發(fā)明的全數(shù)字閉環(huán)方案中，以方波實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。方波輸出的波形如圖6所示。方波的周期為2τ，高度為 各端子的連接如圖5D所示，方波調(diào)制電路D3經(jīng)分壓后的參考電壓信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的參考電壓信號(hào)輸入端連接，恒壓電路D3的6端與分頻電路D4的4端連接，分頻電路D4的脈沖輸入端與FPGA處理電路D2的脈沖輸出端連接，分頻電路D4產(chǎn)生的方波信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路的方波輸入端連接。
數(shù)字階梯波發(fā)生電路95數(shù)字階梯波發(fā)生電路控制驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器。數(shù)字階梯波發(fā)生電路的輸入信號(hào)是一個(gè)數(shù)字信號(hào)Dm，輸出信號(hào)是電壓信號(hào)Vout，這個(gè)輸入輸出關(guān)系成積分關(guān)系，Vout＝KR∫Dmdt，KR為積分比例因子，相位調(diào)制器的作用使兩束發(fā)生干涉的光波產(chǎn)生一個(gè)附加的反饋相位φF，當(dāng)Δφ-φF＝0，則實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)檢測(cè)。反饋相移φF等于光纖電流互感器的敏感相位，因此可以只對(duì)相位進(jìn)行檢測(cè)，從而去掉了光學(xué)器件造成的光功率波動(dòng)的影響。
在本發(fā)明的全數(shù)字閉環(huán)方案中，以數(shù)字階梯波實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。數(shù)字閉環(huán)的相位關(guān)系如圖7所示。其中FW為前向傳播的光，BW為后向傳播的光，階梯波的臺(tái)階高度即為反饋相位。階梯波的每個(gè)臺(tái)階寬度與光纖敏感線圈的渡越時(shí)間τ嚴(yán)格同步。另外，由于閉環(huán)檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)的工作點(diǎn)始終在線性最好的 點(diǎn)上，因此具有非常好的線性度和寬的動(dòng)態(tài)范圍。方波由邏輯產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)控制模擬開關(guān)產(chǎn)生，階梯波由數(shù)字反饋量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，高度信號(hào)由累加器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生；方波和階梯波的疊加采用模擬疊加方案。各端子的連接如圖5D所示，F(xiàn)PGA處理電路D2的12位數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的12位數(shù)據(jù)輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的片選端、寫輸入端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的片選端、寫輸入端連接，方波調(diào)制電路D3經(jīng)分壓后的參考電壓信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的參考電壓信號(hào)輸入端連接，數(shù)字階梯波發(fā)生電路的運(yùn)放電路NO3的數(shù)字階梯波高度信號(hào)輸出端與方波調(diào)制電路產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行疊加，所述疊加后的信號(hào)輸出給相位調(diào)制器。
模擬輸出電路96模擬輸出電路由D/A轉(zhuǎn)換電路、兩級(jí)放大電路組成，D/A轉(zhuǎn)換電路將FPGA處理電路輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，所述模擬信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大電路輸出給下一級(jí)(可以是下位機(jī)或者檢測(cè)設(shè)備)的電路。各端子的連接如圖5E所示，F(xiàn)PGA處理電路D2的數(shù)字信號(hào)輸出端與模擬輸出電路的D/A轉(zhuǎn)換電路D6的數(shù)字輸入端連接，D/A轉(zhuǎn)換電路D6的模擬信號(hào)輸出端1與兩級(jí)放大電路中的放大電路NO6的模擬信號(hào)輸入端3連接。
光源驅(qū)動(dòng)電路97光源驅(qū)動(dòng)電路包括高精度恒流源電路，光源管芯溫度控制電路組成。高精度恒流源電路提供穩(wěn)定的電流輸出，使光源輸出功率穩(wěn)定；光源管芯溫度控制電路利用穩(wěn)定管芯的溫敏電阻，把管芯工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下，使光源工作不受外界溫度影響，輸出功率更加穩(wěn)定。各端子的連接如圖5F所示，恒流源電路采用Max873芯片，Max873芯片產(chǎn)生一恒定電壓信號(hào)從而得到一恒定電流來驅(qū)動(dòng)光源，光源管芯溫度控制電路采用由熱敏電阻構(gòu)成的電橋來控制光源管芯溫度。
本發(fā)明的信號(hào)處理單元中各模塊選取芯片為FPGA選取TMS320F206芯片，DSP選取EPF10K10TC144芯片，前放電路由兩片運(yùn)放OPA627U芯片加一個(gè)分壓電路再加一A/D轉(zhuǎn)換TLV1571芯片組成，方波調(diào)制電路由恒壓電路和4/8模擬復(fù)用器ADG509FBRN芯片組成，階梯波發(fā)生電路由D/A轉(zhuǎn)換DAC7545芯片和運(yùn)放OPA627U芯片組成。
本發(fā)明的光纖電流互感器在控制與處理中采用閉環(huán)檢測(cè)方案，有效地?cái)U(kuò)大了電流的測(cè)量范圍0～3600A，提高了信號(hào)處理單元9整體的系統(tǒng)靈敏度，而且可以消除部分光強(qiáng)變化引起的強(qiáng)度噪聲。
權(quán)利要求
1.一種光纖電流互感器，包括光源(1)、光電探測(cè)器(8)、傳感頭(7)，其特征在于還包括分束器(2)、偏振器(3)、相位調(diào)制器(4)、保偏延遲光纜(5)、λ/4波片(6)和信號(hào)處理單元(7)構(gòu)成，所述的傳感頭(7)由傳感光纖(71)經(jīng)端面鍍反射膜(72)形成，光源(1)和光電探測(cè)器(8)的尾纖分別與分束器(2)的兩根入纖熔接，分束器(2)的尾纖與偏振器(3)的入纖熔接，偏振器(3)的尾纖與相位調(diào)制器(4)的入纖45°熔接，相位調(diào)制器(4)的尾纖與保偏延遲光纜(5)的一端連接，保偏延遲光纜(5)的另一端與λ/4波片(6)連接，λ/4波片(6)另一端與傳感頭(7)的傳感光纖(71)熔接；所述光電探測(cè)器(8)的光強(qiáng)電壓信號(hào)輸出端與信號(hào)處理單元(9)連接，信號(hào)處理單元(9)輸出方波和階梯波的疊加信號(hào)給相位調(diào)制器(4)；所述相位調(diào)制器(4)中光的相位差滿足sin4VNI≈4VNI，且4VNI≤0.5°～1°，V表示Verdet常數(shù)，N表示纏繞導(dǎo)線的光纖圈數(shù)，I表示導(dǎo)線中的電流值；所述光纖電流互感器對(duì)接收和/或輸出信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于所述的光源(1)是SLD光源或者LED光源，所述的分束器(2)是環(huán)形器或者耦合器，所述的相位調(diào)制器(4)是PZT調(diào)制器或者光電調(diào)制器或者集成光學(xué)調(diào)制器，所述的λ/4波片(6)是全光纖波片，所述傳感頭(7)的傳感光纖(71)是單模光纖或者圓雙折射光纖或者低雙折射光纖或者退火光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于所述保偏延遲光纜(5)兩端與相位調(diào)制器(4)和λ/4波片(6)的連接可以是跳線連接或者熔接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于由光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過分束器(2)后由偏振器(3)起偏形成線偏振光，所述線偏振光經(jīng)45°偏轉(zhuǎn)分解成X軸線偏振光和Y軸線偏振光后注入相位調(diào)制器(4)中，經(jīng)相位調(diào)制器(4)后的所述X軸線偏振光和所述Y軸線偏振光以正交模式在保偏延遲光纜(5)中傳輸進(jìn)入λ/4波片(6)，經(jīng)λ/4波片(6)后所述X軸線偏振光和所述Y軸線偏振光分別轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光和左旋圓偏振光進(jìn)入傳感光纖(71)，在傳感光纖(71)內(nèi)受Faraday磁光效應(yīng)作用產(chǎn)生相位差Δθ＝2VNI，經(jīng)反射膜(72)反射后所述右旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振光，所述左旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光，轉(zhuǎn)變后的兩束光經(jīng)傳感光纖(71)再次受Faraday磁光效應(yīng)作用使兩束光的相位差加倍Δφ＝2Δθ＝4VNI，轉(zhuǎn)變后的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光再次經(jīng)過λ/4波片(6)后，恢復(fù)為X軸線偏振光和Y軸線偏振光，在分束器(2)處發(fā)生干涉，最后，攜帶相位信息的光由分束器(2)耦合進(jìn)入光電探測(cè)器(8)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖電流互感器，其特征在于經(jīng)相位調(diào)制器(4)后的所述X軸線偏振光以正交模式在保偏延遲光纜(5)中傳輸進(jìn)入λ/4波片(6)，經(jīng)λ/4波片(6)后X軸線偏振光轉(zhuǎn)變成左旋圓偏振光進(jìn)入傳感光纖(71)；經(jīng)相位調(diào)制器(4)后的所述Y軸線偏振光以正交模式在保偏延遲光纜(5)中傳輸進(jìn)入λ/4波片(6)，經(jīng)λ/4波片(6)后Y軸線偏振光轉(zhuǎn)變成右旋圓偏振光進(jìn)入傳感光纖(71)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器的閉環(huán)檢測(cè)，其特征在于所述的信號(hào)處理單元(9)由前放單元(93)、FPGA處理器(91)、DSP處理器(92)、方波調(diào)制電路(94)、階梯波發(fā)生電路(95)、模擬輸出電路(96)、光源驅(qū)動(dòng)電路(97)和電源電路(98)組成，前放單元(93)接收由所述光電探測(cè)器(8)輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)，并將其進(jìn)行隔直、濾波、放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出給FPGA處理器(91)，F(xiàn)PGA處理器(91)將采集的電壓信號(hào)輸出給DSP處理器(92)，經(jīng)DSP處理器(92)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、數(shù)值濾波、積分處理后輸出控制信號(hào)給FPGA處理器(91)；FPGA處理器(91)對(duì)接收DSP處理器(92)的控制信號(hào)輸出給模擬輸出電路(96)，模擬輸出電路(96)對(duì)接收的數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后放大輸出；方波調(diào)制電路(94)接收FPGA處理器(91)輸出的控制信號(hào)并產(chǎn)生方波信號(hào)，階梯波發(fā)生電路(95)接收FPGA處理器(91)輸出的控制信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字階梯波高度信號(hào)，方波調(diào)制電路(94)輸出的方波信號(hào)與階梯波發(fā)生電路(95)輸出的數(shù)字階梯波高度信號(hào)經(jīng)疊加后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器(4)；相位調(diào)制器(4)對(duì)接收的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制保持干涉光強(qiáng)恒定；光源驅(qū)動(dòng)電路(97)輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖電流互感器的閉環(huán)檢測(cè)，其特征在于FPGA選取TMS320F206芯片，DSP選取EPF10K10TC144芯片，前放電路由兩片運(yùn)放OPA627U芯片加一個(gè)分壓電路再加一A/D轉(zhuǎn)換TLV1571芯片組成，方波調(diào)制電路由恒壓電路和4/8模擬復(fù)用器ADG509FBRN芯片組成，階梯波發(fā)生電路由D/A轉(zhuǎn)換DAC7545芯片和運(yùn)放OPA627U芯片組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖電流互感器的閉環(huán)檢測(cè)，其特征在于光纖探測(cè)器(4)輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)端與前放電路(93)的運(yùn)算放大器NO1的2端連接，運(yùn)算放大器NO1的輸出端與運(yùn)算放大器NO2的輸入端連接，運(yùn)算放大器NO2的6端與分壓電路連接，分壓電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路D0的23端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路D0的讀端、寫端、時(shí)鐘端、進(jìn)位端分別與FPGA處理器(91)的讀端、寫端、時(shí)鐘端、進(jìn)位端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路D0的10位地址輸出端與FPGA處理電路D2的10位地址輸入端連接；FPGA處理電路D2的16位雙向數(shù)據(jù)端與DSP處理電路D1的16位雙向數(shù)據(jù)端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的16位地址輸入端與DSP處理電路D1的16位地址輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的控制輸入端與DSP處理電路D1的控制輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的12位數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路7的12位數(shù)據(jù)輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的片選端、寫輸入端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的片選端、寫輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的數(shù)字信號(hào)輸出端與模擬輸出電路的D/A轉(zhuǎn)換電路D6的數(shù)字輸入端連接；DSP處理電路D1的16位雙向數(shù)據(jù)端與FPGA處理電路D2的16位雙向數(shù)據(jù)端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的16位地址輸入端與DSP處理電路D1的16位地址輸出端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的控制輸入端與DSP處理電路D1的控制輸出端連接。DSP處理電路與FPGA處理電路的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址的傳輸；方波調(diào)制電路D3經(jīng)分壓后的參考電壓信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的參考電壓信號(hào)輸入端連接，恒壓電路D3的6端與分頻電路D4的4端連接，分頻電路D4的脈沖輸入端與FPGA處理電路D2的脈沖輸出端連接，分頻電路D4產(chǎn)生的方波信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路的方波輸入端連接；FPGA處理電路D2的12位數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的12位數(shù)據(jù)輸入端連接，F(xiàn)PGA處理電路D2的片選端、寫輸入端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的片選端、寫輸入端連接，方波調(diào)制電路D3經(jīng)分壓后的參考電壓信號(hào)輸出端與數(shù)字階梯波發(fā)生電路D7的參考電壓信號(hào)輸入端連接，數(shù)字階梯波發(fā)生電路的運(yùn)放電路NO3的數(shù)字階梯波高度信號(hào)輸出端與方波調(diào)制電路產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行疊加，所述疊加后的信號(hào)輸出給相位調(diào)制器；FPGA處理電路D2的數(shù)字信號(hào)輸出端與模擬輸出電路的D/A轉(zhuǎn)換電路D6的數(shù)字輸入端連接，D/A轉(zhuǎn)換電路D6的模擬信號(hào)輸出端1與兩級(jí)放大電路中的放大電路NO6的模擬信號(hào)輸入端3連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于所述光纖電流互感器工作溫度-40℃～+50℃，可測(cè)電流量范圍0～3600A。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖電流互感器及其互感器的閉環(huán)檢測(cè)裝置，該光纖電流互感器中光路采用全光纖連接，光纖電流互感器中的電路采用閉環(huán)檢測(cè)模式。所述的閉環(huán)檢測(cè)裝置中前放單元接收光電探測(cè)器輸出的光強(qiáng)電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出給FPGA，F(xiàn)PGA將采集的電壓信號(hào)輸出給DSP，經(jīng)DSP進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、數(shù)值濾波、積分處理后輸出控制信號(hào)給FPGA；FPGA對(duì)接收DSP的控制信號(hào)輸出給模擬輸出電路；方波調(diào)制電路和數(shù)字階梯波發(fā)生電路接收FPGA輸出的控制信號(hào)，方波調(diào)制電路輸出的方波信號(hào)與數(shù)字階梯波發(fā)生電路輸出的數(shù)字階梯波高度信號(hào)經(jīng)疊加后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器。本發(fā)明采用全光纖傳輸，其絕緣性能好，受電磁干擾影響小，測(cè)量頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，采用閉環(huán)控制無開路導(dǎo)致高壓的危險(xiǎn)。
文檔編號(hào)G01R15/24GK1687795SQ200510076618
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者張春熹, 王夏霄, 張朝陽, 袁玉廠, 姜中英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)