專利名稱：一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。
技術(shù)背景如圖l所示，光纖電流互感器是基于Ampere定律和Faraday效應(yīng)原理的，該 光纖電流互感器通過測(cè)量在傳感光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ秸坏膬墒窆忾g由于敏感導(dǎo) 線內(nèi)電流量而產(chǎn)生的相位差來間接地測(cè)量電流值。具體方法是光源發(fā)出的光經(jīng)耦合 器、起偏器后，隨即分成兩束正交的線偏振光，沿著保偏光纖延遲線的X、 Y兩個(gè)正 交模式傳輸至傳感頭。在傳感頭的義/4光纖波片處，兩束線偏光分別被轉(zhuǎn)換為左旋和 右旋圓偏光，進(jìn)入傳感光纖。在傳感光纖中，由于Faraday磁光效應(yīng)作用，兩束圓 偏光傳輸速度不同，從而產(chǎn)生Faraday相差。當(dāng)兩束圓偏光傳輸?shù)絺鞲泄饫w末端時(shí)， 發(fā)生鏡面反射，兩束光在模式互換(左旋變右旋，右旋變左旋)后沿原光路返回， Famday效應(yīng)加倍，并且在義/4光纖波片處再次轉(zhuǎn)變?yōu)閮墒Ｊ秸坏木€偏光(模 式也互換了)。最終，攜帶Faraday效應(yīng)相位信息的兩束光在起偏器處發(fā)生干涉，然 后經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器，從光電探測(cè)器輸出的干涉光強(qiáng)信號(hào)《經(jīng)后續(xù)的硬件電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后加載在相位調(diào)制器上。由于兩束偏振光始終在同一根光纖中傳輸，并且經(jīng)過了完全相同的傳輸路徑和模 式變化，所以光路系統(tǒng)具有良好的互易性，因此到達(dá)光電探測(cè)器的光信息只攜帶了由 于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差^ 。考慮閉環(huán)系統(tǒng)在相位調(diào)制器處人為引入的非互易相差一方波調(diào)制偏置相移和階梯波反饋調(diào)制相移，光電探測(cè)器敏感到的光強(qiáng)信 號(hào)尸^0.5x丄xP。x(l+cos(A+疼+A》式中，丄表示光路損耗系數(shù)，戶。表示光源輸出光強(qiáng)， ^表示Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差，且^-4NVI (N是傳感光纖匝數(shù)，V 是傳感光纖Verdet常數(shù)，I是導(dǎo)線中傳輸電流值)，^表示人為引入的方波偏置調(diào)制 相移，A表示人為引入的階梯波反饋調(diào)制相移。光電探測(cè)器響應(yīng)光強(qiáng)信息而輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過放大、濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，然后送入基于DSP+FPGA的數(shù)字信號(hào)處理裝置，經(jīng)信號(hào)處理裝置 解析后以輸出量作為反饋量，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其驅(qū)動(dòng)電路后加載到相位調(diào)制器上， 在兩束相干光間引入一個(gè)與法拉第效應(yīng)相移大小、方向相反的反饋相移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)。發(fā)明 內(nèi)容本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)上，通過在基于DSP+FPGA的數(shù) 字信號(hào)處理器中內(nèi)嵌波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，該波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)光電探測(cè)器輸出的信 息分為閉環(huán)檢測(cè)通道和電壓跟隨通道；所述閉環(huán)檢測(cè)通道用于檢測(cè)Faraday相位差 信息；所述電壓跟隨通道用于獲得補(bǔ)償所需的最小干涉光強(qiáng)參數(shù)A目、最大干涉光 強(qiáng)參數(shù)^_，然后利用時(shí)序解調(diào)得到補(bǔ)償系數(shù)尸=^1*7^7。采用本發(fā)明的波片溫度補(bǔ)償可以使光纖電流互感器在全溫一40 60。C范圍內(nèi)輸出精度從補(bǔ)償前的 0.75%提高到了0.25。/。，補(bǔ)償效果明顯。本發(fā)明是一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于該波片 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)包括有前放電路、第一f莫數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨電路、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 FPGA處理器和DSP處理器，F(xiàn)PGA處理器對(duì)信號(hào)的處理分為解調(diào)單元、累加積分 單元、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元，DSP處理器對(duì)信號(hào)的處理分為濾波單元、補(bǔ)償系數(shù) 獲取單元、修正單元；FPGA處理器一方面對(duì)閉環(huán)檢測(cè)信號(hào)A進(jìn)行解調(diào)、累加積分 后分別輸出數(shù)字反饋信號(hào)A和數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)A ;所述數(shù)字反饋A通過數(shù)禾莫轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換后用于驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，產(chǎn)生反饋相移A以抵消Faraday相移，形成閉環(huán)檢 測(cè)系統(tǒng)；所述數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)A則送往DSP處理器做濾波處理后輸出濾波解調(diào)信 號(hào)Z)2; FPGA處理器另一方面對(duì)電壓信號(hào)FQ進(jìn)行跟隨獲取，從而得到用于檢測(cè)義/ 4波 片溫度補(bǔ)償所需的最小干涉光強(qiáng)參數(shù)A皿、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)尸^ax,并將最小干涉 光強(qiáng)參數(shù)A^、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)A皿輸出給DSP處理器中進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)尸=^^ 丄獲取。 尸細(xì)1 + A所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其前放電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、解調(diào)單元、累加積分 單元、濾波電路形成閉環(huán)檢測(cè)通道。所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其電壓跟隨電路、第二+莫數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲 取單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元形成電壓跟隨通道。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不改變?cè)惺?t/2方波偏置調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)信號(hào)檢 測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過不等占空比方波調(diào)制展寬干涉輸出結(jié)果的尖峰，然后應(yīng)用第二 通道提取波片溫度誤差補(bǔ)償因子，并最終在DSP中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償因子對(duì)互感器系統(tǒng) 輸出結(jié)果的修正。該方法是一種通用的光路誤差無償方法，其它包括光源誤差、起偏 器誤差、相位調(diào)制器誤差，和傳感光纖線性雙折射誤差等，都可以應(yīng)用這種方法加以 補(bǔ)償。


圖1是光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明釆用波片溫度補(bǔ)償?shù)男盘?hào)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3 (A)是光纖電流互感器輸出的波形圖。圖3 (B)是采用本發(fā)明波片溫度補(bǔ)償后的光纖電流互感器輸出的波形圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖2所示，本發(fā)明是一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，該 波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)包括有前放電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨電路、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、FPGA處理器和DSP處理器，F(xiàn)PGA處理器對(duì)信號(hào)的處理可以分為解調(diào)單元、 累加積分單元、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元，DSP處理器對(duì)信號(hào)的處理可以分為濾波單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元。在本發(fā)明中，F(xiàn)PGA處理器一方面對(duì)閉環(huán)檢測(cè)信號(hào)A進(jìn)行解調(diào)、累加積分后分 別輸出數(shù)字反饋信號(hào)《和數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)A;所述數(shù)字反饋A通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換后用于驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，產(chǎn)生反饋相移^以抵消Faraday相移，形成閉環(huán)檢測(cè)系 統(tǒng)；所述數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)A則送往DSP處理器做濾波處理后輸出濾波解調(diào)信號(hào) ￡>2。 FPGA處理器另一方面對(duì)電壓信號(hào)r。進(jìn)行跟隨獲取，從而得到用于檢測(cè)義/4波片溫度補(bǔ)償所需的最小干涉光強(qiáng)參數(shù)Amm、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)A皿，并將最小干涉光強(qiáng)參數(shù)A^、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)iLax輸出給DSP處理器中進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)p = ^l ^獲取。在DSP處理器中對(duì)濾波解調(diào)信號(hào)A與補(bǔ)償系數(shù)尸進(jìn)行累加獲得修正結(jié)果( L送回FPGA處理器作為光纖電流互感器的輸出。在本發(fā)明中，對(duì)光電探測(cè)器敏感到的干涉光強(qiáng)^輸出信號(hào)中包含有閉環(huán)檢測(cè)信 號(hào)和溫度補(bǔ)償所需的所有信息。波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)把光電探測(cè)器輸出信號(hào)分成兩個(gè)通 道 一是閉環(huán)檢測(cè)通道，二是電壓跟隨通道。閉環(huán)檢測(cè)通道包括有前放電路、第一模 數(shù)轉(zhuǎn)換器、解調(diào)單元、累加積分單元、濾波電路。電壓跟隨通道包括有電壓跟隨電路、 第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元?？紤]到第 一模數(shù)轉(zhuǎn)換器電平輸入范圍以及直流分量的影響，在前置運(yùn)放環(huán)節(jié)設(shè)置隔直濾波前放 電路，來提高信噪比的同時(shí)濾除直流分量。在本發(fā)明中，F(xiàn)PGA處理器的溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元根據(jù)時(shí)序關(guān)系解調(diào)、提取最小干涉光強(qiáng)參數(shù)A皿、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)^max。在本發(fā)明中，DSP處理器的補(bǔ)償系數(shù)獲取單元獲取的補(bǔ)償系數(shù)為p=k _^ ，并以補(bǔ)償系數(shù)i>對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字輸出的濾波處理結(jié)果A進(jìn)行修正，修正結(jié)果^,送回FPGA處理器作為光纖電流互感器的補(bǔ)償輸出。所述修正結(jié)果^ =一8NVI (N是傳感光纖匝數(shù)，V是傳感光纖Verdet常數(shù)，I是導(dǎo)線中傳輸電流值)。 在本發(fā)明中，最小干涉光強(qiáng)參數(shù)尸細(xì)=[^4—_|+尸丄4]/2 = ^/2 ，且&=±^, ^表示光電探測(cè)器敏感到的干涉光強(qiáng)，^表示人為引入的方波偏置調(diào)制相移，丄表示光路損耗系數(shù)，尸。表示光源輸出光強(qiáng)。在本發(fā)明中， 最大干涉光強(qiáng)參數(shù) 尺啦x =平[1 _ cos ^ + (1 — W cos(^ _ &)] ￡尸0 (1 - / )，且A = 1 — sin15 sin2、 5表示義/ 4波片位相差，^表示義/4波片對(duì)軸角度，丄表示光路損耗系數(shù)，Po表示光源輸出光強(qiáng)， ^表示Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差，且^-4NVI (N是傳感光纖匝數(shù)，V 是傳感光纖Verdet常數(shù)，I是導(dǎo)線中傳輸電流值)，^表示人為引入的階梯波反饋調(diào)制相移。根據(jù)最小干涉光強(qiáng)參數(shù)Amin 、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)A自，則<formula>formula see original document page 7</formula>若令補(bǔ)償輸出<formula>formula see original document page 8</formula>，則得<formula>formula see original document page 8</formula>。因此，通過引入誤差補(bǔ)償措c/min施，有效地減小了波片位相差溫度誤差造成的影響。未釆用溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w電流互感器輸出的最大干涉光強(qiáng)參數(shù)A^提取需要有足 夠的釆樣時(shí)間，如圖3 (A)所示，當(dāng)采用頻率F-)^等占空比方波調(diào)制方式時(shí)(F稱作互感器本征頻率，r是偏振光在互感器光路中的渡越時(shí)間)，由于最大干涉光強(qiáng)參數(shù)Amax是方波沿跳變時(shí)產(chǎn)生的尖峰，即偏置調(diào)制相位^=0時(shí)形成的峰值，對(duì)于采樣來說，它只是一個(gè)脈沖，峰值的保持時(shí)間無法滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)采 樣要求。根據(jù)最大干涉光強(qiáng)參數(shù)^,形成原理，通過改變調(diào)制方式檢測(cè)其值。本發(fā) 明通過采用不等占空比方波調(diào)制，首先使得尖峰脈沖得到展寬，然后通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)最大干涉光強(qiáng)參數(shù)^max的采樣提取。本發(fā)明采用不等占空比方波調(diào)制的原理如圖3 (B)所示。本發(fā)明公開的一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償方法，在不改變?cè)?土^方波偏置調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過不等占空比方波調(diào)制展寬干涉輸出結(jié)果的尖峰，然后應(yīng)用電壓跟隨通道提取^波片溫度誤差補(bǔ)償因子，并最終在DSP處理器中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償因子對(duì)光纖電流互感器閉環(huán)系統(tǒng)輸出結(jié)果 的修正。應(yīng)用本發(fā)明波片溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w電流互感器在全溫條件下(一40 6(TC)， 輸出精度從補(bǔ)償前的0.75%提高到了補(bǔ)償后的0.25%。
權(quán)利要求
1、一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于該波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)包括有前放電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨電路、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA處理器和DSP處理器，F(xiàn)PGA處理器對(duì)信號(hào)的處理分為解調(diào)單元、累加積分單元、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元，DSP處理器對(duì)信號(hào)的處理分為濾波單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元；FPGA處理器一方面對(duì)閉環(huán)檢測(cè)信號(hào)D0進(jìn)行解調(diào)、累加積分后分別輸出數(shù)字反饋信號(hào)F1和數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)D1；所述數(shù)字反饋F1通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后用于驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，產(chǎn)生反饋相移φR以抵消Faraday相移，形成閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)；所述數(shù)字解調(diào)輸出信號(hào)D1則送往DSP處理器做濾波處理后輸出濾波解調(diào)信號(hào)D2；FPGA處理器另一方面對(duì)電壓信號(hào)V0進(jìn)行跟隨獲取，從而得到用于檢測(cè)λ/4波片溫度補(bǔ)償所需的最小干涉光強(qiáng)參數(shù)Pdmin、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)Pdmax，并將最小干涉光強(qiáng)參數(shù)Pdmin、最大干涉光強(qiáng)參數(shù)Pdamx輸出給DSP處理器中進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>P</mi><mrow> <mi>d</mi> <mi>max</mi></mrow> </msub> <msub><mi>P</mi><mrow> <mi>d</mi> <mi>min</mi></mrow> </msub></mfrac><mo>&ap;</mo><mfrac> <mn>2</mn> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>h</mi> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100564865C00011.gif" wi="120" he="41" img-content="drawing" img-format="tif"/-->獲取。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于前放電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、解調(diào)單元、累加積分單元、濾波電路形成閉環(huán)檢測(cè)通道。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于電壓跟隨電路、第二模 數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元形成電壓跟隨 通道。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于FPGA處理器的溫度補(bǔ) 償參數(shù)獲取單元，艮據(jù)時(shí)序關(guān)系解調(diào)、提取最小干涉光強(qiáng)參數(shù)A目、最大干涉光強(qiáng) 參數(shù)A皿。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于DSP處理器的補(bǔ)償系 數(shù)獲取單元獲取的補(bǔ)償系數(shù)為p = :^l ^ ，并以補(bǔ)償系數(shù)/>對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字輸出的濾波處理結(jié)果A進(jìn)行修正，修正結(jié)果t,送回FPGA處理器作為光纖電流 互感器的補(bǔ)償輸出。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于所述修正結(jié)果^,= 一 8NVI，其中N是傳感光纖匣數(shù)，V是傳感光纖Verdet常數(shù)，I是導(dǎo)線中傳輸電流值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于最大干涉光強(qiáng)參數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>，且<formula>formula see original document page 3</formula> 5表示義/4波片位相差，e表示義/4波片對(duì)軸角度，丄表示光路損耗系數(shù)，尸。表示光源 輸出光強(qiáng)，A表示Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差，且^ =4NVI (N是傳 感光纖匝數(shù)，V是傳感光纖Verdet常數(shù)，I是導(dǎo)線中傳輸電流值)，^表示人為引入的階梯波反饋調(diào)制相移。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于最小干涉光強(qiáng)參數(shù) <formula>formula see original document page 3</formula>， A表示光電探測(cè)器敏感到的干涉光強(qiáng)，^表示人為引入的方波偏置調(diào)制相移，丄表示光路損耗系數(shù)，P。表示光 源輸出光強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于光纖電流互感器的波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，該波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)包括有前放電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨電路、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA處理器和DSP處理器，F(xiàn)PGA處理器對(duì)信號(hào)的處理可以分為解調(diào)單元、累加積分單元、溫度補(bǔ)償參數(shù)獲取單元，DSP處理器對(duì)信號(hào)的處理可以分為濾波單元、補(bǔ)償系數(shù)獲取單元、修正單元。本發(fā)明波片溫度補(bǔ)償系統(tǒng)在不改變?cè)小捆?2方波偏置調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過不等占空比方波調(diào)制展寬干涉輸出結(jié)果的尖峰，然后應(yīng)用電壓跟隨通道提取λ/4波片溫度誤差補(bǔ)償因子，并最終在DSP處理器中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償因子對(duì)光纖電流互感器閉環(huán)系統(tǒng)輸出結(jié)果的修正。
文檔編號(hào)G01R1/00GK101216502SQ20081005648
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者張春熹, 張朝陽, 霞 李, 李傳生, 王夏霄 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)