专利名称：光纤直流磁光探测系统和方法
技术领域：
本发明涉及光学应用领域，具体而言，涉及光纤直流磁光探测系统和方法。
背景技术：
由于直流输电具有大容量、高传输效率、低电磁辐射等优点，在现代新一代能源传 输中开始被重视。由于是直流输电，传输线上的电流无法通过采用电磁感应的互感器来测 量，如何测量直流电流成为技术难题。有人通过霍尔效应来测量直流电流，但其灵敏度较 低，设备成本较高且很难进行高压绝缘。 目前，法拉第效应等磁光效应广泛应用于电流和磁场的测量。法拉第效应可由磁 光玻璃、磁光晶体、或光纤等材料来实现。由于通常磁光效应的载体光强是一直流信号，且 很难保证在几年甚至十几年的使用寿命内保持不变。如果用磁光效应来测量直流磁场或电 流，就会碰到电流信号和光强信号无法分开的难题。 如图1所示，为相关技术中的光纤磁光测量系统，该系统由电源和信号处理模块 400、磁光探头100和传导的光纤装置200构成。电源和信号处理模块400发出的激光通过 光纤装置200传导到磁光探头100中，磁光探头根据一定的光学原理，如法拉第磁光效应，
设计来感知磁光探头ioo所处环境的磁场，并把磁场信号转变成光信号，光信号载在上述
激光中通过光纤装置200传回电源和信号处理模块400，电源和信号处理模块400根据收到
的光信号，经过数据处理，得到测量点的有关磁场信息。 图1所示系统的测量过程可由下式(1)描述 I = I0(l+ClH) (1) 其中I表示电源和信号处理模块400中光电探测器测到的光信号，I。是与激光发 光光强、透过率等相关的参数；Cl是磁光参数，与磁光材料及磁光探头100的偏振检测机构 有关，H是被测磁场。通常情况下，1。和q都会受环境因素的影响。如果被测的磁场H是 交流的，可以对直流成分I。和交流成分I。 Cl H分别测量，并相除从而得到q H。如果q不 随温度变化，测量结果将能很好地反映被测磁场，否则，需要去除环境因素对q的影响。如 果被测的磁场H是直流信号，上述方法将不能去除I。，进而导致测量的结果不准确。
同时，发明人在实现本发明的过程中发现应用各种材料进行磁光测量，都会受到 温度、应力等环境因素或被测磁场的强度影响，这些影响将会导致测量不准确。特别是，发 明人发现石榴石磁光晶体等材料，在一定强度的直流或交变外磁场作用下，其微观磁畴会 产生不规律的扰动，进而影响光学特性，使测量出现不确定性。并且，针对这些问题目前尚 未提出合理的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种光纤直流磁光探测系统和方法，能够通过实时校正的方法来 去除环境因素的影响而得到准确的测量数据等。 根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种光纤直流磁光探测系统，所述系统包括电源和信号处理模块、光纤装置、参考装置和磁光探头；其中，电源和信号处理 模块，用于通过所述光纤装置向所述磁光探头发送激光；以及分两路接收来自所述磁光探 头的由所述激光承载的光信号，并分别将两路光信号转变为两路电信号，根据所述参考装 置发送的参考磁场脉冲信号对所述两路电信号进行处理，得到所述测量点的自身磁场信息 和/或电流信息； 光纤装置，用于将来自所述电源和信号处理模块的激光分成两路，分别将所述两 路激光发送至所述磁光探头的两端，以及将来自所述磁光探头的光信号分两路发送至所述 电源和信号处理模块； 参考装置，用于在测量点产生一个幅值和形状已知的参考磁场脉冲信号； 磁光探头，用于检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，所述
磁场信号为所述参考磁场脉冲信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；还用
于接收所述两路激光，将转变后的光信号分别承载在所述两路激光上发送。 根据本发明的另一个方面，本发明实施例提供了一种光纤直流磁光探测方法，所
述方法包括 电源和信号处理模块发送激光； 光纤装置将所述激光分成两路，分别将所述两路激光发送至所述磁光探头的两
丄山
顺； 磁光探头接收所述两路激光，并检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转 变为光信号，将转变后的光信号分别承载在所述两路激光上发送；所述磁场信号为参考磁 场脉冲信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；其中所述参考磁场脉冲信号 是参考装置在测量点产生的幅值和形状已知的信号； 所述光纤装置将来自所述磁光探头的光信号分两路发送至所述电源和信号处理 模块； 所述电源和信号处理模块分两路接收来自所述磁光探头的光信号，并分别将两路 光信号转变为两路电信号，根据所述参考磁场脉冲信号对所述两路电信号进行处理，得到 所述测量点的自身磁场信息和/或电流信息。 采用参考装置产生的参考磁场脉冲信号校正测量到的信号，来去除环境因素对测 量的影响，进而得到准确的测量数据，提高了系统的测量精度。解决了高灵敏度、大量程直 流电流的测量难题。
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中 图1示出了相关技术中光纤磁光探测系统的结构框图； 图2示出了本发明实施例1提供的光纤直流磁光探测系统的结构框图； 图3示出了本发明实施例2提供的光纤直流磁光探测系统的结构柜图； 图4示出了本发明实施例2提供的光电探测器中探测到的信号中成分组成和关系
的示意图； 图5示出了本发明实施例3提供的光纤直流磁光探测系统的结构框 图6示出了本发明实施例4提供的光纤直流磁光探测方法的流程图。
具体实施例方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1 如图2所示，本实施例提供了一种光纤直流磁光探测系统，该系统包括磁光探头 100、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，其中，磁光探头100和参考装 置300被至于测量点周围，测量点的位置可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全 的近地低电势的地方，它们之间通过电绝缘的传导光纤装置200连接；
电源和信号处理模块400，用于通过光纤装置200向磁光探头100发送激光；以及 分两路接收来自磁光探头100的并承载在上述激光上的光信号，并分别将两路光信号转变 为两路电信号，根据参考装置300发送的参考磁场脉冲信号对两路电信号进行处理，得到 测量点的自身磁场信息和/或电流信息； 光纤装置200，用于将来自电源和信号处理模块400的激光分成两路，分别将两路 激光发送至磁光探头100的两端，以及将来自磁光探头100的并承载在上述激光上的光信 号分两路发送至电源和信号处理模块400 ; 参考装置300，用于在测量点产生幅值和形状已知的参考磁场脉冲信号；
磁光探头IOO，用于检测测量点的磁场信号，将磁场信号转变为光信号，磁场信号 为参考磁场脉冲信号和测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；还用于接收两路激光， 将转变后的光信号分别承载在两路激光上发送。 本实施例采用的是法拉第磁光效应的光纤直流磁场或电流的测量方法，能够对测
量的结果进行实时校准，解决了高灵敏度、大量程直流电流的测量难题。 本实施例提供的系统采用参考装置产生的参考磁场脉冲信号校正测量到的信号，
来去除环境因素对测量的影响，进而得到准确的测量数据；同时，本系统由于采用了光学方
法，信号传播路径全部采用绝缘体，进而实现了的高压电网中的安全隔离。 实施例2 参见图3，本实施例提供了一种光纤直流磁光探测系统，该系统包括磁光探头
100、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，其中，磁光探头100和参考装
置300被至于测量点周围，测量点的位置可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全
的近地低电势的地方，它们之间通过电绝缘的传导光纤装置200连接； 其中，电源和信号处理模块400至少包括激光器41、光电探测器42a和42b，控制
和信号处理模块44 ; 激光器41，用于通过光纤装置200向磁光探头100发送激光； 两个光电探测器42a和42b，用于分别接收来自磁光探头100的并承载在上述激光
上的光信号，分别将光信号转变为电信号后发送； 控制和信号处理模块44，用于接收两个光电探测器42a和42b发送的电信号，根据 参考装置300发送的参考磁场脉冲信号对电信号进行处理，得到测量点的自身磁场信息和 /或电流信息。 光纤装置200包括连接的光纤若干和一个分路器21、以及两个回路器22a和22b，
6激光器41发出激光经过分路器21被分成两路，分别经过回路器22a和22b从磁光探头100 的两端进入，并以相反的方向通过磁光探头100中的磁敏材料，经由另一端发出去，然后分 别通过回路器22b和22a，到光电探测器42a和42b上进行光电转换。参考装置300的作用 是在测量点上产生幅值和形状已知，且不受环境因素变化的参考磁场脉冲信号，该参考磁 场脉冲信号与被测直流磁场信号线性叠加后被磁光探头100感知。这样，由于两路光经过 磁光探头100的光路完全一样而方向相反，使得光电探测器42a和42b上检测的信号可由 公式(2)和(3)表示: Ia = Ia0[l+Cl(H+Hr)] (2) Ib = Ib0[l-Cl(H+Hr)] (3) 式中Ia和Ib是光电探测器42a和42b检测到的信号，Ia。和Ib。是与两光路透过
率、分路器21分光比及探测器灵敏度等相关的参数，Cl是与磁光探头100在某时刻环境条
件下的磁光灵敏参数，H是被测磁场，&是参考脉冲磁场。参数Ia。、 Ib。及Cl都可能受环境
因素影响。 如图4所示，为光电探测器42a和42b上信号元素之间的关系，由图4可以看出，
参考脉冲磁场信号的幅值IM和IA可以在信号中分离，即
Ira = IaoClHr (4)
Irb = IboClHr (5)
从而可知幅值比例Q (6)
々0 八Z) 这样，通过下式进行数据处理就可得到与环境因素直流项无关的信号
S = Ia_Ib rab = Ia。Cl (H+Hr) (7) 如下式所示，信号S中的直流项用S表示，脉冲用Sr，它们还可以相互分开，进一步 进行相除就可得到被测磁场与参考磁场的比例 S = IacAH (8)
Sr = Ia(|ClHr (9)r = |"=, (10) 由于，参考磁场的脉冲幅值是一不变量，通过测得的r，就可以得到被测直流磁场 的值。由于本实施例提供的系统中的控制和信号处理模块44进行数据处理后，去除了受环 境因素影响的参数Ia。、 Ib。及q，所以测量结果完全由参考磁场脉冲信号的精度来决定，根 据参考磁场脉冲信号可以确定被测的磁场信号，提高了测量的准确度。
实施例3 参见图5，本实施例提供了一种光纤直流磁光探测系统，该系统包括两个磁光探 头100a和100b、光纤装置200、参考装置300和电源和信号处理模块400，其中，磁光探头 100a和100b、参考装置300被至于测量点(例如:载流导体)800周围，测量点800的位置 可以是高电势，电源和信号处理模块400置在安全的近地低电势的地方，它们之间通过电 绝缘的传导光纤装置200连接； 本实施例中的电源和信号处理模块400包括两个激光器41a和41b ;参考激光器
743 ;光电探测器42a、42b、42c和42d ;控制和信号处理模块44 ;参考激光器43可根据控制 和信号处理模块44的指令在指定的时刻发出指定强度和形状的参考激光。指定强度是一 个预先指定的光强度，能使参考装置300产生高精度、高重复性的磁场信号。其中，激光器 41a、光电探测器42a、42b为一组光处理子模块，激光器41b，光电探测器42c和42d为另一 组光处理子模块； 本实施例的磁光探头100由磁光探头100a和100b组成，它们对称地放置在测量 点800的两侧，用来感应测量点800中电流产生的磁场。测量点800中的直流电流方向是 与示意的纸面垂直，向内或外都可以。 光纤装置200至少包括光纤、分路器和回路器，本实施例中光纤装置200包括光 纤、两个分路器21a和21b，四个回路器22a、22b、22c和22d，他们的连接关系如图5所示； 其中，光纤、分路器21a，回路器22a、22b为一组传输模块，光纤、分路器21b、回路器22c和 22d为另一组传输模块； 激光器41a发出的激光被引入分路器21a中，分路器21a将该激光均分成两束，经 过回路器22a和22b后，分别从磁光探头100a的两端进入，并以相反的方向通过磁光探头 100a中的磁敏材料，经由另一端出去，然后分别通过回路器22c和22d，传输到光电探测器 42a和42b上进行光电转换。同样，激光器41b发的激光被引入分路器21b中，分路器21b 将该激光均分成两束，经过回路器22c和22d后，分别从磁光探头100b的两端进入，并以相 反的方向通过磁光探头100b中的磁敏材料，经由另一端出去，然后分别通过回路器22c和 22d，到光电探测器42c和42d上进行光电转换。 参考装置300包括传导光纤31、光电转换模块32、导线33、线圈34a和34b、温度 补偿器件35(可选的)；传导光纤31将参考激光器43发送的参考激光信号传输到光电转 换模块32中；光电转换模块32将参考激光信号转变成参考电流信号；线圈34a、34b及温 度补偿器件35通过导线33串接，并联到光电转换模块32的电流输出端；线圈34a和34b 分别套在磁光探头100a和100b的外面；参考激光信号产生的光电流经过线圈34a和34b 产生已知恒定的参考磁场脉冲信号；参考磁场脉冲信号和被测磁场线性叠加后被磁光探头 100a和100b检测；温度补偿器件35的作用是补偿由于温度变化造成线圈34a和34b光电 管电阻变化，进而造成参考电流的漂移。 根据上述系统，本实施例光电探测器42a、42b、42c和42d上探测到的信号将可由
下列的式子来描述 Ia = Ia。[l+c應+Hn)] (11) Ib = Ib。[l—q(H,Hn)] (12) Ic = Ic0[l+c2(H2_Hr2)] (13) Id = Id0[l_c2(H2-Hr2)] (14) 上列式中Ia、 Ib、 Ia、 Ib分别表示四个光电探测器42a、42b、42c和42d检测到的信
号；Ia。、 Ib。、 I。。、 Id。是与四光路透过率、分路器分光比及探测器灵敏度等相关的参数；cp c2 是与磁光探头在某时刻环境条件下的磁光灵敏参数；&、 H2是被测直流电流在两磁光探头 处产生的磁场，由于磁光探头100a和100b分别放置在测量点800对称的两侧，所以&、 H2 可能相近，但并一定相等；Hn、 Hrt是相同的光电流产生的参考磁场脉冲信号，可能由于线圈 的结构造成它们不完全相等，但它们各自是一个确定值。
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根据本实施例中描述的信号处理方法，分别处理从两个磁光探头中返回来的信
号，可以得到被测磁场和参考磁场的比值
<formula>formula see original document page 9</formula> 从而得到不受环境因素影响的与测量点800中直流电流相对应的测量值
<formula>formula see original document page 9</formula>
如果进一步考虑测量点800的外磁场干扰，测量点800的磁场包括测量点800中 电流产生的磁场和外磁场干扰，即<formula>formula see original document page 9</formula>
式中I表示测量点800中的电流；Hdis是干扰磁场；a p a工是确定的参数。对测
到的信号进行差分就可去除干扰磁场；<formula>formula see original document page 9</formula> 上式中ri和r2为测量所得到，a p a丄和Hrl、 Hr2是已知量或确定量，所以根据巧
和IV就可准确地得到所需测的直流电流值。在实际操作中，a"、和Hn、H^并不需要去
测定，由于式(21)确定，可以用其它标准设备的测量值对设备进行标定。 采用法拉第磁光效应的光纤直流磁场或电流的测量方法，根据参考磁场脉冲信号
能够对测量的结果进行实时校准，解决了高灵敏度、大量程直流电流的测量难题，并且能够
得到较为准确的测量结果；同时，本系统由于采用了光学方法，信号传播路径全部采用绝缘
体，进而实现了的高压电网中的安全隔离。 实施例4 参见图7，本发明实施例提供了一种光纤直流磁光探测方法，该方法以在实施例1
提供的系统上实现为例进行说明，该方法包括 步骤501，电源和信号处理模块400发送激光； 步骤502，光纤装置200将激光分成两路，分别将两路激光发送至磁光探头100的 两端； 步骤503，磁光探头100接收两路激光，并检测测量点的磁场信号，将磁场信号转 变为光信号，将转变后的光信号分别承载在两路激光上发送；磁场信号为参考磁场脉冲信 号和测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；其中参考磁场脉冲信号是参考装置300在 测量点产生的幅值和形状已知的信号， 步骤504，光纤装置200将来自磁光探头100的光信号分两路发送至电源和信号处 理模块400 ; 步骤505，电源和信号处理模块400分两路接收来自磁光探头100的光信号，并分别将两路光信号转变为两路电信号，根据参考磁场脉冲信号对两路电信号进行处理，得到 测量点的磁场信息和/或电流信息。 本实施例采用法拉第磁光效应的光纤直流磁场或电流的测量方法，根据参考磁场 脉冲信号能够对测量的结果进行实时校准，解决了高灵敏度、大量程直流电流的测量难题， 并且能够得到较为准确的测量结果；同时，本系统由于采用了光学方法，信号传播路径全部 采用绝缘体，进而实现了的高压电网中的安全隔离。 以上实施例中的磁光探头100中感知磁场的材料，可以是磁光玻璃，也可以是磁 光晶体，也可以是光纤本身。磁光探头100在测量中的数量可以是一个也可以是多个。电 源和信号处理模块400中可以设置一套光电探测器，也可以是多套，用于检测是否有光或 电信号传输过来，该光电探测器可以应用差分等各种技术。所有这些变项，都不妨碍本实施 例提供的系统的实施。尽管在上述实施例中采用磁光晶体测量系统进行描述，但并不妨碍 对采用本发明精髓的各种应用的涵盖。 从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果 采用法拉第磁光效应的光纤直流磁场或电流的测量方法，能够对测量的结果进行
实时校准，解决了高灵敏度、大量程直流电流的测量难题，并且能够得到较为准确的测量结
果；同时，本系统由于采用了光学方法，信号传播路径全部采用绝缘体，进而实现了的高压
电网中的安全隔离。 显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成 的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在 存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中 的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬 件和软件结合。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种光纤直流磁光探测系统，其特征在于，所述系统包括电源和信号处理模块、光纤装置、参考装置和磁光探头；其中，电源和信号处理模块，用于通过所述光纤装置向所述磁光探头发送激光；以及分两路接收来自所述磁光探头的由所述激光承载的光信号，并分别将两路光信号转变为两路电信号，根据所述参考装置发送的参考磁场脉冲信号对所述两路电信号进行处理，得到所述测量点的自身磁场信息和/或电流信息；光纤装置，用于将来自所述电源和信号处理模块的激光分成两路，分别将所述两路激光发送至所述磁光探头的两端，以及将来自所述磁光探头的光信号分两路发送至所述电源和信号处理模块；参考装置，用于在测量点产生一个幅值和形状已知的参考磁场脉冲信号；磁光探头，用于检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为光信号，所述磁场信号为所述参考磁场脉冲信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；还用于接收所述两路激光，将转变后的光信号分别承载在所述两路激光上发送。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源和信号处理模块包括 激光器，用于通过所述光纤装置向所述磁光探头发送激光；两个光电探测器，用于分别接收来自所述磁光探头的由所述激光承载的光信号，分别 将所述光信号转变为电信号后发送；控制和信号处理模块，用于接收所述两个光电探测器发送的电信号，根据所述参考装 置发送的参考磁场脉冲信号对所述电信号进行处理，得到所述测量点的磁场信息和/或电 流信息。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤装置包括 分路器，用于将来自所述电源和信号处理模块的激光分成两路；第一回路器和第二回路器，用于分别将所述分路器发出的两路激光发送至所述磁光探 头的两端，以及分别接收来自所述磁光探头发送的由所述激光承载的光信号，并分别将所 述光信号发送至所述电源和信号处理模块。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源和信号处理模块包括两组光处 理子模块、控制和信号处理模块和参考激光器，其中，所述两组光处理子模块都包括激光器，用于通过所述光纤装置向一个磁光探头发送激光；两个光电探测器，用于分别接收来自所述磁光探头的由所述激光承载的光信号，分别 将所述光信号转变为电信号后发送；控制和信号处理模块，用于接收所述两组光处理子模块发送的电信号，根据所述参考 装置发送的参考激光信号对所述电信号进行处理，得到所述测量点的磁场信息和/或电流 信息；参考激光器，用于在指定时间通过所述光纤装置向所述参考装置发送指定强度的参考 激光信号；相应地，所述参考装置，用于根据所述参考激光信号在测量点产生幅值和形状已知的 参考磁场脉冲信号；相应地，所述光纤装置包括两组传输模块，所述两组传输模块都包括 分路器，用于将来自一组光处理子模块的激光分成两路；两个回路器，用于分别将所述分路器发出的两路激光发送至一个磁光探头的两端，以 及分别接收来自所述磁光探头发送的由所述激光承载的光信号，并分别将所述光信号发送 至所述电源和信号处理模块；相应地，所述磁光探头为两个，分别对称地置于所述测量点的两侧。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述参考装置包括 光电转换模块，用于通过传导光纤接收来自所述电源和信号处理模块的参考激光信 号，将所述参考激光信号转变为电流信号输出；以及套在一个磁光探头外面的第一线圈和套在另一个磁光探头外面的第二线圈，所述第一 线圈和所述第二线圈通过导线并联到所述光电转换模块的电流输出端以接收所述电流信 号，用以产生幅值和形状已知的参考磁场脉冲信号。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈之间串接有温度补偿器，用于补偿由于温度变化造成所 述第一线圈和所述第二线圈的电阻变化。
7. 根据权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述磁光探头中感知 磁场的材料是磁光玻璃、磁光晶体或光纤。
8. —种光纤直流磁光探测方法，其特征在于，所述方法包括 电源和信号处理模块发送激光；光纤装置将所述激光分成两路，分别将所述两路激光发送至所述磁光探头的两端； 磁光探头接收所述两路激光，并检测所述测量点的磁场信号，将所述磁场信号转变为 光信号，将转变后的光信号分别承载在所述两路激光上发送；所述磁场信号为参考磁场脉 冲信号和所述测量点产生的自身磁场信号叠加后的信号；其中所述参考磁场脉冲信号是参 考装置在测量点产生的幅值和形状已知的信号；所述光纤装置将来自所述磁光探头的光信号分两路发送至所述电源和信号处理模块；所述电源和信号处理模块分两路接收来自所述磁光探头的光信号，并分别将两路光信 号转变为两路电信号，根据所述参考磁场脉冲信号对所述两路电信号进行处理，得到所述 测量点的自身磁场信息和/或电流信息。
全文摘要
本发明提供了一种光纤直流磁光探测系统和方法，属于光学应用领域。所述系统包括电源和信号处理模块、光纤装置、磁光探头和参考装置，本发明在所述系统中安装了参考装置，通过该参考装置产生的参考磁场脉冲信号可以校正测量到的信号，来去除环境因素对测量的影响，进而得到准确的测量数据，提高了系统的测量精度。
文档编号G01R19/00GK101769999SQ20091020216
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者袁海骏 申请人:上海舜宇海逸光电技术有限公司