基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器及检测方法与流程

本发明涉及一种基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器及检测方法。

背景技术：

相比于传统的电磁式电流互感器，光学电流互感器具有绝缘结构简单、无磁饱和、抗电磁干扰能力强、测量频带宽等优点，是智能电网一次设备的研究热点。目前，多数光学互感器采用线阵CCD(Charge Coupled Device)相机对光斑定位实现了电流测量，克服了传统光强检测模式的诸多缺陷，如动态测量范围窄、非线性、光功率依赖性、线双折射干扰和温漂等，提高了互感器的实用性。但是，基于线阵CCD的光斑图像定位方法存在诸多不足，例如成本高、算法误差大、需要将旋转图像转换为平移图像、测量分辨率受图像转换器的光纤数量和CCD相机像元尺寸的限制等，尤其在测量小电流时，因分辨率不足导致测量误差较大，难以满足S级要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器及检测方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器，包括依次设置于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜、扩束器、径向检偏光栅、四象限探测器以及信号处理系统；还包括一开设有气隙的集磁环，待检测载流导线穿过该集磁环，所述磁光薄膜设置于该集磁环的气隙之间。

进一步的，还提供一种基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器的检测方法，光信号从所述激光源经过所述起偏器后得到线偏振光；所述线偏振光经过所述磁光薄膜，所述偏振光的偏振面在所述待检测载流导线电流磁场的作用下产生旋转，形成一旋转角；所述线偏振光通过所述扩束器后，将光斑放大；再经过所述径向检偏光栅后得到一个形状固定的光斑，光斑与旋转角同步旋转；旋转的光斑通过所述四象限探测器后，由光信号转变为电信号，通过所述信号处理系统采集该电信号，并通过运算得出旋转角的大小，从而得到所述待检测载流导线中待测的电流值。

在本发明一实施例，所述旋转角的大小是电流磁场强度、通光长度及磁光薄膜费尔德常数的线性函数。

在本发明一实施例，经过所述径向偏振光栅后的出射光矢为：

其中，A为偏振光振幅，t_φ为光栅的透光率，θ₀为磁致旋转角；

且光斑的光强分布函数为：

式中，R1，R2分别为所述径向偏振光栅的内半径和外半径。

在本发明一实施例，所述四象限探测器检测到的电流i和磁致旋转角的关

系满足：

其中，L₀为集磁环气隙长度，l₀为磁光薄膜厚度，V为磁光薄膜费尔德常数。

在本发明一实施例，所述磁致旋转角θ₀为：

其中，X为四象限探测器的输出值。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用径向偏振光栅将法拉第旋光角转换为环形光斑条纹的同步旋转，由四象限探测器对光斑定位得到磁致旋转角的大小，从而实现对电流的实时测量，相比于采用图像转换器和CCD工业相机的检测方法，成本降低了95％，性价比优势明显；且由于四象限探测器输出为模拟信号，不受CCD相机像元大小和图像转换器光纤数量的限制，测量分辨率提升了近100倍，测量准确度从0.5级提高到0.2S级。

附图说明

图1是本发明一实施例中基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器的结构图。

图2为本发明一实施例中径向检偏光栅的结构示意图。

图3为本发明一实施例中径向检偏光栅中光栅的结构示意图。

图4是本发明一实施例中四象限探测器的结构示意图。

图5是本发明一实施例中所测的环形光斑图样。

【标号说明】：1-激光源；2-起偏器；3-磁光薄膜；4-扩束器；5-径向检偏光栅；6-四象限探测器；7-信号处理系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种基于四象限探测器实现的线性光学电流传感器，如图1所示，包括依次设置于同一光路上的激光源1、起偏器2、磁光薄膜3、扩束器4、径向检偏光栅5、四象限探测器6以及信号处理系统7；还包括一开设有气隙的集磁环，待检测载流导线穿过该集磁环，磁光薄膜设置于该集磁环的气隙之间。

进一步的，在本实施例中，集磁环气隙小于15mm，且磁场分布均匀。

进一步的，在本实施例中，如图2以及图3所示，径向检偏光栅为圆形，内径为4mm，外径为5mm；光栅栅条为铝金属，间距为50nm。

进一步的，在本实施例中，光信号从激光源1经过起偏器2得到线偏振光，再到磁光薄膜3上，偏振光的偏振面在载流导线电流磁场的作用下产生旋转，旋转角的大小是电流磁场强度、通光长度及磁光薄膜费尔德常数的线性函数，线偏振光通过扩束器4后光斑得到放大，再经过径向检偏光栅5后得到一个形状固定的光斑，光斑与旋转角同步旋转，旋转的光斑在四象限探测器6由光信号转变为电信号，利用信号处理系统7采集电信号，并通过一系列的反正弦和多项式运算就可以得出旋转角的大小，从而得到待测的电流值。

进一步的，在本实施例中，以基于径向检偏的电流互感器为例，其最终光斑图像如图4所示。经过径向偏振光栅后的出射光矢为：

式中，A为偏振光振幅，t_φ为光栅的透光率，θ₀为磁致旋转角。

则光斑的光强分布函数为：

式中，R1，R2分别为径向偏振光栅的内半径和外半径。

如图5所示，通过积分运算，得出四象限探测器上各个区域内的光能量E_A、E_B、E_C、E_D分别为：

四路的输入光信号通过电路处理，形成电压，再通过如下运算得到四象限探测器的输出值X为：

则可得到磁致旋转角θ₀为：

四象限探测器检测到的电流i和磁致旋转角的关系满足：

其中，L₀为集磁环气隙长度，l₀为磁光薄膜厚度，V为费尔德常数。

进一步的，如图4为四象限探测器的结构示意图。如图5中为线偏振光通过径向检偏光栅后的光斑图样，其光斑图像固定，随着待测电流大小而发生旋转。由径向偏振铝金属光栅对法拉第磁致旋光角解调后得到同步旋转的光斑图像，由四象限探测器测量光斑图像的旋转角度，相比于采用CCD相机，在±40°磁致旋转角范围内测量分辨率提高了近100倍，测量准确度从0.5级提高到了0.2S级，成本降低了95％。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。