闭环光纤电流互感器的制作方法

专利名称：闭环光纤电流互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种光纤电流互感器，尤其涉及一种闭环的全光纤方案的电流互感器，它的传感部件和光信号传输部件都是光纤，它的信号处理部分采用ー种相关检测方案的多闭环技木。
背景技术：
电流互感器是电カ输变电网络中最基本、最重要的检测设备之一，它的作用主要包括一、将输电线路上高电压环境中的大电流数值降到可以用二次仪表直接测量的数值，以便于用普通仪表进行測量；ニ、为各种监控及保护设备提供电信号，以监测电カ系统的安全和稳定运行；三、对高电压一次设备和低电压的二次设备进行隔离。因此，电流互感器的性能与电カ系统的安全、可靠和经济运行状况密切相关。电カ 系统中，常规的电流检测设备是采用以电磁互感原理为基础的电流互感器。在高电压、大电流和强功率的电カ系统中，这种传统电流互感器暴露出一系列严重的缺点潜在的突然失效危险、绝缘困难、铁芯磁饱和、二次侧负荷开路等等。光纤电流互感器由于其固有特点而具备传统电磁式电流互感器不可比拟的优势。随着其可靠性的不断提高，光纤电流互感器将成为电カ领域电能计量和保护使用的主要选用设备，已逐步成为国内外业界共识。安培定律指出，当导体内有电流流过时，其周围会产生闭合磁场，采用法拉第磁光效应的办法测量出该磁场就能得到导体内流过电流的大小。光纤电流互感器通常是到体外绕上一定圈数的光纤形成一个光纤传感单元。当导体内有电流流过时，根据法拉第效应，其周围的磁场将使得传感光纤内传输光的偏振方向变化ー个角度，測量出角度的变化量就能得到导体内流过的电流大小。由于该角度很小，直接測量角度来确定电流大小精度很低，因此采用干涉测量的方法，把偏振光角度旋转转变成光的相位变化量，再通过干涉后应用基于相关调制解调的微弱信号处理方法进行提取。但是，现有的光纤电流互感器存在以下一些缺点1、光路系统结构复杂，不利于系统集成；2、光路中的元件容易受到温度等工作条件的影响，測量误差大，不能实现闭环反馈。现有的光纤电流互感器技术參见CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A
坐寸ο
发明内容本发明的目的在于以下几个方面一、光路系统结构简单、便于集成和模块化；ニ、所用光学元件体积小、重量轻，且不受电磁干扰，对被測量也没有干扰；三、利用反射式光路和简单光器件实现正交偏振光的模式互換，形成互易性光路，提高光路抗干扰能力；四、采用多个闭环技术，有效克服光源功率衰减、光相位调制器半波电压漂移造成的系统测量误差，提高互感器运行稳定性和可靠性。[0008]为了简化系统并有效提高系统可靠性，有必要针对传感的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计。鉴于上述情况，本发明提供一种闭环光纤电流互感器，包括光源、光源驱动单元、光电探测器、光学器件集成组件、传感头，其中，光学器件集成组件，用于将光源输出的光线起偏并分解为模式正交的两束线偏振光，然后把所述两束线偏振光耦合在同一根保偏光纤的两个正交模式上并传输至传感头；接收从传感头处返回的光线并使得返回的光线在所述光学器件集成组件中发生干渉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息，在两束线偏振光间叠加偏置调制相位和反馈调制相位；闭环信号处理单元，接收光电探測器的输出信号，对该信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给光器件集成组件和光源驱动单元；光源驱动单元，用于给光源提供恒流和温控信息，同时接收信号处理单元的反馈信号输入，使光源输出稳定的光強。根据本发明的ー个方面，所述光学器件集成组件包括分光合光器件、保偏光纤、光相位调制器、光延迟器。 根据本发明的ー个方面，所述光器件集成组件包括分光合光器件、保偏光纤、光起偏器、光相位调制器、光延迟器。根据本发明的ー个方面，所述光器件集成组件包括第一分光合光器件、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器。根据本发明的ー个方面，所述闭环信号处理单元包括模拟放大滤波単元、模数转换单元、主回路数字逻辑电路、数模转换単元、2 π电压控制单元以及滤波单元。根据本发明的ー个方面，采用方波偏置调制方式，在两束相干偏振光间引入土 η /2偏置调制相位差；采用阶梯波反馈调制方式在两束相干偏振光间引入与传感头处形成的法拉第相位信息大小相等、方向相反的相位差；采用相关调制解调的办法进行信号解调。根据本发明的ー个方面，模拟放大滤波单元，接收来自光电探测器的电信号，进行放大滤波后输入到模数转换单元；模数转换单元，用于接收模拟放大滤波単元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到主回路数字逻辑电路；主回路数字逻辑电路，接收模数转换单元输出，对模数转换单元输出信号进行解调，随之对解调结果进行积分形成数字阶梯波台阶高度，并进一歩累加形成数字阶梯波；接收2 π电压控制单元输出的积分信号，检测是否有周期性的解调误差，以对2 π反馈驱动电压的自动调整；所述主回路数字逻辑电路中还实现数字阶梯波与偏置调制方波的叠加，叠加结果输出到数模转换単元；所述主回路数字逻辑电路还将解调信息的积分结果直接输出至滤波器；2π电压控制単元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将解调后的信号进行积分，得到表征是否存在2π电压复位误差的信号，并将所述信号输出给主回路数字逻辑电路；数模转换単元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将数字阶梯波和偏置调制方波信号的叠加结果转换为模拟信号，然后将模拟信号输出给光相位调制器，驱动光相位调制器在两束线偏振光间引入土 η/2偏置调制相位和反馈调制相位差；滤波单元，用于接收积分单元的输出，对积分信号进行滤波，滤波结果作为互感器数字输出。根据下文对最佳实施方式的详细描述，本发明公开的这些和其他目的、特征和优点将更为明显。
图I是本发明的光纤互感器一个实施例的原理结构示意图；图2是图I中闭环信号处理单元的ー个具体实施方式
的结构图；图3是图I中光学器件集成组件的多个具体实施方式
的结构图；图4是方波调制的波形示意图；图5是阶梯波反馈相位关系的波形示意图。
具体实施方式
图I是本发明所涉及的光纤互感器的一个实施例的原理结构图。根据该实施例，该光纤互感器包括光源驱动单元、光源、光学器件集成组件、传感光纤、反射镜、1/4波片、 光电探测器、闭环信号处理单元、电源。传感光纤、反射镜、1/4波片这三个部件构成传感头。由于传感头属于现有技术，因此未在图I中用文字标明。此外，传感头也可以具有多种实现形式，不属于本发明的内容，故不再赘述。光源,用于在光源驱动单兀的控制下输出一定功率的光束。光学器件集成组件，用于接收光源输出的光线，并把光源输出的该光线起偏成线偏振光，随即又把该线偏振光分解为模式正交的两束线偏振光；光学器件集成组件中，把上述两束线偏振振光耦合在同一根保偏光纤的两个正交模式上，即光学器件集成组件送出两束模式正交的线偏振光沿着同一根保偏光纤的两个正交模式前向传输至传感头，并随后接收该两束线偏振光在传感头处敏感法拉第磁光效应后沿原光路模式互換返回的光束，返回的两束光线在光学器件集成组件中发生干渉；光学器件集成组件还用于将两束线偏振光的干涉结果通过光纤输出到光电探测器；此外，光学器件集成组件接受来自闭环信号处理单元的反馈调制信息，以在两束线偏振光间叠加土 η /2偏置调制相位和与法拉第相位差Φ F大小相等、方向相反的反馈调制相位Φκ。传感头，包括1/4波片、传感光纤、反射镜，用于敏感待测电流导线周围的磁场，SP根据法拉第磁光效应，在两束正交偏振光间引入法拉第磁光效应相位差Φρ。在传感头中，1/4波片用于偏振光束从线偏振光到圆偏振光,或圆偏振光到线偏振光之间的模式变换。在本实施例中，1/4波片用于把前向传输的两束正交线偏振光转变为左旋和右旋的两束模式正交圆偏振光，并同时把从传感光纤返回的两束圆偏振光转变回正交的线偏振光。之后，转变回的两束线偏振光沿原光路返回。在传感头中，反射镜用于反射光线，使光线反向传输。在本实施例中，反射镜用于使得两束圆偏振光束模式互换并反向传输，即使得原来是左旋和右旋的两束圆偏振光转变为右旋和左旋的两束圆偏振光并沿传感光纤返回。光电探测器，用于接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到闭环信号处理单元中的放大滤波単元。光电探测器属于现有技术，本领域的技术人员完全能够得知其具体实现方式，下文不再详述。闭环信号处理单元，接收光电探測器的信号输入，实现信号的数字控制和处理，并将信号处理结果反馈给光学器件集成组件和光源驱动单元。电源，用于把110V、220V等直流或交流市电转变为互感器中的电路板可用的弱电，即电源作用是向光源驱动单元和闭环信号处理单元供电。光源驱动单元，用于给光源提供恒流和温控信息，同时接收闭环信号处理单元的反馈信号输入，使得光源始终输出稳定的光强信息。如图I所示，在工作状态下，电源向光源驱动单元、闭环信号处理单元供电，光源驱动单元工作，控制光源发光。光源发出的光 ，通过光纤进入光学器件集成组件，经过光学器件集成组件的调整，形成线偏振光后又均分成模式正交的两束光线，即，X、Y两束模式正交的线偏振光。然后这两束偏振光沿着同一根保偏传输光纤传输到传感头。在传感头处，X、Y两束模式正交的线偏振光首先通过1/4波片分别转换成左旋和(或)右旋的圆偏振光。当所述左旋和(或)右旋的圆偏振光到达传感光纤末端的反射镜时，这两种圆偏振光产生模式互換，模式互換后返回(即左旋变右旋、右旋变左旋)。这两束光再次敏感法拉第磁光效应并通过传感光纤到达1/4波片，经1/4波片转变回线偏振光(与之前的线偏振模式也互換了)并沿着原光路返回。两束光在到达光学器件集成组件后发生干渉，干渉结果经过光电探测器进行光电转换后进入闭环信号处理单元进行信号解算和提取。闭环信号处理单元根据光电探测器输入的信号进行处理，将得到的处理结果输出到光学器件集成组件，从而形成对光路器件的信号反馈，便于精确、稳定地检测到载流导线中所通过的电流。此外，闭环信号处理单元还根据光电探测器的输入信号对光源驱动单元进行反馈，形成光源驱动的闭环控制。如图I所示，通过对光电探测器输出结果中直流分量的提取反映光源功率的变化，并把该直流分量信息(即下文中的Itl)实时反馈到光源驱动单元，修正光源驱动电流大小，使得光源始终输出稳定的光功率。上述过程中，两束偏振光分别两次敏感法拉第效应形成的相位差大小为=4NVI其中，N是传感光纤圈数、V是传感光纤的Verdet常数、I是待测电流大小。ΦF是法拉第相移。之后，两束线偏振光传回光学器件集成组件中，并在其中发生干渉，干涉结果送至光电探测器，转别为电信息后进入后续信号处理环节，对发生干涉的两束偏振光的相位差信息进行提取。由于互感器的干涉光强信息是法拉第相移的余弦函数，即Id = I0(l+cos Φρ)其中，I。是两束相关光的光强。由余弦函数在零相位附近的性质可知(I)干涉光强不能反映法拉第相移的符号，无论的正负都输出同样的数值，因而不能反映待测电流的流向；⑵小电流测量灵敏度低，因为余弦函数在零相位处ー阶导数为零。然而在大多数的应用场合，法拉第相移很小；(3)在光纤电流互感器中，由所使用的光学器件基本參数限制，决定了光电探测器的输出电压是微伏级的微弱信息，而噪声却一般是毫伏量级，即难以从上式直接提取相位信息。本发明中通过在光学器件集成组件中引入调制相位差，达到提取法拉第相移ΦΡ的目的。即通过引入方波偏置调制和阶梯波反馈技术，使得互感器系统始终工作在最灵敏区域，并且易于采用相关解调的办法提取法拉第相移信息。在本发明中，在光学器件集成组件中设置光相位调制器，其目的是在两束相干光之间引入土 η/2偏置调制相位和闭环反馈调制相位Φκ，其中反馈调制相位Φκ用以抵消法拉第相位差，使得系统始终工作在最灵敏区域。光学器件集成组件主要实现分光合光、光起偏、偏振光分解、光稱合、光相位调制等几种功能。光学器件集成组件可具有多种具体实施方式
。图3是图I中光学器件集成组件的多个具体实施方式
的结构图。如图3(a)所示，光学器件集成组件包括分光合光器件I、保偏光纤、光相位调制器、光延迟器。该方案中除了传感头部分，光纤电流互感器的光路方案是全保偏方案，即所有光纤和器件尾纤都是保偏光纤。高偏光源发出的线偏振光经过分光合光器件后经过尾纤的45°角对轴熔接均分为模式正交的两束线偏振光Χ、Υ在同一根保偏光纤中传输，经过光相位调制器和光延迟器(光延迟器本身是一段数米至数千米的一段保偏光纤)后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头。从传感头处返回后，该两束光模式互換，再 次经过光相位调制器，达到45°熔接点处满足干渉条件，发生干渉，干涉结果经过分光合光器件I耦合进光电探测器。如图3(b)所不,光学器件集成组件包括分光合光器件I、保偏光纤、光起偏器、光相位调制器、光延迟器。光源发出的光经过分光合光器件和光起偏器后，经过保偏尾纤的45°角对轴熔接均分为模式正交的两束线偏振光X、Y在同一根保偏光纤中传输，经过光相位调制器和光延迟器(光延迟器本身是一段数米至数千米的一段保偏光纤)后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头。从传感头处返回后，该两束光模式互換，再次经过光相位调制器，达到45°熔接点处满足干渉条件，发生干渉，干涉结果经过光起偏器和分光合光器件耦合进光电探测器。如图3(c)所示，光学器件集成组件包括第一分光合光器件(即分光合光器件I)、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件(即分光合光器件2)、光延迟器。光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器。Y型光相位调制器有光起偏、光分束、光调制的功能。Y型光相位调制器属于现有技术，不再详述。在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿其两根尾纤前向传播达到第二分光合光器件。在此之前，通过Y型光相位调制器的一根尾纤与第二分光合光器件的一根尾纤90°角对轴熔接，使得上述两束线偏振光从第二分光合光器件中出来后模式正交地沿着同一根保偏光纤前向传播。同样地，这两束模式正交的偏振光从传感头处返回并经过第二分光合光器件后，又由于上述90°角的对轴熔接变为模式相同的两束线偏振光,并在Y型光相位调制器处发生干渉，干渉结果经第一分光合光器件耦合进光电探测器。如图3(d)所示，光学器件集成组件包括第一分光合光器件(即分光合光器件I)、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件(即分光合光器件2)、光延迟器。光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器，在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿其两根尾纤前向传播达到第二分光合光器件。第二个分光合光器件能够把前向通道两根尾纤中的相同偏振模式的线偏振光集合成模式正交的两束线偏振光且沿着同一根保偏尾纤继续前向传播，还能够把反向通道中一根保偏尾纤中模式正交的两束线偏振光转变为相同模式的两束线偏振光，并分别沿着它的两根反向通道尾纤传播，即可以把在其中传播的两束偏振光中的一束偏振光的偏振角度旋转90°。上述两束线偏振光从第二分光合光器件中出来后模式正交地沿着同一根保偏光纤前向传播。同样地，这两束模式正交的偏振光从传感头处返回并经过第二分光合光器件后，又转变为模式相同的两束线偏振光，并在Y型光相位调制器处发生干渉，干渉结果经第一分光合光器件耦合进光电探测器。以上列出了可以实现本专利中的关于光学器件集成组件的几个具体实施例，但是任何可以实现上述功能的设计都在本专利的保护范围之内。如图2所示，根据本发明的一个实施方式，闭环信号处理单元包括模拟放大滤波単元、模数转换单元(A/D)、主回路数字逻辑电路、数模转换単元Φ/Α)、2π电压控制単元以及滤波单元。其中，模拟放大滤波 単元，用于接收来自光电探测器的电信号，进行放大滤波用以作为模数转换环节的输入。模数转换单元，用于接收模拟放大滤波単元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到主回路数字逻辑电路，进行逻辑运算。主回路数字逻辑电路，接收模数转换单元输出，对模数转换单元输出信号进行解调，随之对解调结果进行积分形成反馈阶梯波的台阶高度，之后以时间τ为步长对上述台阶高度进行累加，形成数字阶梯波。步长τ是光在互感器光路中的传输时间。根据后续环节数模转换单元的位数，数字阶梯波可以自动溢出归零，实现反馈调制的自动复位。如果当自动复位发生时，阶梯波总高度对应反馈调制2 π相位差，那么这种自动复位不会对互感器的測量精度产生影响。此外，由于光相位调制的半波电压可能随着环境和时间的变化而产生漂移，本实施例中将经过解调的信号同时传输到2 π电压控制単元中；此外，该逻辑电路还接收2 π电压控制单元输出的积分信号，检测是否有周期性的解调误差，用以对2 π反馈驱动电压的自动调整；此外主回路数字逻辑电路中还实现数字阶梯波与偏置调制方波的叠加，叠加结果输出到数模转换単元；此外，主回路数字逻辑电路还对解调信息的积分结果直接输出至滤波器，滤波结果作为互感器数字输出，以表征待测电流大小。2 π电压控制単元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将解调后的信号进行积分，得到可以表征是否存在2 π电压复位误差的信号，并将该信号输出给主回路数字逻辑电路，用以对2π复位电压进行自动调整。数模转换単元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将数字阶梯波和偏置调制方波信号的叠加结果转换为模拟信号，然后将模拟信号输出给光相位调制器，从而驱动光相位调制器以在两束线偏振光间引入土 η/2偏置调制相位和Φκ反馈调制相位差。滤波单元，用于接收积分单元的输出，对积分信号进行滤波，滤波结果作为互感器数字输出，以表征待测电流大小。根据本发明的一个实施方式，在该实施例中，主回路数字逻辑电路至少包括信号解调单元、积分单元和累加単元。根据本发明的一个实施方式，在该实施例中，2 电压控制单元包括2 电压误差信号解调单元和数字积分器。信号解调单元接收模数转换单元的输出，对模数转换单元的输出信号进行解调。解调的方法是对模数转换单元输出的周期信号的相邻前后半周期分别取样做累加，累加结果再相减，相减结果即是解调結果。然后将解调结果传送到2π电压控制単元中的2π电压误差信号解调单元。[0064]2 π电压误差信号解调单元对接收到的信号进行解调判断，判断是否存在周期性的误差信息，并形成解调判断结果传送到数字积分器中，进ー步地形成修正信息，并反馈回主回路数字逻辑电路，用以对2 π反馈电压进行自动调整。积分单元将积分结果输出给滤波単元，而且将积分结果传输到累加器中由累加器进行累加形成数字阶梯波，如图5所示。形成的数字阶梯波经与偏置调制方波叠加后传送到数模转换単元中。偏置调制方波如图4所示。数模转换単元将转换结果输入到光相位调制器中，从而在光路当中引入相应的偏置调制相位和反馈调制相位差。根据本发明的ー个具体实施例，图4描述了ー种方波调制的实施例。图4可分为上、下、右三个部分。图4上部分的正弦图纵轴表示两束偏振光干涉以后的光强，横轴表示两束相干偏振光相位差。图4下部分是对两束相干偏振光进行土 π /2偏置调制的调制方波，它的竖轴是时间，横轴表示方波幅值，并且方波幅值调制时正好可以在两束相干偏振光间引入土 η /2偏置调制相位差。图4右部分是两束偏振光干涉结果经过方波调制后的输 出波形，其中偏左侧部分是在待测物理量=O时的波形，偏右侧部分是在待测物理量不等于O时的波形，底部平的部分表示正处于方波幅值调制时、尖峰则是在方波峰-峰幅值跳变中的两束偏振光干涉结果经过最高点形成的。互感器的干涉光强信息是法拉第相移ΦΡ的余弦函数，即Id = I0 (1+cos Φ F)上式中，I。是两束相关光的光強，= 4NVI是两束线偏振光在传感头处敏感的法拉第相移，其中N是传感光纤缠绕圈数、V是传感光纤Verdet常数、I是待测电流大小。如图4所示，首先在光相位调制器处由光相位调制器通过方波驱动调制引入频率为1/(2τ)的方波相位偏置调制(其中τ为两束线偏振光形成到最终发生干渉的时间差)，在两束线偏振光间叠加土 η/2相位差，改善互感器系统的灵敏度；同时通过引入方波偏置调制，在频域上将输出信号频谱由低频区迁移到高频，避开低频区的Ι/f噪声，減少了低频噪声的影响。这时干渉输出为Id = I0 (I + cos(‘ 土 5)) = /0(1 + sin φΡ )通过偏置调制，把干涉输出调制成一个叠加在直流Ici上的幅值为ItlSin (^f的方波信号，方波幅值反映了法拉第相移大小。为了进一步减小系统输出非线性误差和増大动态測量范围，在光相位调制器处由光相位调制器通过阶梯波反馈调制引入一个与法拉第相移大小相等、方向相反的反馈补偿相移Φκ，形成闭环控制系统。此时，两束光的干渉输出为Id =/0(1 + sin( φΡ + φκ ))由于ΦΡ+Φκ 0，所以此时互感器系统始终工作在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度最高；同时由于实现闭环检测，也扩大了系统的测量范围。这时系统的相关解调结果为(上式表示的周期信号前后半周期相减结果)Δ = η · I0 · 8 η(Φρ+ΦΕ) η · I0 · ( Φ F+ Φ Ε)其中，Λ是信号解调环节出现的ー个中间量，它表示解调結果，是ー个微小量，通过对该微小量的积分形成数字阶梯波台阶高度。它产生于主回路数字逻辑电路中的信号解调单元，输出到积分单元和2 π电压控制単元。根据本发明的一个实施例，图5给出了阶梯波反馈相位关系的实施例。如图5所示，图5分为上下两个部分。其中在图5的上半部分中，纵轴是相位差，横轴是时间。其中的实线阶梯波表示t时刻的反馈阶梯波，虚线阶梯波表示t+ τ时刻的反馈阶梯波，阶梯波的台阶高度实际反馈量的大小。图5的下半部分与上半部分对应，由上半部分的实线与虚线相减得到，它实际表征的是阶梯波的台阶高度。在周期性的下凹部分，表征的同样是阶梯波的高度值，只是此处阶梯波相位累加至2 31，形成复位，因此它的高度比非复位处高度低
2 Ji ο本实施例中采用阶梯波反馈调制产生反馈相位差Φκ。对上式所述的解调结果作累加积分，形成数字阶梯波的台阶高度So(Sc)是中间量，在图5中未标明)。So —方面经过数模转换単元形成模拟阶梯波后驱动光相位调制器，以在两束光间引入补偿相差Φκ，同时So在进ー步滤波处理后作为互感器的数字输出，反映互感器输入电流的大小和方向。设经过数模转换形成的模拟阶梯波为AVK(t) =VK(t)-VK(t-T)，其值域为(-⑴，+ -)，则在两束线偏振光间产生的附加相移为Φ E = KfpVk (t) -KfpVE (t- τ ) = Kfp (VE (t) -Ve (t_ τ ))= Kfp Δ Ve (t)上式中τ是光束在光纤延迟线中的渡越时间，Kfp是相位调制器调制系数。上式说明，阶梯波调制产生的相位差与阶梯波台阶高度成正比。图5中FW(实线)表示t时刻的反馈阶梯波，BW(虚线)表示t+ τ时刻的反馈阶梯波；VK(t)表示模拟阶梯波台阶的绝对高度。但是显然，值域范围在(-%+m)上不断上升的阶梯波是不可能实现的。由于干涉输出信号以2 π为周期，所以在本闭环方案中，采用形如图5所示的值域范围为(0，2π)的阶梯波来取代值域为(-m，+c )的阶梯波，即当阶梯波调制相位Kfp ·νκα) =2π时自动复位。通过以上方法实现光纤电流互感器的闭环信号检测。但是在互感器长期工作过程中，光相位调制器的半波电压会发生漂移，即Kfp -Ve(t)デ2 π，这时就需要设计2 π复位电压的自动修正回路，如图2所示。首先需要提取2 复位电压修正回路的误差信号，分Kfp · VK(t) > 2 ,Kfp-Ve(t)< 2 π、Kfp · VK(t) = 2 π三种情況。当Kfp · Ve(t) ^ 2 时，光探测器输出功率会产生ー个瞬变值，该瞬变值在阶梯波复位时刻可以根据系统相关解调结果获得，这ー解调结果作为第2闭环回路，即图2中主回路数字逻辑电路与2 π电压控制単元二者的信号回路的输入误差信号，然后用通过数字积分器对其进行处理，再将积分后的数字信号通过数模转变成模拟信号，去控制数模转换単元的増益或互感器主回路数字逻辑电路产生阶梯波的数模转换器參考电压，从而形成了 2 π复位电压修正回路，对2π复位电压进行实时控制，使其始终能够产生准确的2 π相位，从而保证互感器的变比性能。根据本发明的ー个方面，闭环信号处理单元可由FPGA、DSP等技术实现。上述単元在功能确定的情况下，可根据需求，设计为集成器件或者単独的模块，在设计为集成器件的情况下，光路、电路的器件均易于模块化和集成，互易性好，便于组网设计。本领域的技术人员应当理解，在所附权利要求的范围及其等同范围内，依据设计要求及其他因素，可以出现各种修改、合并、子项合并和变化。
权利要求1.一种闭环光纤电流互感器，包括光源、光源驱动单元、光电探测器、光学器件集成组件、传感头，其特征在于 光学器件集成组件，用于将光源输出的光线起偏并分解为模式正交的两束线偏振光，然后把所述两束线偏振光耦合在同一根保偏光纤的两个正交模式上并传输至传感头；接收从传感头处返回的光线并使得返回的光线在所述光学器件集成组件中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息，在两束线偏振光间叠加偏置调制相位和反馈调制相位； 闭环信号处理单元，接收光电探测器的输出信号，对该信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给光器件集成组件和光源驱动单元； 光源驱动单元，用于给光源提供恒流和温控信息，同时接收信号处理单元的反馈信号输入，使光源输出稳定的光强。
2.根据权利要求I所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于所述光学器件集成组件 包括分光合光器件、保偏光纤、光相位调制器、光延迟器。
3.根据权利要求2所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于采用全保偏方案，即此光路中所有涉及的光纤或光电子器件尾纤均为保偏光纤；光源发出的线偏振光经过分光合光器件后，经过保偏光纤的45°角熔接点处均分为模式正交的两束线偏振光，经过光相位调制器后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头；从传感头处返回后，该两束光模式互换，再次经过光相位调制器，达到所述45°角熔接点处发生干涉，干涉结果经过分光合光器件耦合到光电探测器。
4.根据权利要求I所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于所述光器件集成组件包括分光合光器件、保偏光纤、光起偏器、光相位调制器、光延迟器。
5.根据权利要求4所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于光源发出的光经过分光合光器件和光起偏器后，经过保偏光纤的45°角熔接点处均分为模式正交的两束线偏振光，经过光相位调制器后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头；从传感头处返回后，该两束光模式互换，再次经过光相位调制器，达到所述45°角熔接点处发生干涉，干涉结果经过光起偏器和分光合光器件耦合到光电探测器。
6.根据权利要求I所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于所述光器件集成组件包括第一分光合光器件、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器。
7.根据权利要求6所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于Y型光相位调制器的一根尾纤与第二分光合光器件的一根尾纤以90°角对轴熔接；光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器，在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿所述Y型光相位调制器的两根尾纤传播达到第二分光合光器件；从传感头处返回的两束光线经过第二分光合光器件后，在Y型光相位调制器处发生干涉，干涉结果经第一分光合光器件耦合到光电探测器。
8.根据权利要求6所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于第二分光合光器件将前向通道两根尾纤中的相同偏振模式的线偏振光集合成模式正交的两束线偏振光并且沿着同一根保偏尾纤继续前向传播，还将在其中传播的两束线偏振光中的一束线偏振光的偏振角度旋转90° ;光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器，在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿所述Y型光相位调制器的两根尾纤传播达到第二分光合光器件；从传感头处返回的两束光线经过第二分光合光器件后，转变为模式相同的两束线偏振光，在Y型光相位调制器处发生干涉，干涉结果经第一分光合光器件耦合进光电探测器。
9.根据权利要求I所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于所述闭环信号处理单元包括模拟放大滤波单元、模数转换单元、主回路数字逻辑电路、数模转换单元、2 π电压控制单元以及滤波单元。
10.根据权利要求1-9之一所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于，采用方波偏置调制方式，在两束相干偏振光间引入土 η/2偏置调制相位差；采用阶梯波反馈调制方式在两束相干偏振光间引入与传感头处形成的法拉第相位信息大小相等、方向相反的相位差；采用相关调制解调的办法进行信号解调。
11.根据权利要求9所述的闭环光纤电流互感器，其特征在于 模拟放大滤波单元，接收来自光电探测器的电信号，进行放大滤波后输入到模数转换单元； 模数转换单元，用于接收模拟放大滤波单元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到主回路数字逻辑电路； 主回路数字逻辑电路，接收模数转换单元输出，对模数转换单元输出信号进行解调，随之对解调结果进行积分形成数字阶梯波台阶高度，并进一步累加形成数字阶梯波；接收2π电压控制单元输出的积分信号，检测是否有周期性的解调误差，以对2 π反馈驱动电压的自动调整；所述主回路数字逻辑电路中还实现数字阶梯波与偏置调制方波的叠加，叠加结果输出到数模转换单元；所述主回路数字逻辑电路还将解调信息的积分结果直接输出至滤波器； 2π电压控制单元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将解调后的信号进行积分，得到表征是否存在2 π电压复位误差的信号，并将所述信号输出给主回路数字逻辑电路； 数模转换单元，用于接收主回路数字逻辑电路的输出，将数字阶梯波和偏置调制方波信号的叠加结果转换为模拟信号，然后将模拟信号输出给光相位调制器，驱动光相位调制器在两束线偏振光间引入土 η/2偏置调制相位和反馈调制相位差； 滤波单元，用于接收积分单元的输出，对积分信号进行滤波，滤波结果作为互感器数字输出。
专利摘要本实用新型提供一种闭环光纤电流互感器，包括光源、光源控制单元、光电探测器、光器件集成组件、传感头。该互感器的光路系统结构简单、便于集成和模块化；所用光学元件体积小、重量轻，且不受电磁干扰，对被测量也没有干扰；利用反射式光路和简单光器件实现正交偏振光的模式互换，形成互易性光路，提高光路抗干扰能力；采用多个闭环技术，有效克服光源功率衰减、光相位调制器半波电压漂移造成的系统测量误差，提高互感器运行稳定性和可靠性。
文档编号G01R19/00GK202649279SQ20122012516
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者石金华 申请人:扬州永阳光电科贸有限公司