本实用新型涉及一种光学电功率传感器，具有电流和电压综合测量功能，可以得到电力系统中测量节点功率变化，特别适合于电力系统高压大电流测试与计量应用。
背景技术：
目前国内外研制的光学电流互感器和光学电压互感器上为分离设置的装置，其基本均由传输光的光路部分和信号处理部分，系统基本上采用一个磁光光纤，一个磁光块状玻璃和偏振保持传输光纤，同时需要增加集成波导相位调制器构成闭环控制系统，该系统结构使得所构成的传感器结构复杂，整个光路成本昂贵，另外，磁光光纤和磁光块状玻璃容易受到外界环境影响而发生折射率的波动，仍然存在着可与传感信号相比拟的偏振态扰动，造成测量误差。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种可同时测量电流和电压且共用一套光SLED光源及信号处理系统的采用光载体测量电功率的传感器。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
本实用新型的采用光载体测量电功率的传感器，包括SLED光源、电流互感器和电压互感器，其特征在于：所述电流互感器为光纤测流传感头；所述SLED光源与至少一托一的光耦合器相接，该光耦合器一光路通过电流侧的第一保偏环形器、第一沃拉斯特棱镜与所述的光纤测流传感头相接；在第一沃拉斯特棱镜上还接有第一光电探测器，在第一保偏环形器上还接有第二光电探测器。
所述光纤测流传感头由1/4波片、测流温敏光纤和电流侧反射镜构成。
所述电压互感器为光纤测压传感头；所述光耦合器为一托二的耦合器，该光耦合器的另一光路通过电压侧的第二保偏环形器、第二沃拉斯特棱镜与所述的光纤测压传感头相接；在第二沃拉斯特棱镜上还接有第三光电探测器，在第二保偏环形器上还接有第四光电探测器。
所述光纤测压传感头由1/4波片、锗酸铋晶体和电压侧反射镜构成。
所述光耦合器为一托三的耦合器，其中的再一光路通过温补侧的第三保偏环形器与光纤测温传感头相接；在第三保偏环形器上还设接有第五光电探测器。
所述光纤测温传感头，由温敏光纤、石英玻璃管、涂敷在石英玻璃管外的内层和外层保护层构成，所述温敏光纤包层外直径为125μm，长度为1.15mm-1.35mm，其在波长为1310nm时的拍长约为10mm，在该温敏光纤尾部的外壁和端面上镀有铝质的反射膜；由该温敏光纤的尾端至其首端方向长度在0.8mm-1.0mm的温敏光纤被固定密封在内径为250μm-350μm的石英玻璃管中。
在所述石英玻璃管的外壁上设有两层涂层，分别是厚度为45μm-55μm且由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的内层和厚度为180μm－220μm且由特氟龙材料制成的外层。
本实用新型的采用光学原理测量电功率的方法，其步骤如下：
1)采用本实用新型的所述的采用光载体测量电功率的传感器；
2)由所述采用光载体测量电功率的传感器中的SLED光源发出的部分偏振光，经多模光纤传至一托三的光耦合器，由该光耦合器发出三束部分偏振光；
3)一束部分偏振光通过电流侧的多模光纤送至第一保偏环形器产生电流侧初段线偏振光，该电流侧初段线偏振光由第一保偏环形器的一个输出端口通过初段保偏光纤送至第一沃拉斯特棱镜；
另一束部分偏振光通过电压侧的多模光纤送至第二保偏环形器产生电压侧初段线偏振光，该电压侧初段线偏振光由第二保偏环形器的一个输出端口通过初段保偏光纤送至第二沃拉斯特棱镜；
再一束部分多模光纤送至第三保偏环形器产生温补侧初段线偏振光，该温补侧初段线偏振光由第三保偏环形器的一个输出端口通过初段保偏光纤送至光纤测温传感头；
4)电流侧初段线偏振光由第一沃拉斯特棱镜的一个输出端口输出一束电流侧中段线偏振光，该电流侧中段线偏振光通过中段保偏光纤并以偏振方向平行于该中段保偏光纤主轴的方式沿该主轴传送；
电压侧初段线偏振光由第二沃拉斯特棱镜的一个输出端口输出一束电压侧中段线偏振光，该电压侧中段线偏振光通过中段保偏光纤并以偏振方向平行于该中段保偏光纤主轴的方式沿该主轴传送；
5)电流侧中段线偏振光经电流侧的中段保偏光纤与所述采用光载体测量电功率的传感器中的光纤测流传感头内的测流温敏光纤的电流侧熔接拐点分解为两束正交模态且沿该测流温敏光纤快慢轴传播的电流侧尾段线偏振光；
电压侧中段线偏振光经电压侧的中段保偏光纤与所述采用光载体测量电功率的传感器中的光纤测压传感头内的测压温敏光纤的电压侧熔接拐点分解为两束正交模态且沿该温敏光纤快慢轴传播的电压侧尾段线偏振光
温补侧初段线偏振光经中段保偏光纤与所述光纤测温传感头内的温补温敏光纤的温补侧熔接拐点分解为两束正交模态且沿该温敏光纤快慢轴传播的温补侧尾段线偏振光；
6)两束所述电流侧尾段线偏振光通过设置于温度场中的测流温敏光纤产生相位差，再经设置于该测流温敏光纤尾部的反射膜的反射后沿原光路返回，此时，两束电流侧尾段线偏振光的相位差增加一倍；
两束所述电压侧尾段线偏振光通过设置于温度场中的测压温敏光纤产生相位差，再经设置于该测压温敏光纤尾部的反射膜的反射后沿原光路返回，此时，两束电压侧尾段线偏振光的相位差增加一倍；
两束所述温补侧尾段线偏振光通过设置于温度场中的温补温敏光纤产生相位差，再经设置于该温补温敏光纤尾部的反射膜的反射后沿原光路返回，此时，两束温补侧尾段线偏振光的相位差增加一倍；
7)两束电流侧尾段线偏振光经过所述电流侧熔接拐点后发生干涉效应；
两束电压侧尾段线偏振光经过所述电压侧熔接拐点后发生干涉效应；
两束温补侧尾段线偏振光经过所述温补侧熔接拐点后发生干涉效应；
8)两束电流侧尾段线偏振光中，沿电流侧温敏光纤快轴返回的电流侧尾段线偏振光由设置于第一沃拉斯特棱镜的另一输出端口上的第一光电探测器接收，沿电流侧温敏光纤慢轴返回的电流侧尾段线偏振光由设置于第一保偏环形器的另一输出端口上的第二光电探测器接收；
两束电压侧尾段线偏振光中，沿电压侧温敏光纤快轴返回的电压侧尾段线偏振光由设置于第二沃拉斯特棱镜的另一输出端口上的第三光电探测器接收，沿电压侧温敏光纤慢轴返回的电压侧尾段线偏振光由设置于第二保偏环形器的另一输出端口上的第四光电探测器接收；
两束温补侧尾段线偏振光中，由设置于第三保偏环形器的另一输出端口上的第五光电探测器接收。
本实用新型的传感器将具有电流和电压测量功能的光纤测量系统融入一体，其采用简单的光路结构以实现电子式的电流互感器和电压互感器所具有的精确测量功能。
本实用新型器件设计了光纤偏振态控制结构，具有对光纤偏振态扰动进行自动补偿的功能。其结构简单，成本便宜，一次部分都为无源器件，可靠性好，绝缘性能好。
附图说明
图1为本实用新型传感器的结构方框图。
图2为波片与Verdet在温度变化情况下的互补曲线图。
图3为图1中的传感器的信号处理工作原理图。
图4为法拉第磁光效应基本原理图。
附图标记如下：
SLED光源1、光耦合器2、电流检测光路3、第一保偏环形器31、第一沃拉斯特棱镜32、光纤测流传感头33、第一光电探测器34、第二光电探测器35、电流侧反射镜36、电压检测光路4、第二保偏环形器41、第二沃拉斯特棱镜42、光纤测压传感头43、第三光电探测器44、第四光电探测器45、电压侧反射镜46、测温光路5、第三保偏环形器51、光纤测温传感头52、第五光电探测器53、温补侧反射膜54。
具体实施方式
本实用新型的采用光载体测量电功率的传感器(以下可简称传感器)将电流互感器和电压互感器所承担的功能融于一个检测装置中，针对电流检测再增加一路温度补偿测试，使其检测准确性大大提高。其特别适用于电力系统中针对一次设备进行定点测量。
如图1所示，本实用新型的传感器由SLED光源1、1×3的光耦合器2和三路特定功能检测光路构成，所述特定功能检测光路分别为电流检测光路3、为电流检测提供温度补偿的测温光路5和电压检测光路4。
1、SLED光源1
采用DAC(数模转换器)和光源驱动电路控制SLED光源1输出恒定光功率，采用ADSP-BF548型的数字信号处理器通过给DAC写入配置参数来控制调节SLED的驱动电流，光源驱动电流采样闭环控制原理，通过采样SLED的实际驱动电流和DAC的设置参数值做减法后送入内置在ADSP-BF548型的数字信号处理器中的闭环控制单元进行调节，最终使SLED的驱动电流保持恒定。
该SLED光源1为发光光谱很宽的光源器件，其为高亮发光二极管，英文全称为：Super-Light-Emitting Diode，其发出的波长为1310nm的部分偏振光通过多模光纤传送至所述光耦合器2。
2、光耦合器2
为1×3的多模光纤耦合器，其将SLED光源1发出的一束部分偏振光分拆成三束部分偏振光，三束部分偏振光分别通过多模光纤送往所述的电流检测光路3、测温光路5和电压检测光路4。
3、电流检测光路3(也称电流侧)
由第一保偏环形器31、第一沃拉斯特棱镜32、光纤测流传感头33、第一光电探测器34和第二光电探测器35构成。
1)第一保偏环形器31
使光按特定通道方向传输并且保持线偏振光偏振特性不变的多端口光学器件，光从任意端口输入，只能从特定的下一端口输出。
来自于光耦合器2的部分偏振光经内置于第一保偏环形器31中的光纤消偏器后变为非偏振光，其再由第一保偏环形器31的一个输出端口输出线偏振光，将该线偏振光称为电流侧初段线偏振光。
电流侧初段线偏振光再经初段保偏光纤传输至第一沃拉斯特棱镜32。
2)第一沃拉斯特棱镜32
其为可将一束光转化为两束分开的偏振方向相互垂直的线偏振光的光学器件。
来自于第一保偏环形器31的电流侧初段线偏振光进入第一沃拉斯特棱镜32后，由其的一个输出端口输出一束线偏振光，将该段的线偏振光称为电流侧中段线偏振光，该电流侧中段线偏振光以偏振方向平行于中段保偏光纤主轴的方式沿该中段保偏光纤的主轴传送至所述的光纤测流传感头33。
电流侧中段线偏振光经过电流侧的中段保偏光纤与所述光纤测流传感头33内的测流温敏光纤的电流侧熔接拐点(熔接角为45度)后，分解为两束正交模态且沿该测流温敏光纤快慢轴传播的电流侧尾段线偏振光。
两束所述电流侧尾段线偏振光在光纤测流传感头33内的1/4波片处产生相位差，并分别被转换为左旋和右旋圆偏光，通过放置于电流导体表面上的测流温敏光纤(“测流”是指测电流，即将本实用新型的光纤测流传感头33放置在测电流磁场中)。由于一次导线内电流产生磁场的Faraday磁光效应(即法拉第磁光效应)作用，两束圆偏光的传输速度不同，从而产生Faraday相差。当两束圆偏光传输到测流温敏光纤末端的电流侧反射镜36经反射后，两束圆偏光再模式互换(左旋变右旋，右旋变左旋)并沿原光路返回，此时，Faraday效应加倍，并且在1/4波片处再次转变为两束模式正交的线偏光(模式也互换了)。最终，携带Faraday效应相位信息且相位差增加一倍的两束电流侧尾段线偏振光返回经过45度角的熔接拐点时发生干涉。
干涉后的两束电流侧尾段线偏振光中，沿测流温敏光纤快轴返回的电流侧尾段线偏振光由设置于第一沃拉斯特棱镜32的另一输出端口输出，并经支路保偏光纤被第一光电探测器34接收；沿测流温敏光纤慢轴返回的电流侧尾段线偏振光由设置于第一保偏环形器31的另一输出端口输出，并经另一支路保偏光纤被第二光电探测器35接收。
可以看出，两束电流侧尾段偏振光始终在同一根光纤的两个正交模式上传输，由于光路系统具有很强的抗电磁干扰能力，另外，发生干涉的两束偏振光经过相同的传输路径和模式变化，只是在顺序上刚好相反，因此，本实用新型的光路系统还具有良好的互易性，干涉结果只携带了Faraday磁光效应产生的相位信息。
3)光纤测流传感头33(所述“测流”是指测电流)
由1/4波片、所述的测流温敏光纤和电流侧反射镜36构成。
光纤测流传感头33的工作原理如下：
光纤测流传感头33的实现是基于法拉第磁光效应：线偏振光通过在电流产生的磁场作用下的磁光介质时，其偏振面将发生旋转，偏转角度与磁场强度和光穿越介质的长度乘积成正比：
其中为法拉第旋光角；μ、V分别是介质的磁导率和费尔德常数；H为磁场强度；L是偏振光通过介质的光程长度。由于磁场强度由电流产生，根据安培环路定律，上式可表达为：
其中N、I分别为线圈匝数和电流。法拉第磁光效应基本原理图如图4所示。
由于目前无法实现高精度的偏振面角度测量，通常将偏振面角度变化转化为光强变化，进而采用偏振检测和干涉检测方法实现电流测量。
4)光电探测器
光电探测器将光信号转化为携带电流、电压或温度信息的电信号的器件。
所述第一光电探测器34和第二光电探测器35将干涉后的两束电流侧尾段线偏振光的光强信号转换为小电流信号，经前置放大器放大后送入模数转换器，再经信号处理系统高速采样还原出所述的干涉效应。
所述初段保偏光纤、中段保偏光纤、支路保偏光纤和另一支路保偏光纤均为PME1300-10椭圆芯保偏光纤。该保偏光纤的纤芯为椭圆形并且保持光传输偏振特性不变的光纤。
5)信号处理系统
如图3所示，本实用新型的信号处理系统采用DSP(数字信号处理技术)+FPGA(现场可编程门阵列)(XC6SLX16)构架，主要由光电探测器、前置放大器、AD转换器(模数转换器)、ADSP-BF548数字信号处理器、DAC(数字模拟转换器)以及光源驱动电路组成，同时扩展了液晶显示、RS485以及光纤以太网接口。
光电探测器主要负责将干涉后的光强信号转换为小电流信号，经过前置放大器后送入模数转换器，系统采用AD7606作为模拟信号到数字信号的转换器件，DSP通过高速采样ADC(模数转换器)的输出来还原光纤传感器的干涉效应。
数字信号处理器主要负责信号的高速采样及软件算法的实现，处理器的运行主频为500MHz，运行VDK(Visual DSP Kemel，中文名为：可视DSP核)嵌入式操作系统进行任务调度。使用内部定时器进行精确定时，在定时器中断中进行信号的采样、滤波、保存，当数据缓冲区填满后在中断中发送信号量给调度器，调度器收到信号量后激活数据拟合任务进行温度拟合运算，本系统采用多阶多项式拟合的方式进行电流、电压和温度还原。
DSP还将解调的电流、电压和温度数据以及内部状态监视信息通过RS485传送到后台进行显示，同时将相关信息写入LCD液晶显示器以及FPGA内部高速RAM中。
4、测温光路5(也称温补侧)
由第三保偏环形器51、光纤测温传感头52和第五光电探测器53构成。
1)第三保偏环形器51的结构与第一保偏环形器31相同，其是将来自于光耦合器2的部分偏振光经内置于第三保偏环形器51中的光纤消偏器后变为非偏振光，再由第三保偏环形器51的一个输出端口输出线偏振光，将该线偏振光称为温补侧初段线偏振光。
温补侧初段线偏振光经中段保偏光纤与所述光纤测温传感头52内的温补温敏光纤的温补侧熔接拐点分解为两束正交模态且沿该温敏光纤快慢轴传播的温补侧尾段线偏振光；两束所述温补侧尾段线偏振光通过设置于温度场中的温补温敏光纤产生相位差，再经设置于该温补温敏光纤尾部的反射膜的反射后沿原光路返回，此时，两束温补侧尾段线偏振光的相位差增加一倍；两束温补侧尾段线偏振光经过所述温补侧熔接拐点(熔接角为45度)后发生干涉效应。
两束温补侧尾段线偏振光中，由设置于第三保偏环形器51的另一输出端口上的第五光电探测器53接收。
2)光纤测温传感头52可测温度范围在-55℃-150℃，温度偏差优于±0.5℃，温度波动度优于±0.01℃。
其由温补温敏光纤、石英玻璃管、涂敷在石英玻璃管外的内层和外层保护层构成。
温补温敏光纤由PME1300-10的椭圆芯的保偏光纤所制。其包层外直径为125μm，长度为1.15mm-1.35mm之间，优选1.25mm，在波长为1310nm时的拍长约为10mm，在该温敏光纤尾部的端面上镀有铝质的温补侧反射膜54(该温补侧反射膜54由溅射沉积构成多层纳米结构)，该温补侧反射膜54可使由温补温敏光纤首端向尾端传播的线偏振光反射后按原光路返回，反射光波长为1310nm。
该温补温敏光纤上有一段密封在石英玻璃管中，密封胶采用353型胶。被密封在石英玻璃管中的温补温敏光纤的长度在0.8mm-1.0mm，所述石英玻璃管的内径在250μm-350μm，所述温补侧反射膜54部分置于石英玻璃管中。
由于石英玻璃是玻璃(Si04)硅氧四面体相互连接构成的，在－Si－O－Si－网络中，氧原子以桥氧的形式存在，在湿度较大或有水的环境中，石英玻璃表面会吸附水气并慢慢发生水解反应，久之导致原网络－Si－O－Si－中的硅氧键断裂，桥氧变成非桥氧－Si－OH－Si－，其结果会造成玻璃裂纹，继而使该裂纹不断增长。另外，OH根的出现也会使光纤对光的吸收损耗增大，使光纤特性发生变化。为了使温补温敏光纤的纤芯不会因石英玻璃裂纹而受到外界水汽的侵蚀，即随石英玻璃的水解导致该石英玻璃管对管内的温补温敏光纤造成挤压，本实用新型在所述石英玻璃管的外壁上涂有厚度为45μm-55μm的保护层，简称内层，该内层由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。
为了防止外界水汽对石英玻璃的腐蚀，提高温补温敏光纤的测温精度和可靠性，在所述内层之外再涂有厚度为180μm－220μm的另一层保护层，简称外层，该外层由特氟龙材料制成。
本实用新型优选石英玻璃管的外径为0.8mm-1.2mm，其长度在40mm-50mm。
3)第五光电探测器53
与前述的第一光电探测器34和第二光电探测器35的结构和作用相同。为了降低成本，该测温光路采用一个光电探测器。
4)针对电流检测进行温度补偿，以使该传感器获得更好的温度性能。
偏振态补偿由下述技术来实现：
当本实用新型的采用光载体测量电功率的传感器置于温度变化环境下时，电流检测光路3中的两束电流侧尾段线偏振光干涉后沿着同一个光纤中传输，减小外部共模干扰影响，同时抑制了系统中的萨克纳克效应，，该电流检测光路3中的光纤测流传感头33内的1/4波片和所述的测流温敏光纤的Verdet常数都会变化，从而引起该采用光载体测量电功率的传感器的电流输出发生变化，如下式所示：
式中，电功率传感器输出是指电流，其中，M为ADC采样序列号、N为光纤匝数、θ为熔接角度45°、T表示温度，V0代表温度为20℃时测流温敏光纤的Verdet常数。
从(1)式中可以看出，在变温下的电功率传感器电流输出受两个比例项影响，分别是和Verdet常数随温度的变化规律为：(1/V)δV/δT＝0.7*10-4℃-1，由此可得比例项曲线其中，℃-1为每摄氏度、如图2所示，此时若选择合适长度的波片，可使波片影响的比例项与比例项恰好形成互补，使两者的乘积在变温下变化量减小(由图2可以看出，和的曲线变化规律相反)，这样便可以在变温条件下确保标度因数的稳定。波片在不同温度下的相位延迟具有如下规律：
δ(T)＝δ0*[1+α(T-T0)] (2)
式中：δ0为T0(20℃)温度下波片的相位延迟，α是波片的相位延迟随温度的变化率，经实验测得α＝-3.89*10-4℃-1。
通过选择合适长度的椭芯光纤来制作成波片，满足δ0＝96°，将α和δ0值代入(2)式后，可得图1中的曲线两个比例项的乘积曲线为
从图2可以看出标度因数中受温度影响的比例项与比例项形成互补，最终使本实用新型的采用光载体测量电功率的传感器电流输出满足标准要求。
5、电压检测光路4
由第二保偏环形器41、第二沃拉斯特棱镜42、光纤测压传感头43、第三光电探测器44和第四光电探测器45构成。
除光纤测压传感头43(其中，“测压”是指测电压)与电流检测光路3中的光纤测流传感头33不同外，其他部件的结构、光路连接方式与电流检测光路3相同(参见图1)。
其中，光的传输原理与电流检测光路3相同，携带电压信息的电信号分别被第三光电探测器44和第四光电探测器45接收。
其中，光纤测压传感头43由1/4波片、锗酸铋晶体和电压侧反射镜46构成。
光纤测压传感头43的工作原理如下：
光纤测压传感头是基于电光普克尔效应，晶体介质在没有施加外电压作用时是各向同性的，而在外加电压的作用下变为各向异性的双轴光学晶体，从而导致其折射率和通光偏振态发生变化，产生双折射，一束光变为两束线偏振光，根据施加电场方向和晶体透光方向关系，可分为横向电光调制和纵向电光调制，电场方向与晶体透光方向垂直时，为横向电光调制，电场方向与晶体透光方向平行时，为纵向电光调制，横向电光调制和纵向电光调制出射的两偏振光相位差可分别表示为：
(横向电光调制)
(纵向电光调制)
其中：λ为光波波长，n0、γ41分别为晶体(锗酸铋晶体)的折射率和电光系数；d和l分别为晶体的厚度和通光长度；U是外加电压(待测电压)；Uπ1、Uπ2分别是使两束光产生π相位差所需的半波电压。
利用偏振干涉的方法将相位差变化转化为输出光强的变化，经过光电变换和相应的信号处理便可求得被测电压。