基于组合半波片实现的电流测量方法与流程

本发明涉及电力系统电流测量技术领域，特别涉及一种基于组合半波片实现的电流测量方法，基于组合半波片实现对法拉第磁致旋光角线性测量。

背景技术：

电流互感器是反映电力系统运行状态的重要设备，是连接一、二次设备的重要纽带，其准确度和可靠性是保证系统测量准确性和继电保护装置动作可靠性的重要前提。目前电力系统中采用的电流互感器绝大部分都是基于电磁感应原理，随着电压等级和传输容量的不断提升，电磁式电流互感器暴露出一些难以忽视的缺陷，如绝缘难度大、易磁饱和、模拟信号输出、使用频带窄、铁芯剩磁影响、响应速度慢、不能测量直流电流等问题，严重阻碍了智能电网的发展。

随着电子技术和光学传感技术的兴起，光学电流互感器受到了国内外的重视并得到了快速的发展。相对于传统的电磁式电流互感器，光学互感器具有以下优点：(1)优良的绝缘性能和性价比。(2)无磁饱和以及铁磁谐振等问题。(3)测量频带宽、动态范围大。(4)实现了高低压之间的彻底隔离，可靠性和安全性高。(5)体积小、重量轻、经济性好。

光学电流互感器的测量原理基于磁光晶体的法拉第效应，即在磁场作用下，线偏振光通过磁光晶体，其偏振面发生旋转，旋转的角度正比于磁场的大小。通常采用偏光干涉解调方法测量输出光强，但这一测量模式具有光功率相关性，易受光功率波动的影响；利用正弦函数小角度时的近似线性变换测量法拉第旋转角，导致动态测量范围和测量谐波的能力有限；此外，温漂和线性双折射产生的随机噪声降低了互感器长期运行的稳定性与可靠性，制约了其实用化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于组合半波片实现的电流测量方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于组合半波片实现法拉第磁致旋光角线性解调，可实现法拉第磁致旋光角的线性测量，测量结果与光功率大小无关，仅与光强的分布有关。线偏光进入组合半波片后，形成分段旋转偏振光，经过法布里珀罗干涉仪后，抑制高阶模式并形成连续旋转偏振光。旋转偏振光可以看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加，经过偏振片后形成带有暗纹的光斑。光斑的暗纹方向与偏振光的偏振面垂直。通过ccd图像传感器检测暗纹的旋转角度，可实现法拉第旋转角的线性测量，从而得到待测电流。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于组合半波片实现的电流测量方法，由组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4构成径向检偏系统，实现对法拉第磁致旋光角的线性测量，测量模式与光功率无关；将线偏振光经凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直；通过检测光斑图像中暗纹的方向实现对偏振旋转角度的测量。具体包括光源14、偏振片a15、磁光薄膜16、扩束镜17、组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4、偏振片b6、ccd图像传感器18，所述光源14的一侧依次设置偏振片a15、磁光薄膜16、扩束镜17、组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4、偏振片b6、ccd图像传感器18，所述光源14经过偏振片a15形成线偏振光并进入磁光薄膜16，在磁场作用下，线偏振光偏振面发生旋转，且旋转角度正比于磁场的大小；扩束镜17将出射的线偏振光光束放大，扩束镜17内的针孔为空间滤波器，以得到圆形的均匀光斑；组合半波片2将线偏振光转换为分段径向偏振光3，经过凸透镜19聚焦后进入法布里-珀罗干涉仪4，转换为连续径向偏振光5，经过偏振片b6后，形成有暗纹的光斑7，暗纹的方向与线偏振光的偏振方向垂直；通过ccd图像传感器18检测暗纹的旋转角度，得到线偏振光的偏振面旋转角度，求得待测电流。

所述的组合半波片2由四片扇形的半波片拼接构成，四片扇形的半波片分别置于四个象限中，相邻半波片的快轴方向相差45度；线偏振光通过组合半波片2后，相邻象限的偏振方向相差90度；组合半波片2将线偏振光变为分段的旋转偏振光。

所述的法布里-珀罗干涉仪4由两个球形凹面镜组成，球形凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。

所述的法布里-珀罗干涉仪4采用共焦球面腔，球形凹面镜之间距离为焦距；腔体长度通过压电陶瓷进行微调，使腔体输出tem01和tem10模式，合成旋转偏振光；所述法布里-珀罗干涉仪4将分段的旋转偏振光变为连续的旋转偏振光。

所述的光源14为沿x方向偏振光1、沿y方向偏振光8或任意方向偏振光11。

本发明的有益效果在于：通过组合半波片和法布里珀罗干涉仪将法拉第旋转角转换为光斑的同步旋转，并通过ccd图像传感器检测光斑信号，完成了电流的线性测量。本发明突破了偏光干涉解调模式非线性测量的限制，实现了大范围的法拉第旋转角测量，提高了电流的测量范围；这一测量方法具有光功率无关性，消除了光强波动等因素的影响；并使用磁光薄膜作为敏感元件，基本解决了线性双折射问题。提高了测量的准确度，实用性强。

附图说明

此处所说明的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。

图1为本发明的组合半波片的结构示意图；

图2为本发明沿x轴方向偏振光的组合半波片检偏原理；

图3为本发明沿y轴方向偏振光的组合半波片检偏原理；

图4为本发明沿任意方向偏振光的组合半波片检偏原理；

图5为本发明的结构原理图；

图6为本发明光强分布计算坐标图。

图中：1、沿x方向偏振光；2、组合半波片；3、分段径向偏振光；4、法布里-珀罗干涉仪；5、连续径向偏振光；6、偏振片b；7、光斑；8、沿y方向偏振光；9、分段切向偏振光；10、连续切向偏振光；11、任意方向偏振光；12、分段旋转径向偏振光；13、连续旋转径向偏振光；14、光源；15、偏振片a；16、磁光薄膜；17、扩束镜；18、ccd图像传感器；19、凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本发明的基于组合半波片实现的电流测量方法，由组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4构成径向检偏系统，实现对法拉第磁致旋光角的线性测量，测量模式与光功率无关；线偏振光进入组合半波片2后，形成分段旋转偏振光，经过法布里-珀罗干涉仪4后，抑制高阶模式并形成连续旋转偏振光。旋转偏振光可以看作是径向偏振光5和切向偏振光10的叠加，经过偏振片b6后形成带有暗纹的光斑。光斑的暗纹方向与偏振光的偏振面垂直。通过ccd图像传感器检测暗纹的旋转角度，可实现法拉第旋转角的线性测量。具体包括光源14、偏振片a15、磁光薄膜16、扩束镜17、组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4、偏振片b6、ccd图像传感器18，所述光源14的一侧依次设置偏振片a15、磁光薄膜16、扩束镜17、组合半波片2、凸透镜19、法布里-珀罗干涉仪4、偏振片b6、ccd图像传感器18，所述光源14经过偏振片a15形成线偏振光并进入磁光薄膜16，在磁场作用下，线偏振光偏振面发生旋转，且旋转角度正比于磁场的大小；扩束镜17将出射的线偏振光光束放大，扩束镜17内的针孔为空间滤波器，以得到圆形的均匀光斑；组合半波片2将线偏振光转换为分段径向偏振光3，经过凸透镜19聚焦后进入法布里-珀罗干涉仪4，转换为连续径向偏振光5，经过偏振片b6后，形成有暗纹的光斑7，暗纹的方向与线偏振光的偏振方向垂直；通过ccd图像传感器18检测暗纹的旋转角度，可以得到线偏振光的偏振面旋转角度，求得待测电流。

所述的组合半波片2由四片扇形的半波片拼接构成，四片扇形的半波片分别置于四个象限中，相邻半波片的快轴方向相差45度；线偏振光通过组合半波片2后，相邻象限的偏振方向相差90度；组合半波片2将线偏振光变为分段的旋转偏振光。

所述的法布里-珀罗干涉仪4由两个球形凹面镜组成，球形凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。

所述的法布里-珀罗干涉仪4采用共焦球面腔，球形凹面镜之间距离为焦距；腔体长度通过压电陶瓷进行微调，使腔体输出tem01和tem10模式，合成旋转偏振光；所述法布里-珀罗干涉仪4将分段的旋转偏振光变为连续的旋转偏振光。

参见图1所示，组合半波片法的检偏原理是：组合半波片2由四片半波片拼合而成，每个半波片为一个象限。相邻半波片的快轴方向相差45度。偏振光通过组合半波片2后，相邻象限的偏振方向相差90度。

参见图2至图4所示，若入射的光源14为沿x方向偏振光1(垂直方向)，经过组合半波片2得到分段径向偏振光3，四个象限的偏振方向与x轴夹角分别为0度，90度，180度和270度。经过法布里-珀罗干涉仪4后，高阶的横向模式被清除，腔内仅存在x偏振的tem10和y偏振的tem01，两种模式叠加形成连续径向偏振光5。最后通过透光轴为x方向的偏振片b6，得到有暗纹的光斑，暗纹方向与y方向平行。所述偏振片b6为线性偏振片。

若入射的光源14为沿y方向偏振光8，组合半波片2产生分段切向偏振光9，在法布里-珀罗干涉仪4内演化为y偏振的tem10和x偏振的tem01，形成连续切向偏振光10，再通过偏振片b6形成暗纹方向与x方向平行的光斑。所述偏振片b6为线性偏振片。

若入射的光源14为任意方向偏振光11，偏振面与x轴夹角为θ，经过组合半波片2，四个象限的偏振方向旋转-θ，得到分段旋转径向偏振光12，经过法布里-珀罗干涉仪4后，径向偏振光任意方位角的偏振面旋转-θ，得到连续旋转径向偏振光13，该连续旋转径向偏振光13可以看作径向偏振光与切向偏振光的叠加。最后通过偏振片b6，暗纹方向旋转θ，且仍与入射光偏振方向垂直。

所述的光源14为沿x方向偏振光1、沿y方向偏振光8或任意方向偏振光11。

参见图5所示，本发明的基于组合半波片实现的电流测量方法，光源14经过偏振片a15起偏后，进入磁光薄膜16，将待测磁场大小转换为线偏振光偏振面的旋转，旋转角度正比于磁场h的大小。出射的线偏振光经扩束镜17，光束被放大，且扩束镜内的针孔为空间滤波器，可以得到圆形的均匀光斑。组合半波片2将线偏振光转换为分段径向偏振光3，经过凸透镜19聚焦后进入法布里-珀罗干涉仪4，转换为连续径向偏振光5。经过偏振片b6后，形成具有暗纹的光斑7，其中暗纹的方向与线偏光的偏振方向垂直。通过检测暗纹的旋转角度，可以得到线偏光的偏振面旋转角度，求得待测电流。

设入射偏振光的振幅为a，偏振方向与系统x坐标的夹角为θ，如附图6所示，其电矢量可表示为

组合半波片四个象限的快轴与x轴的夹角为αn

其琼斯矩阵可表述为

入射光经过组合半波片后，得

e2可以分解为分段径向偏振光和分段切向偏振光

经过法布里-珀罗干涉仪，分段径向偏振光演化为x偏振的tem10和y偏振的tem01，叠加为径向偏振光。分段切向偏振光演化为y偏振的tem10和x偏振的tem01，叠加为切向偏振光，二者的琼斯矢量为

其中为光斑的方位角。径向偏振光和切向偏振光叠加为旋转偏振光

e3经过通光方向为x方向的线性偏振片

则出射光强为

当光斑的方位角满足如下条件时，输出光强有最小值

因此，偏振面角度可通过ccd图像传感器测量，根据式(10)得出θ。待测磁场h与θ可通过式(11)进行计算：

θ＝vhl(11)

式中：v为磁光材料的费尔德(verdet)常数；h为电流磁场的强度；l为通光长度。由于h与电流成正比，通过测量θ实现电流测量。

根据式(10)和(11)，h与之间的关系为：

本发明所述的法布里-珀罗干涉仪由两个球形凹面镜组成，球形凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。

所述的法布里-珀罗干涉仪采用共焦球面腔，球形凹面镜之间距离为焦距；腔体长度通过压电陶瓷进行微调，使腔体输出tem01和tem10模式，合成旋转偏振光。

所述的法布里-珀罗干涉仪用于将分段的旋转偏振光变为连续的旋转偏振光。法布里-珀罗干涉仪为一个模式选择器，其结构为共焦球面腔，但是实际的腔体距离偏离共焦距离，仅允许tem01和tem10模式在腔内产生，高阶模式被抑制，从而消除了旋转偏振光的不连续性。旋转偏振光可以看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加。旋转偏振光经过偏振片b后，产生有暗纹的光斑图像。其暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直。本发明通过检测光斑图像中暗纹的方向实现对偏振旋转角度的线性测量。

实施例：

实验系统的额定电流为300a；采用单横模ld光源，工作波长为808nm；采用lpvis050偏振片，波长范围为550-1500nm；采用bi-gd-yig磁光薄膜，厚度为400um，费尔德常数为1.5deg/cm.oe；采用二阶组合半波片，由四块扇形的半波片拼接而成；采用gbe05-b扩束镜，波长范围为650-1050nm；采用lb4879-b凸透镜，波长范围为650-1050nm；采用的dalsa出产的ccd图像传感器，型号为s3-20-02k40。

通过nt700电子式互感器校验仪对本发明进行对比测量，结果如表1所示，满足0.5级电子式电流互感器准确度要求。

表1基本准确度实验数据

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。