谐振型光纤电流传感系统及工作方法

本发明涉及光学传感技术，具体地，涉及谐振型光纤电流传感系统及工作方法。

背景技术：

1、光纤电流传感器是一种基于法拉第效应的测量电流的传感器。在进行电流传感时，光在电生磁场中的光学介质中传播时，不同圆偏振的光波感受到的折射率不同，导致传输相同的长度后相位差不同，使得合成后的线偏振光的偏振方向发生变化，通过检测该线偏光的偏振方向变化，可恢复待测电流的大小和方向。与基于电磁式电流互感器和电子式电流互感器相比，光纤电流传感器既能够检测交流电流，也能够适用于直流电的测量；没有铁芯磁饱和的制约，响应速度快、动态范围大；传感装置由光学器件构成，抗环境电磁干扰能力强；信号通过不导电的光纤传输，大大降低了高压绝缘的难度，是一种前景广泛的电流传感技术。

2、光纤电流传感器的敏感元件是光纤，传统的光纤电流传感器均采用直接检测法拉第效应引起左旋与右旋偏振光之间的相位差的方案，或者检测该相位差导致的线偏振光偏振面旋转角的方案，由于光纤的维尔德(verdet)常数一般较小，导致法拉第磁光效应通常较为微弱，并且由于环境温度漂移等因素的影响，法拉第效应引起的偏振面旋转角度及相应的相位差很小，易被噪声掩盖，很大程度上限制了系统灵敏度。为了提高光纤电流传感器的精度，可以采用更多匝的传感光纤来增强法拉第效应，但是增加光纤的匝数需要更大体积的光纤环，增加了光纤环内温度的不均匀性问题和传感系统的布设难度；并且，传感光纤环内法拉第效应引起的相位差在经过光纤到达解调单元的路径上，容易受到外界振动和温度变化的干扰，影响了光纤电流传感系统在实际应用中的检测精度和抗干扰能力。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种谐振型光纤电流传感系统及工作方法。

2、根据本发明提供的一种谐振型光纤电流传感系统，包括：信号发生及检测系统、光纤谐振腔传感单元、波片单元以及光调制器单元；

3、所述信号发生及检测系统连接所述光纤谐振腔传感单元，所述信号发生及检测系统和所述光纤谐振腔传感单元之间设置所述光调制器单元和所述波片单元。

4、优选地，所述信号发生及检测系统包括：低相干光源、光环形器、光电探测器、信号处理单元以及起偏器；

5、所述光环形器的3个端口分别连接所述低相干光源、所述光电探测器以及所述起偏器，所述光电探测器连接所述信号处理单元；

6、所述起偏器和所述信号处理单元连接所述光调制器单元。

7、优选地，所述光纤谐振腔传感单元包括：光纤环形谐振单元或光纤线形谐振单元；

8、所述波片单元包括：第一波片单元或第二波片单元；

9、所述光调制器单元包括：第一光调制器单元或第二光调制器单元；

10、当所述光纤谐振腔传感单元采用所述光纤环形谐振单元时，所述光纤环形谐振单元连接所述第一波片单元，所述第一波片单元连接所述第一光调制器单元，所述第一光调制器单元连接所述起偏器和所述信号处理单元；

11、当所述光纤谐振腔传感单元采用所述光纤线形谐振单元时，所述光纤线形谐振单元连接所述第二波片单元，所述第二波片单元连接所述第二光调制器单元，所述第二光调制器单元连接所述起偏器和所述信号处理单元。

12、优选地，所述光纤环形谐振单元包括：光纤环形谐振腔、谐振器第一光耦合器以及谐振器第二光耦合器；

13、所述光纤环形谐振腔设置为首尾相连的环形光纤并环绕在待测电流导体的周侧，所述光纤环形谐振腔上熔接所述谐振器第一光耦合器和所述谐振器第二光耦合器。

14、优选地，所述第一波片单元包括：第一波片和第二波片；

15、所述谐振器第一光耦合器连接所述第一波片，所述谐振器第二光耦合器连接所述第二波片。

16、优选地，所述第一光调制器单元为y波导调制器，所述第一光调制器单元包括：光耦合器、第一光调制器以及第二光调制器；

17、所述第一波片连接所述第一光调制器，所述第二波片连接所述第二光调制器，所述第一光调制器和所述第二光调制器连接所述光耦合器；

18、所述光耦合器连接所述起偏器，所述信号处理单元连接所述第一光调制器和所述第二光调制器。

19、优选地，所述光纤线形谐振单元包括：光纤线形谐振腔、线形腔光耦合器、线形腔第一反射镜以及线形腔第二反射镜；

20、所述光纤线形谐振腔设置为首尾断开的环形光纤并环绕在待测电流导体的周侧，所述光纤线形谐振腔的首尾两端分别安装所述线形腔第一反射镜和所述线形腔第二反射镜，所述光纤线形谐振腔的首尾两端之间熔接所述线形腔光耦合器。

21、优选地，所述第二波片单元包括：第三波片；

22、所述线形腔光耦合器连接所述第三波片。

23、优选地，所述第二光调制器单元包括：第三光调制器；

24、所述第三光调制器连接所述第三波片、所述起偏器以及所述信号处理单元；

25、所述第三光调制器为可双轴调制的直波导相位调制器。

26、优选地，所述第三光调制器和所述起偏器之间设置45度旋转夹角的熔接点。

27、优选地，一种所述谐振型光纤电流传感系统的工作方法，包括以下步骤：

28、步骤s1、所述信号处理单元产生重复频率为22khz的锯齿波信号，施加到所述光调制器单元上，使所述光调制器单元的两臂产生大小相等、方向相反的频移，改变锯齿波信号的幅度可以改变频移量的大小；

29、同时，产生与锯齿波信号同步的方波信号作为解调用的参考信号；

30、所述信号处理单元采集到所述光电探测器输出的电压信号，以所述电压信号作为参考信号进行同步解调，得到解调输出信号；

31、步骤s2、对传感系统进行测试，通过逐步改变所述光调制器单元上锯齿波信号的电压幅度，使得两臂产生的频移差逐步从-275khz调谐至275khz，以模拟电流作用下光纤环形谐振腔和光纤线形谐振腔上两个方向上圆偏振光具有不同的谐振频率差，同时记录所述光电探测器检测到的光功率与所述信号处理单元解调输出的信号，所述信号处理单元解调输出的信号正比于待测电流，比例系数记为k；

32、步骤s3、开环工作模式下，在传感器量程之内所述信号处理单元解调输出的信号正比于待测电流，当待测电流导体通以一定强度的电流时，由所述信号处理单元输出的解调信号利用比例系数k计算得到电流的大小和方向；

33、步骤s4、在需要大测量范围的场合可以采用闭环工作模式，此时所述信号处理单元利用解调输出信号作为误差信号，实时调整施加到所述光调制器单元上锯齿波电压的幅度和相位，使所述光调制器单元产生的频移完全补偿待测电流磁场导致的圆偏振光的谐振频率变化，此时，所述光调制器单元上的电压幅度和符号正比于待测电流，乘以标定系数即得到待测电流的大小和方向。

34、开环工作模式指整个测量过程中将测量系统配置好后，对待测电流导体通以电流后，便能直接从解调信号中读出测量值，不做反馈控制；

35、闭环工作模式指在开环工作模式基础上，系统被控的输出测量值以一定方式返回到控制的输入端，即对光调制器单元实时施加一个移频信号以补偿待测电流导致的频移量，实现解调输出信号始终维持在原始值的功能，是做反馈控制。

36、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

37、本发明采用光纤谐振腔作为敏感单元，检测法拉第效应引起的光的谐振频率差，与传统方案中检测法拉第效应引起的相位差方案相比，灵敏度更高，且抗环境干扰能力更强。