熊顯名，閔 旺，秦祖軍

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林541004）

一種全光纖電流傳感器溫度補(bǔ)償方法

熊顯名，閔 旺，秦祖軍

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林541004）

為了解決傳感光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及外界工作環(huán)境的變化導(dǎo)致全光纖電流傳感器測(cè)量精度降低的問(wèn)題，提出了一種基于輸出橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率的全光纖電流傳感器溫度補(bǔ)償方法。論證了橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率能夠反應(yīng)輸出橢圓偏振光的光橢率的大小，利用TMS320F28335和對(duì)應(yīng)算法求出斜率，實(shí)驗(yàn)中使用輸出橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率對(duì)傳感器進(jìn)行修正并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。結(jié)果表明，基于該修正方法的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在單次變溫條件20℃～60℃內(nèi)變化時(shí)測(cè)量結(jié)果偏差滿足0.2s。這一結(jié)果對(duì)全光纖實(shí)用化研究是有幫助的。

激光技術(shù)；全光纖電流互感器；溫度補(bǔ)償；橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率

引 言

電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)和傳輸容量的大幅度提升，對(duì)于電流傳感器的要求越來(lái)越高。而在傳統(tǒng)的高電壓、大電流和強(qiáng)功率的電力系統(tǒng)中，通常采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流互感器存在著一系列的缺點(diǎn)：有發(fā)生系統(tǒng)失效及災(zāi)難性事故的危險(xiǎn)、可能發(fā)生磁飽和現(xiàn)象、頻率響應(yīng)差、電磁干擾嚴(yán)重、設(shè)備笨重、運(yùn)輸安裝困難、成本較高等。而因?yàn)槿饫w電流傳感器（all optical fiber current sensor，AFOCS）采用光纖作為傳感介質(zhì)，所以在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面比傳統(tǒng)的電磁式電流互感器有很大的優(yōu)勢(shì)，而且它不含有交流線圈，不存在開(kāi)路危險(xiǎn)，因而也越來(lái)越受關(guān)注［1-2］。

目前，全光纖電流互感器AFOCS已經(jīng)在許多國(guó)家快速發(fā)展，很多單位在從事光纖電流互感器方面的研究，提出了許多設(shè)計(jì)方案，并有一些已經(jīng)日益趨于成熟和完善，有少量已經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)入到實(shí)用階段。國(guó)外從事該方面研究的單位主要有：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所、ABB公司、日本的東電、住友公司、加拿大NxtPhase公司、法國(guó)ALSTOM公司［3-4］。在國(guó)內(nèi)，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，也有很多學(xué)校和科研單位如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北方交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、燕山大學(xué)等投入大量的人力和財(cái)力從事光纖電流互感器方面的研究［5］。此外，近年來(lái)對(duì)于新技術(shù)和新材料在光纖電流傳感器方向的應(yīng)用也正逐步地發(fā)展起來(lái)［6-8］。

盡管研究機(jī)構(gòu)、高校紛紛投入到AFOCS的研究工作中，但由于環(huán)境溫度的變化、光纖彎曲、測(cè)試平臺(tái)震動(dòng)等外界因素的影響，使得在實(shí)際應(yīng)用中AFOCS測(cè)量精度、穩(wěn)定性仍然不高。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

傳感器系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用雙光路法［9］。光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器變成偏振光后進(jìn)入傳感光纖，再經(jīng)過(guò)檢偏器（這里為渥拉斯頓棱鏡），檢偏器把從傳感光纖中輸出的偏振光分成振動(dòng)方向相互垂直的、傳播方向成一定夾角的兩束光，這兩束光分別通過(guò)光電轉(zhuǎn)換（photoelectric conversion，PC）以及信號(hào)調(diào)理（signal adjust，SA）電路，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processor，DSP）后的電信號(hào)再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化（analog to digital converter，ADC）進(jìn)行采樣，最終使用所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息解調(diào)。

Fig.1 Diagram of all optical fiber current sensor

2 理論分析

由于光纖本身的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及雙折射率隨外界工作環(huán)境的變化［10］，導(dǎo)致從傳感光纖入射的線偏振光從出射端已經(jīng)退化為橢圓偏振光。入射線偏振光的退化情況是由光纖的彎曲程度以及工作環(huán)境變化情況決定的。對(duì)于某一時(shí)刻而言，出射的橢圓偏振光是以確定的角度入射到圖1中的渥拉斯頓棱鏡中的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，工作溫度的變化引起兩合成線偏振光的相位差（以下簡(jiǎn)稱相位差）改變從而導(dǎo)致出射橢圓偏振光的光橢率變化，與此同時(shí)出射的橢圓偏振光主光軸的斜率也在變化，與之對(duì)應(yīng)的調(diào)制靈敏度也在變化。

橢圓運(yùn)動(dòng)可以看成是兩個(gè)相互垂直坐標(biāo)軸（x，y）上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成，橢圓偏振光的兩個(gè)電場(chǎng)分量的表達(dá)式可以寫成［11］：

式中，Ex，Ey分別為x方向和y方向上的矢量，ω為波的圓頻率，ξ為相位差。假定Ax＝Ay＝1，ωt∈（0，2π），隨著相位差ξ的改變，引起橢圓退化以及橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率h的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。

Fig.2 Oval degenerative processes caused by the change ofξ

2.1 相位差與橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率的關(guān)系

Fig.3 Relationship of phase difference and ellipse polarization long axis slope

由圖3可知，當(dāng)傳感光纖繞制合適（ξ＞π／16）時(shí)，k與ξ可以成確定的單調(diào)關(guān)系，且相位差的改變對(duì)于出射橢圓偏振光的橢偏率是確定單調(diào)的關(guān)系［12］。所以，橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率k可以反映出射橢圓偏振光的橢偏率的大小。

2.2 橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率的獲取

由馬呂斯定律可知光路Ⅰ、Ⅱ的出射光強(qiáng)分別為：

式中，E為出纖光強(qiáng)，φ為起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角，α為最大調(diào)制角度，ω0為調(diào)制電流的角速率。

將（3）式除以（2）式可以得到：

在初始φ，α選取合適的情況下：

通過(guò)以上公式推導(dǎo)可知，ADC采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)開(kāi)方、反正切后便可以得到φ－αsin（ω0t）的信息，而這其中φ為起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角，其又為初始角φ0加上橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率k，則k＝φ－φ0；α則反應(yīng)了調(diào)制電流的大小。運(yùn)用相應(yīng)算法分別對(duì)所得的φ－αsin（ω0t）進(jìn)行直流分量的提取以及峰峰值的提取，便也可以求得同一時(shí)刻的k和α的值。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于k的改變導(dǎo)致了α的調(diào)制效率的變化，故這里采用k對(duì)α進(jìn)行修正。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論的可行性，搭建了如圖4所示的測(cè)試平臺(tái)。

Fig.4 Test platform

如圖4所示，測(cè)試平臺(tái)的大電流是由兩級(jí)變壓器產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)第1級(jí)變壓器輸出交流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)粗導(dǎo)線上電流的改變。與圖1論述相同，光路部分的構(gòu)成是采用傳統(tǒng)的偏振調(diào)制型光路。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將光路部分置于變溫箱中。粗導(dǎo)線上的電流通過(guò)傳統(tǒng)電流互感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)并為回歸提供目標(biāo)值。電路部分是由激光光源驅(qū)動(dòng)電路、光電檢測(cè)以及信號(hào)處理（signal process，SP）電路構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于激光器的驅(qū)動(dòng)、傳感信號(hào)的解調(diào)、電流的監(jiān)測(cè)以及將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析回歸。

3.1 光學(xué)部分

光學(xué)傳感頭是由帶尾纖的起偏器、偏振分束器以及傳感光纖構(gòu)成，三者之間是通過(guò)光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接并固定在鋁圈上以減少震動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)測(cè)量效果的影響［13］。在鋁圈上饒制傳感光纖時(shí)應(yīng)當(dāng)注意要滿足第2.1節(jié)中所論述ξ＞π／16的條件。實(shí)驗(yàn)中實(shí)際使用的光學(xué)傳感頭見(jiàn)圖5。

Fig.5 Optical sensor head

3.2 電學(xué)部分

電學(xué)部分將從偏振分束器出射的兩路光信號(hào)分別通過(guò)如圖6所示模擬電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)采樣以及分析。該部分裝入做好的屏蔽盒中以降低外界信號(hào)的干擾。

Fig.6 Modulation circuit of analog signal

TMS320F28335以及ADS8556構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)對(duì)上述調(diào)理后的模擬信號(hào)進(jìn)行采集并將所得到的數(shù)據(jù)做如第2.2節(jié)中所論述的運(yùn)算，最終得到起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角φ、最大調(diào)制角度α。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)還對(duì)傳統(tǒng)電流互感器的輸出信號(hào)（I-V變換）進(jìn)行采集運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)粗電流母線上的電流I監(jiān)測(cè)。TMS320F28335將運(yùn)算得到的φ，α，I數(shù)值通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存放到一個(gè).txt格式的文件中，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析以及回歸處理。

激光光源部分選用了華工正源光子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為TLD-F55SAR2464-1的F-P半導(dǎo)體激光二極管，工作中心波長(zhǎng)為1550nm，最大輸出功率為6mW，并設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定的激光驅(qū)動(dòng)電源［14］。

3.3 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)中，在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)等間隔選取了10個(gè)溫度點(diǎn)，在每一個(gè)溫度點(diǎn)上選取多個(gè)電流值點(diǎn)組成擬合樣本。擬合目標(biāo)函數(shù)變量關(guān)系式為z＝f（φ，α），對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行了3維公式擬合，擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.9999713。將上述擬合所得到的相關(guān)參量重新代入到測(cè)量系統(tǒng)中，將實(shí)驗(yàn)用的變溫箱多次調(diào)節(jié)到連續(xù)變溫的狀態(tài)下測(cè)得多組數(shù)據(jù)，對(duì)照IEC 60044-8關(guān)于電子式電流互感器精度的說(shuō)明［15］，可以得出：利用本文中論述的修正方法，在單次高低溫變化的條件下系統(tǒng)電流值的測(cè)量誤差滿足準(zhǔn)確級(jí)0.2s的要求，隨機(jī)挑選1組實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表1所示。

Table 1 Results of practical measurement

4 結(jié) 論

提出利用橢圓偏振光長(zhǎng)軸斜率來(lái)修正測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)角度變化反求橢圓偏振光的長(zhǎng)軸斜率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的修正方案，經(jīng)修正后的測(cè)量系統(tǒng)在單次溫度變化的條件下系統(tǒng)的測(cè)量精度高，但在多次高低溫循環(huán)后系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果會(huì)整體產(chǎn)生偏差。長(zhǎng)期在同一變溫環(huán)境下傳感光纖的物理特性將趨于穩(wěn)定，這將促使系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)一步提高。此外，選用退火光纖或者是對(duì)實(shí)驗(yàn)用光纖進(jìn)行退火處理也將有益于系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強(qiáng)以及測(cè)量精度的提高［16］。

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A method of temperature compensation for all optical fiber current sensors

XIONG Xianming，MIN Wang，QIN Zujun
（College of Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin 541004，China）

In order to solve the low measurement precision of all optical fiber current sensors induced by the bend and twist of sensor fiber and the change of external environment，a new method was proposed to realize the temperature compensation based on the longer axis slope of elliptic polarized light.It was demonstrated that elliptical polarized light long axis slope can response the change of the output light elasticity.The slope was calculated by TMS320F28335 and some algorithms.The sensor was modified by the elliptical polarized light long axis slope and some actual measurements was done.The experiment results show that the measurement system based on the revised method can meet the required precision of0.2s in a single temperature change of 20℃～60℃.The result is helpful for the research of all optical fiber current sensors.

laser technique；all optical fiber current sensor；temperature compensation；the longer axis slope of elliptic polarized light

TP212.4

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.008

1001-3806（2014）06-0759-05

熊顯名（1964-），男，研究員，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)試、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試及光學(xué)遙感測(cè)試。

E-mail：478266449＠qq.com

2013-11-12；

2014-01-19