基于虚拟仪器的光纤电流感测系统的设计

1、 基于虚拟仪器的光纤电流感测系统的设计摘 要:全光纤电流传感器在高压电网中常用作监测保护和计量,具有重要的实际工程价值,且容易解决高压绝缘和高频电流的测量难题。详细介绍全光纤电流互感器的原理、结构和技术性能。关键词:全光纤电流传感器;电流测量;监测保护。 1.引言光纤具有抗电磁干扰强、电绝缘性能好、柔软可弯曲等优点,还有比其它光学电流传感器体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、易与传输光纤耦合、可长距离传输、便于与计算机连接组成遥测网络等优点,因而基于法拉第旋光效应的全光纤电流 传感器愈来愈受到人们的重视。光纤电流传感器，是为了提供电力工业等使用高电压电流之企业与工厂，对于持续运作设备需要高度可

2、靠性之需求而发展出来的。光纤电流传感器从早期使用检偏器来测量线偏振光对磁场的相位变化量;之后提出使用光纤作为感测电流磁场的组件，但是由于光纤本身对于磁场产生相位变化之系数（费尔德常数）很小，所以直接量测并不够准确，进而改用干涉式来将相位变化量转成为光能量变化，从而通过观察光能量的变化来推算相位变化与电流大小。使用干涉方式将相位信号转换为光能量变化，而相位变化也从主动解调转为被动解调，这是因为主动调变比较容易受到影响，而且有能量消耗，藉此减少从主动解调部分产生的噪声34 5。本文所设计的基于虚拟仪器技术的光纤电流是一种新型电流测量系统，它把虚拟仪器技术应用到光纤式电流互感器中，可用于测量母线电流

3、，实时显示测量信号的参数和波形，可对测量数据进行分析、存储。虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，仪器模块中的数据采集卡、GPIB卡、 VXI模块等用于信号的输入输出。虚拟仪器具有很强的分析处理能力，随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大，同一台虚拟仪器可在更多的场合使用。LabVIEW是美国NI公司开发的虚拟仪器开发平台软件。 LabVIEW有丰富的库函数和功能模块，并且可以方便地与Matlab、C等通用编程语言进行通信，以满足各种需求2 全

4、光纤电流传感器的特性 2.1 光纤取材 (1)用通信光纤制成 把光纤缠绕在电线上,根据安培定理,可以直接测量出电流的大小。通过改变缠绕在电线上的光纤圈数来控制灵敏度。 但一般通信用石英光纤的费尔德(Verolet)常数很小,且光纤绕成线圈将产生很强的线性双折射,使光纤本来很低的费尔德常数又大大降低(约为原来的1/50),加上在电线上缠绕光纤时必须停电,因而无法实际应用。 由于缠绕在电线上的线圈直径不能小于45cm,这就导致极高的温度灵敏度,从而使所得信号的偏振面可能会旋转一个非正常的角度。因此,温度补偿成为这种类型产品的关键问题之一,目前国内的一些大学研究所正在致力找到一个良好的补偿方案。 (

5、2)用块状光学晶体制成 这种传感器可以使用费尔德常数比通信光纤高的特殊晶体材料制成,大大提高了对磁场的灵敏度。而且,晶体退火后释放了内应力,从而减少线性双折射。块状光学晶体本身在温度变化和机械影响的情况下,性质相对稳定,保证了传感器的可靠稳定工作。而且,块状光学玻璃的成本相对低廉,满足能大规模生产的前提。 这种传感器的体积比同规格光纤传感器大,而且,块状光学玻璃不是铁磁性的,所以费尔德常数相对较低,限制了在大电流测量中的应用。 为了解决块状光学晶体存在的问题,一些学者发现了一种提高传感器灵敏度方法在块状光学玻璃周围排列多环路的阵列已经被,但是在应用中这样的结构有一定的局限性,即容易产生温度波动

6、。这个问题的解决方法正在研究之中。 (3)用磁光材料制成 铁磁性的材料每单位厚度具有很大的费尔德常数,例如BiTb2Y3Fe5O12,这样就可以用很小的法拉第旋转角度测量特定的磁场强度,使体积大大减小,从而能够降低成本、降低安装难度。 据国外专业厂家介绍,这种材料的生产方法已经成熟。并且,还可以直接应用到其他领域,特别是光通信,已经形成的规模效应远远超过了光学晶体和光纤材质的传感器。2.2 安装方法 用一个与电缆直径大小匹配的一个特制支撑钳4将其固定在电缆上。支撑钳4有3个作用:固定光纤电流传感器使之在指定的位置;避免光纤传感器内部材料产生法拉第效应,发生磁饱和;便于光纤电流传感器 的安装和拆

7、卸,光纤电流传感器在操作的时候不直接与电缆接触,不会影响电缆的正常工作,对操作人员来说也更安全。 固定器5有两个作用:固定光纤1和光纤2;尽量使光纤1和光纤2伸直,减少双折射现象。2.3 全光纤电流传感器的结构 光纤电流传感器 一个半导体激光器发射出来的光通过分叉， 管进入光纤电流传感器,分叉管1内部有一传输光纤。从出来的光经过毛细管7打到一个四分之一格林透镜上,格林透镜被固定在中空管5和有色平行管内,格林透镜的作用是校准并传输入射光,然后光打到偏光镜上,偏光镜被固定在固定器/调整器里,通过的光产生了一个具有特定偏振态的任意光。 旋转材料以特定的方向被旋转材料载体和紧固销固定在传感器内。旋转材

8、料中 空,其列阵与从偏光镜13传播出的光波面一致。在和之间是一个调整定位片,用于微调偏光镜13。从偏光镜13出射的光波通过定位片打到旋转材料上,在磁场的作用下光波的偏振方向发生了一定的旋转,这个旋转角度和磁场的强度成正比。 透过旋转材料的光波打到定位片18上,固定在旋转材料载体和固定器/调整器之间。固定器/调整器用来固定偏光镜,偏光镜和13的传光轴在同一平面内,但偏了一个角度,偏光镜的作用是把从旋转材料19出来的旋 转了一个角度的偏振光分出一个光强与磁场强度 有关的偏振光。剩下部分就是和前面描述的对应了。从光纤10和2出来的光被光电倍增管变成电信号,最后电信号由电信号处理器进行处理。2.4 磁

9、光全光纤电流传感器技术指标 (1)技术指标 在60Hz正弦激励作用下,光纤电流传感器的小/大信号线性度的测试表明,传感器对于小信号电流相应的线性度非常好,对于大信号电流相应是线性的,但是随着电流幅值的增大至接近2kA时,出现了磁滞现象,这仅与产生法拉第效应 的材料有关,不会限制传感器的应用。 磁光全光纤电流传感器技术指标 动态范围/dB60 频率响应/Hz标准520,更宽亦可 满量程/A1)303000 隔离电压/kV 高于11.3(峰峰值)绝对误差(不含磁通量集中器)小于±0.6%满量程敏感度分辨率高于0.01%满量程重复性高于0.1%满量程漂移 小于2%/1000h 温度量程(无

10、补偿2)/ 1933(有补偿 3) )/ -4070传感器重量4) /g(不含磁通量集中器) 注：1)标准满量程是3000A。最大量程可以根据实际应用,通过切割法拉第水晶厚度以及位置来调整; 2)“无温度补偿”测量使用纯的模拟信号处理系统; 3)“有温度补偿”测量需要使用数字信号处理系统; 4)重量不受被测电流或电压的影响。 (2)全光纤电流传感器的模式 全光纤电流传感器有非往返式和往返式两种模式。非往返式操作系统是光只从一个方向通过电流传感元件,而往返式操作系统就是光从两个相反的方向同时通过电流传感元件。非往返式光电转换系统一般用在小信号处理和降低成本的场合;而往返式光电转换系统一般用在大信

11、号的处理或者用于避免震动的场合。两种模式下设备的 工作方式是相同的。 图3给出3种光纤电流传感器的往返式光电转换系统。 在图3(a)中,半导体光源产生一个偏振光通过光纤电流转换器,转换器输出的光强与磁场强度成正比,经光电二极管把光信号转换成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理。图3(b)中,多了一个偏振分光镜和一个光电二极管,从转换器出来的光经过分光镜后,分成了两束相互正交的偏正光,经两个光电二极管,光信号变成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理。 非往返式系统1与非往返式系统2相比有一个优点,如果入射光直接与输入光纤相连,那就没有必要用偏光镜,偏振分光镜已经起到了偏光镜的作用。 图3(c

12、)是另一种光纤电流传感器的非往返式光电转换系统,与图3(b)不同的是多了一个半导体光源和一个光耦合器。两个半导体光源交替产生的偏振光经光耦合器以相同的路径到达转换器,从转换器出来的光经过分光镜后,分成了两束相互正交的偏正光,经两个光电二极管,光信号变成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理。与图3(b)系统不同的是这个系统可同时测量光的与磁场大小成比例的旋转角和温度的变化。 图4则是往返式光纤电流传感器的光电转换系统,与图3(c)不同的是多了一个偏振分光镜、两个光电二极管以及两个光耦合器。它的原理与上面不同的是从耦合器出来的光分成相反的两路,分别经耦合器到达转换器,然后再经耦合器分别送至两个偏

13、振分光镜。这个系统可以同时测量光的与磁场大小成比 例的旋转角和温度的变化,与非往返式的光电转换系统相比,处理信号更加稳定和准确。3. 光纤电流感测系统的硬件组成图1 基于虚拟仪器的光纤电流感测系统如图1所示是整个硬件系统的方框图。光纤电流感测系统输出的光纤干涉信号经过光电转换电路变成电信号，再由数据采集卡收集信号数据传输到虚拟仪器的软件系统。3.1光纤电流感测基本原理1946年米切尔法拉第(MochaelFaraday) 发现当一束线偏振光入射至磁性介质后,偏振方向发生改变,并且会由线偏振光变成椭圆光。它的偏振面发生了旋转。这种特性称谓法拉第效应,被广泛应用于光纤通讯领域,特别是用在阻止从耦合

14、连接处产生的反射光线回到光源,改变光源的频率、功率输出等参数。 在本文光纤电流感测系统中，是利用法拉第（Faraday）效应来感测电流所产生的磁场强度。所谓法拉第效应就是电磁波经过一个磁场时，若磁场方向与光的传播方向平行，电磁波会因为磁场的影响，产生出射的线偏振光的偏振平面相对入射偏振光的偏振平面的旋转，而且此偏振光的偏振平面的旋转量与磁场强度和电磁波在磁场中行进距离成正比。而磁场对电磁波的这种影响称为法拉第效应，这种影响是电磁场固有的特性，由物理学家法拉第发现，并由此命名。因此在系统中，我们将光纤缠绕在待测电流上，使光纤与磁场方向互相平行，使有效的法拉第效应最大，由于光也是电磁波，所以光在磁

15、场中会受法拉第效应影响产生相位旋转，而根据旋转的量，可以计算待测磁场的大小。在此系统中，是利用电流来产生磁场，传播的线偏振光的偏振方向所发生的总的偏转角为：（1）这里V为光纤的费尔徳常数，l为受法拉第效应影响的光纤长度，而Hl为平行光纤行进方向的磁场分量。根据安培定律以光纤环状缠绕待测电流，公式（1）经过环积分运算为（2）N为光纤缠绕圈数，i为待测电流强度，因此F为光纤缠绕圈数与待测电流的函数。从上面分当磁场H穿过传感头导体中的电流I产生,且光路围绕载流导体闭合时,利用安培环路定律上式可改写为: =VNLI (2) 式中 NL围绕载流导体闭合光路圈数。 可见,只要测出偏振光旋转的角度,即可计算

16、出待测电流的大小。另外,利用适当的光路设计增加围绕载流导体的光路圈数可提高传感头灵敏度。 光线偏振面的转旋角与磁场强度成正比,磁场强度与电流和温度成正比。测出通过磁场的光的偏振面的旋转角,就可以计算出电流强度。 根据法拉第效应,把光学传感器阵列放置在磁场中。通过监测入射光偏振面的旋转情况,得到磁场强度和电流。 用通信光纤、块状光学玻璃和磁光光纤都能产生法拉第效应。分析可知，在闭合光路的条件下，通过光纤并环绕截流导线的线偏振光的偏振角的变化，与光纤所围的电流成正比。3.2光纤电流感测光路系统图2 光纤电流感测光路系统光纤电流感测光路如图2所示，由激光接上光隔离器、光消偏振器、光循环器、光偏振器、

17、四分之一波长板、法拉第旋转器、感测头、法拉第反射镜组合而成。在激光输出端，通常都会接上一个光隔离器，光隔离器是只允许光波单方向传输组件，常使用在光源后面，其功能是避免反射的光波回到激光的共振腔，而影响激光的正常操，甚至烧毁激光。激光输出的光既不是纯粹偏振光，也不是非偏振光，而是有残余部分偏振状态偏振光。由于这样的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通过光偏振器产生的线性偏振光能量也会随着通过之偏振光与光偏振器之夹角而变化。为了要避免这种光能量因偏振光与光偏振器之角度变化产生光功率变化的情况，在系统中使用消光偏振器来消除激光的偏振状态，从而产生一个无偏振状态的光源，对于各个方向都含有相同的能量，在经

18、过光路后光偏振器而产生稳定之偏振光，从而使系统响应信号的强度噪声降低。光循环器是利用法拉第原理，使得光在光纤路径上不会相互的耦合，具有单向传输的特性，并且具有隔离器的功能。系统中的光偏振器的作用是产生线性偏振光，并且产生四十五度角分光，使两道光在X方向与Y方向中行进，并且在偏振保持光纤中X方向与Y方向具有相同光能量;而四分之一波长板是将线性偏振光转换成左旋圆偏振光与右旋偏振化光。对电流的感应是在光纤感测头部分，此系统中的感测头为将光纤以相同距离缠绕电流上，这是希望光纤上每一点都对磁场有相同的相位变化，而且每一点所产生的弯曲损耗也都相同。最后使用法拉第反射镜，将光予以反射，法拉第反射镜可以将光旋

19、转九十度，从而对于在不同路径上行走的光，旋转九十度而达到交换路径，而达到补偿温度或是振动造成的光纤折射率之缓慢变化。光经过光隔离器，光解偏振器，光循环器，光偏振器，四分之一波长板，感测头，法拉第反射镜之后在反向经过光纤电流感测头，四分之一波长板，光偏振器，完成一个回路;在光偏振器的地方产生干涉，由光电转换电路将干涉光转成电信号之后，在进行信号分析。4. 光纤电流感测虚拟软件系统本光纤电流感测系统的虚拟软件采用NI公司的LabVIEW开发平台，用图形化语言，根据需要编写相关的驱动程序使其于计算机通信，然后将相关的图形或图标进行连接，选择合理的方法及参数就可以构成一种新的虚拟仪器。软件系统具有良好

20、的人机界面，操作简单方便。LabVIEW是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境。它与C、Pascal、Basic等传统编程语言有着诸多相似之处如，相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程;而LabVIEW使用图形语言（即，各种图标、图形符号、连线等）以框图的形式编写程序。用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此LabVIEW对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。4.1虚拟软件系

21、统功能本虚拟软件将有关测试功能集成在一个面板上，这里着重介绍LabVIEW的框图程序设计。框图程序是虚拟仪器的核心部分，虚拟示波器仪器主要由它来完成数据的采集、处理和显示。本系统框图程序主要包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析和波形存储及回放等5大功能模块，如图3示。图3 光纤电流虚拟软件测量系统4.1.1 数据采集模块LabVIEW完整地集成了与GPIB、VXI、RS-232、RS-485和内插式数据采集卡等硬件的通信内置程序库，提供了大量的连接机制，通过 DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码或软件系统的连接。本系统直接调用LabVIEW的端口操作图标InPortvi和 O

22、utPort.vi进行编程。 这两个函数存放在功能模块的Advanced子模板的下一级模板Memor模板中，分别完成从设备的物理地址直接读取和输出数据的功能。只要清楚数据采集卡每个信道的物理地址，通过对InPort.vi和OutPort.vi的端口参数设置，可以很方便地实现 LabVIEW驱动控制数据采集卡进行数据采集。这里我们采用PCI21200数据采集卡。该模块采样频率可以在1Hz到250MHz之间调节，时基即水平方向每格代表的时间可以在每格4ns （4ns/Division） 到每格20000s （20000s / Division）之间变化。4.1.2 波形显示模块软件提供了波形显示方

23、式是通过显示通道选择按钮“A”和“B”，可以任意显示某一通道或两通道输入信号一起显示的波形。4.1.3 参数测量模块参数测量模块包括电流、电压参数和频率、周期等时间参数的测量并显示其测量结果。4.1.4 频谱分析模块频谱分析模块采用快速FFT算法，完成频域信号分析。频谱分析功能：（1）提供了9种加窗的分析窗口;（2）完成了被测信号的幅值谱分析和功率谱分析。4.1.5 数据存储模块主面板“储存”与“读取”按键，能将有关数据储存到软盘或硬盘;或者从软盘或硬盘上读取的数据，自动显示波形并保留在显示窗口。4.2 电流比差实验结果在系统中，我们设计光纤部分电流测试的额定电流为500A，额定电压为50kV，用该虚拟仪器系统对光纤感应电流进行测量。用变压器模拟大电流，通过虚拟仪器进行数据处理，得到的比差数据见表1：表1 比差试验数据从比差实验结果来看，测试精度较高，能够满足实际要求。5. 结束语本文工作创新之处