专利名称：全光纤电流测试方法
技术领域：
本发明是全光纤电流测试方法。
背景技术：
大电流测试是电力工业系统长期关注的一个问题，由于传统的电流测试系统重达吨数量级，体积庞大，安装调试困难，在实际应用中存在许多问题。随着光纤技术的完善和器件的成熟，利用光纤实现对大电流的测试，是人们一致关注的问题，近年来取得了一定进展。其测试原理大多数利用了电流使光的偏振态发生改变的法拉第效应。由于法拉第效应的温度影响较大，且光的偏振态自身也不稳定，使能真正实用化的大电流传感测试系统存在诸多不足。

发明内容
本发明的目的是获得一种测试系统简单、精度高、不受外界影响的光纤电流测试方法。
本发明的全光纤测试方法，其测试装置由全光纤干涉装置9、可使光纤产生应变的传感头4、光电探测和放大电路5、6、采集卡和数据处理10组成。结构框图如图1所示。全光纤干涉装置发出的两路光，一路从端口7经过光纤延迟线3后经过传感头4顺时针传输到端口8，另一路从端口8的光先通过传感头4后通过光纤延迟线3反时针传输到端口7，两光束在3×3光纤耦合器2中形成携带有待测电流特征的调制光信号，被探测器5、6接收；通过反演干涉信号，最终获得电流大小，实现对电流信号的测试。
在如图3所示的传感头结构中，传感头由两圆柱组成，待测电流缠绕在外圆柱上，光纤和外加小电流导线缠绕在内圆柱上，内圆柱上的导线将受到安培力F的作用，其大小与线圈间电流的大小成正比，外圆柱上缠绕的导线内待测电流为I(t)，内圆柱上缠绕的导线内的电流为外加调制电流，大小为i(t)。内圆柱上同时缠绕光纤，并且圆柱形变与外部应力保持线性关系，由于电流的作用形成的光纤应力形变量ζ(t)与电流间的关系可表示为ζ(t)＝αI(t)i(t) (1)式中，比例系数α与材料特性应变系数、磁导率和两圆柱结构参数有关。
上述关系为传感头产生的干涉光束光程变化量ζ是通电线圈在待测电流产生的磁场中的位移。
如果传感头由通电线圈放置在磁场分布为常数(永磁体形成的磁场)的结构装置构成，如图4所示，线圈将产生随电流大小变化而运动的情况，运动形成的位移ζ与电流大小和磁场的乘积成正比，表示为ζ(t)＝α′I(t) (1′)式中，比例系数α′与永磁体磁场分布、磁导率和电流线圈结构等参数有关。
利用全光纤应变测试系统，如能准确测量应变ζ(t)，在图3所示的传感头结构中，在i(t)为已知的情况下，可利用式(1)，计算出电流I(t)；在图4所示的传感头结构中，利用式(1′)可计算出电流I(t)。
本发明3×3光纤耦合器是锥形耦合器。其分光比一般为1∶1∶1，也可是非均匀功率。测试装置的光纤耦合器、光纤、光纤延迟线，可以是单模，也可以是多模光纤。数据采集和数据处理装置提供对两路输出信号的采集和电流大小的反演功能。
下面，以图2所示的结构为例，具体推导系统的工作原理。
激光器发出的光被耦合器分束后，形成正时针和反时针传输的两路光，由于光纤延迟线的存在，两束光通过扰动源的时间不同，对应的扰动信号也不同，假设通过光纤延迟线的光时间延迟为τ，τ与光纤长度L的关系可表示为τ=neffLC---(2)]]>C为真空中的光速，L是光纤延迟-线长度，neff为光纤的等效折射率。
由于顺时针传输光和反时针传输光形成的光程差，仅与应变区产生的应变量有关，定义应变量A(t)为应变区光纤长度的变化量ζ与折射率ns的乘积，即A(t)＝ns(t)ζ(t) (3)由于光纤延迟线的存在，使得顺时针传输光和反时针传输光形成的光称差ΔL可表示为ΔL＝ns(t)ζ(t)-ns(t-τ)ζ(t-τ)(4)一般情况下，光纤折射率变化往往可以忽略，所以，有下式成立ns(t)＝ns(t-τ)＝ns(5)
考虑到式(4)和式(5)，在全光纤干涉系统中，干涉条纹数N(t)与光程差ΔL的关系可表示为N(t)=ΔLλ=nsλ[ζ(t)-ζ(t-τ)]---(6)]]>N(t)对应于干涉光的相位(t)为 利用中值定理，上式可以改写为 利用上式，通过相位可计算出应变量的微分，积分后可计算出应变量随时间的变化关系。
根据3×3光纤耦合器的干涉特性，在两路探测信号输出端，干涉信号可分别表示为I1(t)＝I0cos[(t)+0] (9)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (10)我们将式(8)、(9)分别相加、减，得到下面两式I+＝2I0cos0cos[(t)] (11)I-＝2I0sin0sin[(t)] (12)上面两式中，初始相位与微应变引起的相位变化完全分开，将大大提高系统的测试精度，特别是式(12)，在小信号测试中，灵敏度达到最大值。利用式(1)(8)(11)(12)，计算出测试电流I(t)。
本发明中光电转换和放大电路提供输出最大信号电压10伏的交流信号，信号最大频率为100KWZ。
本发明所用激光器工作波长是1.31μm或1.55μm，如半导体激光二极管(LD)或半导体发光二极管(LED)激光器，或者超辐射发光二极管(SLD)激光器。
本发明方法的突出优点利用传感头形成的相干光束光程变化与待测电流密切相关的特点，通过干涉光信号的相位关系，实现对电流测试功能。该方法的突出优点是系统不存在线性工作区的限制，系统测试灵敏度可根据具体情况调节，不仅能够保障大电流状况下的测试精度，还能确保小电流状况下的测试精度。系统通过磁致干涉光束光程变化实现对电流的测试方法，改变了以往大多数光纤电流测试依赖于法拉第旋转效应的技术方法，具有测试系统简单，不存在光路偏振控制等技术问题，相干光束具有对称光路特性，可消除热效应和外界振动等缓慢变化因素对系统的影响，具有很强的商业开发性。


图1是本发明的测试方法结构图。4是磁致相干光束光程变化传感头，9是全光纤干涉系统，5、6是光电转换和放大电路的光电探测器，10是数据采集和数据处理装置。
图2是全光纤干涉系统结构图。1是稳定光源，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是传感头，5、6是光电探测器，7、8是3×3光纤耦合器的两个端口。
图3是传感头结构之一图。内圆柱上缠绕光纤和外加电流，外圆柱上缠绕待测电流线圈。
图4是传感头结构之二图，箭头表示磁场磁力线分布，该磁场可以是永磁铁产生，也可以是恒定电流产生，垂直于线圈形成的柱面。圆柱上缠绕待测电流通过的导线。同时，圆柱体底面上贴有反光薄膜，由全光纤干涉结构传输来的光通过该薄膜反射回全光纤干涉结构。由电流大小改变引起的圆柱体的运动将通过全光纤干涉结构进行信号提取和反演。
图5为全光纤干涉系统输出的信号波形图。与公式(12)对应。横坐标为时间轴，单位为毫秒；纵坐标为反映干涉信号幅度的电压信号，单位为伏。
图6是反演出的电流波形图。横坐标为时间轴，单位为毫秒；纵坐标为待测电流大小，单位为安培。
具体实施例方式
为了验证提出的电流测试方法，进行了实验测试，测试电流为最大峰值6.6安培频率50Hz的交流电流。具体的实验结构框图如图1所示，由激光器(1)发出的光通过跳线连接进入光纤耦合器(2)，被分束后，一路光由耦合器(7)端通过光纤延迟线(3)到达传感探头(4)，最后回到光纤(8)端；另一束光由耦合器(8)端，经过传感头(4)后到达光纤延迟线(3)，回到光纤耦合器(7)端，干涉信号经过光电探测器(5)(6)接收后得到电信号，电信号经过放大电路放大，被数据采集卡采集，经过数据处理，得到电流信号。
在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光纤准直器为武汉邮电研究院生产的型号为FCO-155-A-C-09/FC/APC光纤准直器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国生产的“康宁”G652型单模光纤。全光纤微应变测试系统如图2所示，探头结构采用图4所示的结构。光纤耦合器与光纤和光纤延迟线的连接方式为融接方式连接，光源与干涉系统的连接方式为FC/PC跳线连接，干涉系统与探测器的连接采用FC/PC连接。得到的电流测试波形如图5所示，信号周期为标准的20毫秒，对应电流频率50Hz。
权利要求
1.一种全光纤电流测试方法，测试装置由全光纤干涉装置(9)、可使光纤产生应变的传感头(4)、光电探测和放大电路(5)(6)、采集卡和数据处理(10)组成，其特征是全光纤干涉装置发出的两路光，一路从端口(7)经过光纤延迟线(3)后经过传感头(4)顺时针传输到端口(8)，另一路从端口(8)的光先通过传感头(4)后通过光纤延迟线(3)反时针传输到端口(7)，两光束在3×3光纤耦合器(2)中形成携带有待测电流特征的调制光信号，被探测器(5)、(6)接收；通过反演干涉信号，最终获得电流大小，实现对电流信号的测试。
2.根据权利要求1所述的全光纤电流测试方法，其特征是传感头(4)是两个圆柱体组成，待测电流绕在外圆柱体上，光纤和外加小电流导线绕在内圆柱上。
3.根据权利要求2所述的全光纤电流测试方法，其特征是传感头产生的干涉光束光程变化量是外加通电线圈在待测电流产生的磁场中的位移。
4.根据权利要求2所述的全光纤电流测试方法，其特征是传感头产生的干涉光束光程变化量是磁致伸缩材料产生的伸缩量。
5.根据权利要求1所述的全光纤电流测试方法，其特征是3×3光纤耦合器(2)是锥形光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述的全光纤电流测试方法，其特征是所用光纤耦合器(2)、光纤(12)、光纤延迟线(3)是单模光纤，或者是多模光纤。
7.根据权利要求1所述的全光纤电流测试方法，其特征是数据采集和数据处理(10)装置，提供对两路输出信号的采集和电流大小的反演功能。
8.根据权利要求1所述的全光纤电流测试方法，其特征是所用的激光器(1)工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器。
全文摘要
本发明是一种新的电流测试方法。现有技术存在测试受外界影响带来结果不稳定等不足。本发明利用传感头形成的相干光束光程变化与待测电流密切相关的特点，通过干涉光信号的相位关系，实现对电流测试功能。该方法的突出优点是系统不存在线性工作区的限制，系统测试灵敏度可根据具体情况调节，不仅能够保障大电流状况下的测试精度，还能确保小电流状况下的测试精度。系统通过磁致干涉光束光程变化实现对电流的测试方法，改变了以往大多数光纤电流测试依赖于法拉第旋转效应的技术方法，具有测试系统简单，不存在光路偏振控制等技术问题，相干光束具有对称光路特性，可消除热效应和外界振动等缓慢变化因素对系统的影响，具有很强的商业开发性。
文档编号G01R15/24GK1488946SQ0314212
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月7日 优先权日2003年8月7日
发明者贾波, 贾 波 申请人:复旦大学