CN109696577A - 一种集成温度监测的光纤电流传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成温度监测的光纤电流传感器及其测量方法，装置包括光源模块、光纤电流传感模块、光纤温度传感模块以及信号处理模块，所述光源模块提供测试光源；所述光纤电流传感模块和光纤温度传感模块分别采集并处理待测导线的电流信息和温度信息，并传输至信号处理模块；所述信号处理模块包括电流信号处理子模块和温度信号处理子模块，分别接收并处理待测导线电流信息及工作温度信息，电流信号处理子模块同步接收工作温度信息，对电流初值进行补偿计算后输出精确的电流值。本发明提供的测量方法完全基于上述装置，解决了由于忽略温度波动导致的光纤电流传感器测量精度及可靠性差的难题，同时可以达到节省制作成本，故障报警的目的。

Description

一种集成温度监测的光纤电流传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及光纤电流传感器技术领域，具体涉及一种集成温度监测的光纤电流传感器及其测量方法。

背景技术

在电力***中，需要测定电流、温度等参数，由于传统的电磁式传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，而光纤传感器普遍具有体积小、重量轻、可绕性好、绝缘性好、抗电磁干扰能力强等优点，在高压、高温、腐蚀、电气噪声等环境下也有着不错的效果，所以光纤传感器倍受电力行业的青睐。

光纤电流传感器是采用光纤作为敏感元件进行传感的一种电流传感器。其工作原理是将传感光纤缠绕在待测导线上，根据法拉第磁光效应，导线中电流产生的磁场将使光纤对左旋和右旋偏振光的折射率不同，通过传感光纤后产生相位差，从而实现对电流的测量。

在1996年J.Blake教授等人发表的《In-Line Sagnac Interferometer CurrentSensor》一文中，介绍了一种从Sagnac环结构中演变出来的反射式Sagnac干涉型电流传感器。这种光纤电流传感器对振动和转动不敏感，同时消除了大部分因温度变化和光纤附加线性双折射带来的相位误差，简化了***的结构，提高了***的精确性，使光纤电流传感器具有了更强的实用性。但是在实际的应用中，光纤线路布置在室外，四季、昼夜温度的起伏会对传感线圈部分的温度特性有着一定程度的影响。在现有的光纤制备工艺和安装操作条件下，光纤中本就含有附加线性双折射，当温度变化时，光纤中的线性双折射又会随之变化，使得本就微小难测的法拉第相移会因为温度的变化而变得更加难以准确测量。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种集成温度监测的光纤电流传感器及其测量方法，在光纤电流传感器的基础上集成了温度监测模块，并且使用光纤电流传感器本身的光源和部分光路，能够同时监测出光纤的工作温度，从而对后期数据处理做出补偿，得到更加精确的电流值，解决了现有技术中由于忽略光纤温度波动导致的光纤电流传感器测量精度及可靠性差的难题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种集成温度监测的光纤电流传感器，其特征在于：主要包括光源模块、光纤电流传感模块、光纤温度传感模块以及信号处理模块；

所述光源模块与光纤电流传感模块光连接，提供光源，所述光纤电流传感器测量待测导线电流信息，并将电流信息传送至信号处理模块；

所述光纤温度传感模块集成在光纤电流传感模块之上，并且与光纤电流传感模块共用光源模块，用于采集光纤工作温度信息，同时将温度信息传送至信号处理模块；

所述信号处理模块包括电流信号处理子模块和温度信号处理子模块，所述电流信号处理子模块连接光纤电流传感模块，接收并处理待测导线电流信息，获得待测导线电流初值，温度信号处理子模块连接光纤温度传感模块，接收并处理工作温度信息，获得工作温度值，输出温度监测结果；所述电流信号处理子模块同步接收温度信号处理子模块输出的工作温度值，对待测导线电流初值进行补偿运算后输出精确的电流值。

其目的在于：通过光源模块，光纤电流传感模块以及光纤温度传感模块的协同工作，获取待测导线的电流信息及温度信息，在信号处理模块中实现运算处理、温度补偿和输出，保证输出电流值的高精度。

优选地，所述光源模块采用宽带光源。

优选地，所述光纤电流传感模块采用反射式Sagnac干涉型电流传感器。

优选地，所述光纤温度传感模块采用光纤光栅温度传感器，集成于所述光纤电流传感器上，并且共用光源模块。

本发明还提供一种采用上述集成温度监测的光纤电流传感器测量电流的方法，其特征在于主要包括以下步骤：

1)光纤电流传感模块采集待测导线电流信息，光纤温度传感模块采集工作温度信息；

2)电流信号处理子模块接收并处理待测导线电流信息，获得电流初值，温度信号处理子模块接收并处理工作温度信息，获得并输出工作温度值；

3)电流信号处理子模块同步接收工作温度值，对电流初值进行补偿计算后输出精确的电流值。

优选地，所述步骤2)中温度信号处理子模块获得工作温度值采用的函数表达式为：

Δλ_B＝C_TΔT (3)

式(3)中，Δλ_B为光纤光栅中心波长变化值，C_T为温度系数，ΔT为温度变化值。

优选地，步骤2)中电流信号处理子模块获得电流初值采用的函数表达式为：

其中，I为待测导线中电流初值，为法拉第相移，V是Verdet常数，N是传感光纤线圈的匝数。

优选地，步骤3)中电流信号处理子模块对电流初值进行补偿计算的表达式为：

1/V·ΔV/ΔT＝0.7×10^-4/℃ (3)

其中，V是室温状态下的Verdet常数，ΔV是Verdet常数变化量，ΔT是温度变化量。

有益效果：本发明提供的一种集成温度监测的光纤电流传感器，同时对电流和温度进行测量，测得的温度大小又对电流计算进行补偿，解决了现有技术中由于忽略光纤温度波动导致的光纤电流传感器测量精度及可靠性差的难题；同时集成温度监测模块使用已有的光纤电流传感器电源和部分光路，相比于单独的温度传感模块节省了重要的光源模块，有效降低了制作成本；此外，集成温度监测的光纤电流传感器还可用于故障报警，当光纤头附近温度由于火灾或其他故障原因升高时，传感器也能对此进行监测识别并发出故障警报，通知管理员进行维修，能尽量减少损失。本发明同时提供的一种采用上述集成温度监测的光纤电流传感器测量电流的方法与上述光纤电流传感器具有相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为集成温度监测的光纤电流传感器的模块结构示意图。

图2为信号处理模块结构示意图。

图3为光纤电流传感模块光路示意图。

图4a为反射式光纤光栅示意图。

图4b为透射式光纤光栅示意图。

图5a为反射镜部分透射方式(串联方式)集成连接示意图。

图5b为直接连接光源方式(并联方式)集成连接示意图。

附图标注说明：

1-宽带光源；2-耦合器；3-起偏器；4-45°熔接点；5-相位调制器；6-保偏光纤；7-模式转换器；8-传感光纤线圈；9-反射镜；10-电流导线；11-信号发生器；12-光纤环形器；13-光纤光栅；14-光隔离器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的解释。

图1为本发明集成温度监测的光纤电流传感器的模块结构示意图。本发明主要包括光源模块、光纤电流传感模块、温度传感模块以及信号处理模块。其中，光纤电流传感模块主要是电流测量的光路部分，光纤温度传感模块主要是温度检测的光路部分，信号处理模块是用来接收和处理电流传感模块与温度传感模块的信号，对数据进行分析计算后输出最终的电流和温度结果。

图2为本发明的信号处理模块结构示意图。信号处理模块分为电流信号处理子模块和温度信号处理子模块，分别接收和处理光纤电流传感模块与光纤温度传感模块的信号。光纤电流传感模块的光信号进入电流信号处理子模块后，经过初步处理得到原始电流数据；光纤温度传感模块的光信号进入温度信号处理子模块后得到温度值，输出温度监测结果并送入电流信号处理子模块，电流信号处理子模块对原始电流数据进行补偿处理后输出精确的电流值。

图3为光纤电流传感模块光路示意图，本发明实施例中采用反射式Sagnac干涉型电流传感器，宽带光源1发出的宽谱光经过耦合器2后，再经过起偏器3，变为线偏振光；该线偏振光经光纤45°熔接点4之后进入保偏光纤6，分解成两束偏振方向相互正交的线偏振光；两束线偏振光受到相位调制器5的前向调制作用，引入调制相差；信号发生器11产生正弦或方波信号，驱动相位调制器5；两束线偏振光经过模式转换器7后，分别转变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；当这两束圆偏振光通过传感光纤线圈8时，由于法拉第效应，两束圆偏振光之间将产生法拉第相位差；这两束圆偏振光传输至传感光纤末端，由于末端反射镜9的作用，这两束光的偏振态将发生翻转，原左旋偏振光变为右旋偏振光而右旋偏振光转变为左旋偏振光；两束圆偏振光按原光路返回，再次经过传感光纤线圈8，两束光之间的法拉第效应相位差加倍；再次经过模式转换器7时，圆偏振光被转换为两束模式正交的线偏振光，且输出保偏光纤的光偏振与输入光的线偏振方向发生互换；输出线偏振光受到相位调制器5的后向相位调制，产生了非对易的相差；最后携带法拉第相差和调制相差的两束偏振光在起偏器3处发生干涉，干涉光最终进入探测器。

其中，电流信号处理子模块反馈调节光纤电流传感模块的信号发生器的参数，使相位调制器的调制始终处在一个合适的范围。

优选地，光纤耦合器的类型为2×2 50:50单模光纤耦合器。

优选地，其中所述的保偏光纤为椭圆芯保偏光纤或熊猫型保偏光纤。

电流引起的法拉第相移其中V是Verdet常数，N是传感光纤线圈的匝数，I是待测导线中电流的大小。根据上式求解电流I时，法拉第相移可以通过相位调制和信号解调测得，故而想要进一步提高电流的精度必须要使V更加精确。在传感光纤中，温度发生变化时，Verdet常数的变化与温度变化成正比，其关系为：1/V·ΔV/ΔT＝0.7×10^-4/℃，其中V为一定温度条件下的Verdet常数，一般取室温条件为基准温度条件，ΔV是Verdet常数变化量，ΔT是温度变化量。当温度信号处理子模块测得传感光纤线圈的温度后，根据室温时的Verdet常数大小以及实时温度与室温的差值，再根据Verdet常数与温度的关系即可求出变化后的Verdet常数，并对其进行修正，这样就能让最终得到的电流值更加精确。

本发明中的光纤温度传感模块采用光纤光栅温度传感器，实施例中提供两种光纤光栅的连接方式，均可实现温度测量的技术效果，光纤光栅温度传感器利用光纤光栅的中心波长的温度变化关系：Δλ_B＝C_TΔT，其中C_T为温度系数，可以实现结构简单、高灵敏度的温度测量，满足电力行业高电磁环境下精密的温度测量要求。具体分别如图4a和图4b所示：

图4a为反射式光纤光栅示意图，宽带光束从光纤环形器12的1端口进入，再从2端口出射通过光纤光栅13；而在光纤光栅13处携带温度等信息的反射光又进入2端口，最后从3端口出射进入温度信号处理子模块，测量出温度大小。其中，光纤光栅13处的反射光波长必须落在宽带光源1的光谱范围内。

图4b为透射式光纤光栅示意图。宽带光束经过光隔离器14后直接进入光纤光栅13，其透射光谱进入温度信号处理子模块，最终测量出温度大小。其中，光纤光栅13处的透射光谱波长必须落在宽带光源1的光谱范围内。

本发明实施例提供两种光纤电流传感模块与光纤温度传感模块的集成连接方式：反射镜部分透射方式(串联方式)和直接连接光源方式(并联方式)，均可达到集成连接的技术效果，分别如图5a和图5b所示：

图5a为反射镜部分透射方式(串联方式)集成连接示意图。光纤温度传感模块集成在光纤电流传感模块中反射镜9之后，从光纤电流传感模块反射镜9透射的少量光束直接进入环绕在电流导线10周围的光纤温度传感模块，用于测量光纤头的工作温度。

图5b是直接连接光源方式(并联方式)集成连接示意图。光纤温度传感模块集成在耦合器2的输出端，宽带光束从耦合器2输出端出射，经过一段长光纤导入环绕在电流导线10周围的光纤温度传感模块。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成温度监测的光纤电流传感器，其特征在于：包括光源模块、光纤电流传感模块、光纤温度传感模块以及信号处理模块；

所述光源模块与光纤电流传感模块光连接，提供光源，所述光纤电流传感器测量待测导线电流信息，并将电流信息传送至信号处理模块；

所述光纤温度传感模块集成在光纤电流传感模块之上，并且与光纤电流传感模块共用光源模块，用于采集光纤工作温度信息，同时将温度信息传送至信号处理模块；

所述信号处理模块包括电流信号处理子模块和温度信号处理子模块，所述电流信号处理子模块连接光纤电流传感模块，接收并处理待测导线电流信息，获得待测导线电流初值，温度信号处理子模块连接光纤温度传感模块，接收并处理工作温度信息，获得工作温度值，输出温度监测结果；所述电流信号处理子模块同步接收温度信号处理子模块输出的工作温度值，对待测导线电流初值进行补偿运算后输出精确的电流值。

2.根据权利要求1所述的一种集成温度监测的光纤电流传感器，其特征在于：所述光源模块包括宽带光源(1)。

3.根据权利要求1所述的一种集成温度监测的光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感模块采用反射式Sagnac干涉型电流传感器。

4.根据权利要求3所述的一种集成温度监测的光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤温度传感模块采用光纤光栅温度传感器，集成于所述光纤电流传感器上，并且共用光源模块。

5.一种采用权利要求1所述的一种集成温度监测的光纤电流传感器测量电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光纤电流传感模块采集待测导线电流信息，光纤温度传感模块采集工作温度信息；

2)电流信号处理子模块接收并处理待测导线电流信息，获得电流初值，温度信号处理子模块接收并处理工作温度信息，获得并输出工作温度值；

3)电流信号处理子模块同步接收工作温度值，对电流初值进行补偿计算后输出精确的电流值。

6.根据权利要求5所述的一种测量电流的方法，其特征在于：所述步骤2)中温度信号处理子模块获得工作温度值采用的函数表达式为：

Δλ_B＝C_TΔT (1)

式(1)中，Δλ_B为光纤光栅中心波长变化值，C_T为温度系数，ΔT为温度变化值。

7.根据权利要求5所述的一种测量电流的方法，其特征在于：所述步骤2)中电流信号处理子模块获得电流初值采用的函数表达式为：

其中，I为待测导线中电流初值，为法拉第相移，V是Verdet常数，N是传感光纤线圈的匝数。

8.根据权利要求5所述的一种测量电流的方法，其特征在于：所述步骤3)中电流信号处理子模块对电流初值进行补偿计算的表达式为：

1/V·ΔV/ΔT＝0.7×10^-4/℃ (3)

其中，V是室温状态下的Verdet常数，ΔV是Verdet常数变化量，ΔT是温度变化量。