CN111323635A - 一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术领域，公开了一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，由半导体激光器、偏振片模块、微信号处理子***和导线测距模块组成；偏振片模块在无限长载流导线产生的磁场作用下，偏振片模块的光振动方向发生偏转，改变了偏振片模块的输出光强度；微信号处理子***通过马吕斯定理和法拉第磁光效应得到磁场强度，通过毕奥‑萨伐尔定理测得高压输电线路电流大小。解决了如何降低成本和减小体积，消除外来电磁干扰，实现高压输电线路的电流检测的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术，尤其利用光纤传感技术、信号处理技术采用非接触式方法快速检测导线中电流，适用于高压输电线路电流的实时检测的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***及方法。
背景技术
目前现有的电流检测主要采用以下几种方案：
分流器：分流器的原理简单，通常用在低频率小幅值电流测量中，但当应用在高频率大幅值的电流测量中会产生较大的误差。
交流电流互感器：交流电流互感器的传感原理简单，精度较高。但是交流电流互感器仅适用于数千安培以内的交流电流测量，被测电流过大，则互感器的激磁电流不再忽略不计。
直流电流互感器：直流电流互感器利用被测直流的变化导致铁芯线圈产生感抗，从而间接改变辅助交流电路的电流来反映被测电流的大小。其缺点是体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等。
霍尔电流传感器：霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量，其应用于大电流的测量，但该器件存在体积大、重量重的缺点。
综上所述，现有的电流检测存在体积大、重量重、易受激磁电流干扰等技术缺陷。
发明内容
针对上述问题，为了克服现有电流检测方法体积大、重量重、易受激磁电流干扰的缺点，本发明的目的在于提供一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，利用光纤本身能消除激磁电流影响的特点，采用带偏振片的法拉第光纤或法拉第介质波导，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，其具有消除外来电磁干扰，降低成本和减小体积，有效地实现高压输电线路的电流检测的优点。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，包括半导体激光器、偏振片模块、探测器、微信号处理子***和导线测距模块，其中；
所述偏振片模块为带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导，所述带偏振片的法拉第光纤或波导与所述半导体激光器用光纤连接，用以在无限长载流导线产生的磁场作用下振动方向发生偏转，改变所述偏振片模块的输出光强度；
所述探测器，与所述带偏振片的法拉第光纤或波导之间用光纤连接，用以将含有磁场强度的信号光输出至所述微信号处理子***；
所述微信号处理子***，用以通过马吕斯定理和法拉第磁光效应得到磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定理测得高压输电线路电流大小；
所述导线测距模块，与所述导体激光器连接，用以计算测量点离导线的距离，所述导线测距模块包括输电导线、接收反射光模块及计算模块，所述半导体激光器输出的光一部分传输到所述偏振片模块中，另一部分射向所述输电导线，所述接收反射光模块记录接收反射光的时间，所述计算模块计算出测量点离导线的距离；
激光经过法拉第光纤或波导传至所述探测器，所述探测器产生信号进入微信号处理子***，并计算出高压输电线路电流大小。
优选地，带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导包括进一步输入光导纤维，第一透镜，第一偏振片，磁光晶体光纤或波导、第二偏振片、第二透镜、输出光导纤维，
入射光由输入光导纤维导入磁敏区，由第一透镜聚焦后再经过第一偏振片射入一块磁光晶体光纤或波导，其偏振面发生旋转，穿过晶体的光线经过第二偏振片，聚焦到信号输出光导纤维中。
并且，第一偏振片和第二偏振片的偏振方向垂直，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，以达到磁场强度沿晶体轴向的分量成正比。
该***还包括激光器驱动电流和温度控制模块，所述激光器驱动电流和温度控制模块连接并驱动所述半导体激光器发出激光。
其较优地，所述探测器进一步包括前置放大电路和有源带通滤波装置，所述前置放大处理电路把光信号转换成电信号，并进行运算放大，所述有源带通滤波用以将电信号进行滤波，得到一个包含有磁场强度信息的信号光。
其较优地，所述微信号处理子***还接收激光器产生的参考光I0，其进一步包括获得所述半导体激光器输出的光经过受到磁场作用的所述偏振片模块产生的光强I1与参考光I0进行比较，根据马吕斯定理计算偏振角度θF，根据法拉第磁光效应得到磁场强度。
用于检测导线电流强度的光纤传感***结构的部件包括半导体激光器，激光器驱动电流和温度控制模块，偏振片模块和微信号处理子***。所述偏振片模块可以为带偏振片的法拉第光纤或法拉第波导。所述半导体激光器与前后两端带偏振片的法拉第光纤或法拉第波导连接，带偏振片的法拉第光纤或法拉第波导与探测器之间用普通光纤连接。激光器驱动电流和温度控制模块连接并驱动半导体激光器。半导体激光器发出激光，激光经过带偏振片的法拉第光纤或波导传至探测器，探测器产生信号进入微信号处理子***。由法拉第磁光效应以及马吕斯定理最终得到磁场强度B。
一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感方法，其特征在于，包括步骤：
所述激光器驱动电流和温度控制模块连接并驱动半导体激光器发出激光；
所述激光经过带偏振片的法拉第光纤或波导传至所述探测器；
所述探测器产生信号进入所述微信号处理子***；
由法拉第磁光效应以及马吕斯定理最终得到磁场强度B；
其中由法拉第磁光效应可知，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd
比例系数V称为韦尔代(Verder)常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转角度θF可通过测量信号参考光强I0和带偏振片的法拉第光纤或波导所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·cos2θF
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。
利用激光测距技术可以测量出距离r，从激光发射到传感器接收到反射信号经过的时间为t，距离可以用下式来计算：
其中c为光在空气中的传播速度，一般为3×108m/s。
因此，通过已测得的磁场强度和距离可以计算出电流强度I。
有技术相比，本发明的有益效果是：
通过利用光纤或波导本身能消除激磁电流的优点，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，有效地实现高压输电线路的电流检测的目的。
附图说明
图1是本发明的检测输电导线电流强度的光纤传感***框架图。
图2是带偏振片的法拉第波导的结构示意图。
图3是磁光效应原理图。
图4是距离载流导线r处的磁感应强度。
图5是磁场强度B与偏转角θF之间的关系图。
图6是高压直导线中电流I与磁场强度B之间的关系图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
图1所示用于检测输电导线电流强度的光纤传感***包括半导体激光器11、激光器驱动电流和温度控制模块12、偏振片模块、探测器14和微信号处理子***15。一般来说，还包括导线测距模块16。偏振片模块可以是带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导13。所述半导体激光器11与带偏振片的法拉第光纤或波导13用普通光纤连接，带偏振片的法拉第光纤或波导13与探测器14间也用普通光纤连接，探测器14将含有磁场强度的信号光输出至微信号处理子***15。激光器驱动电流和温度控制模块12连接并驱动半导体激光器11发出激光，激光经过法拉第光纤或波导13传至探测器14，探测器14产生信号进入微信号处理子***15。
具体来说，激光器驱动电流和温度控制模块12连接并驱动半导体激光器11发出激光。半导体激光器11通过激光器驱动电流和温度控制模块12发出激光是通用技术。其半导体激光器11优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。半导体激光器11工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。通常，半导体激光器11是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS，InAs，InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
所述偏振片模块为带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导13，带偏振片的法拉第光纤或波导13与所述半导体激光器11用光纤连接，用以在无限长载流导线产生的磁场作用下振动方向发生偏转，改变所述偏振片模块的输出光强度。
探测器14，与带偏振片的法拉第光纤或波导13之间用光纤连接，用以将含有磁场强度的信号光输出至微信号处理子***15，
微信号处理子***15，用以通过马吕斯定理和法拉第磁光效应得到磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定理测得高压输电线路电流大小。
本发明的激光经过法拉第光纤或波导传至探测器14，探测器14产生信号进入微信号处理子***15，并计算出高压输电线路电流大小。通过利用光纤或波导本身能消除激磁电流的优点，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，有效地实现高压输电线路的电流检测的目的。
图2所示为带偏振片的法拉第光纤或波导，包括输入光导纤维21，第一透镜22，第一偏振片23，磁光晶体光纤或波导24、第二偏振片25、第二透镜26、输出光导纤维27，入射光由光导纤维导入磁敏区，由透镜聚焦后再经过第一个偏振片23射入一块磁光晶体24，其偏振面发生旋转。穿过晶体的光线经过第二偏振片25，聚焦到信号输出光导纤维27中。由于两个偏振片的偏振方向垂直，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，也就是与磁场强度沿晶体轴向的分量成正比。激光经过带偏振片的法拉第光纤或波导后光强由输入强度I0变为输出光强I1。
用光探测器14检测光强I1，探测器主要包括前置放大电路和有源带通滤波两部分。前置放大处理电路把光信号转换成电信号，并进行运算放大，所述有源带通滤波用以将电信号进行滤波，得到一个包含有磁场强度信息的信号光。前置放大处理电路把光信号转换成电信号，但光信号和电信号又非常微弱，所以要把电路设计成低噪声、高增益的放大电路。也就是把PIN光电探测器接收到的微弱光信号转化为电信号，并进行运算放大。运算放大器的使用不仅放大了信号，也放大了噪声，并且放大器本身也会引入新的噪声，所以要经过有源带通滤波才能得到一个包含有磁场强度信息的信号光。上述的电路有很多实现方案，在此就不再详细说明。
将参考光I0和光探测器输出电流进入微信号处理子***15，该***主要有有源带通滤波电路，前置放大电路，微处理器。有源带通滤波用以将参考光强I0进行滤波，前置放大电路把参考光强I0转换为电信号，并进行运算放大。其中为了比较运算放大器输出的参考电流和光探测器14输出的电流大小，光探测器14和微信号处理子***15的运算放大器放大程度需相同。参考电流和探测器14输出的电流大小输入到微处理器，计算出对应偏振角度，微处理器根据马吕斯定理计算出磁场强度，并输出到显示屏。
如图3所示，由马吕斯定理计算激光经过受磁场作用的法拉第光纤或波导后的旋转角度，最终根据法拉第磁光效应计算出磁场强度B，其分析如下所示：
其中由法拉第磁光效应可知，当线偏振光31在介质32中传播时，若在平行于光31的传播方向上加一磁场33，则光31的振动方向将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越法拉第介质32的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd
比例系数V称为韦尔代(Verder)常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转角度θF可通过测量信号参考光强I0和带偏振片的法拉第光纤或波导所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·cos2θF
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。
利用激光测距技术可以测量出距离r，从激光发射到传感器接收到反射信号经过的时间为t，距离可以用下式来计算：
其中c为光在空气中的传播速度，一般为3×108m/s。
因此，通过已测得的磁场强度和距离可以计算出电流强度I。
同时激光器发出的另一部分光射向输电线路后发生反射，通过接收反射光的时间，可以算出测量点离导线的距离。
最后通过磁场强度B和距离参数r，根据毕奥-萨伐尔定律可以计算出高压导线中的电流。
本***还包括导线测距模块16，与导体激光器11连接，用以计算测量点离导线的距离，
导线测距模块16包括输电导线、接收反射光模块及计算模块，
半导体激光器输出的光一部分传输到偏振片模块中，另一部分射向所述输电导线，所述接收反射光模块记录接收反射光的时间，所述计算模块计算出测量点离导线的距离。
导线测距模块16以上仅是举个实例，现有技术中很多实现有的装置，在此不再详细说明，只需要实现相同或类似的功能即可为导线测距模块。
实施例：
现考虑一种实际情况。使用65-wt％掺铽离子硅酸盐光纤作为法拉第光纤，长度d＝0.04m，Verder常数为V＝32rad/(T·m)。
如图3所示，由法拉第磁光效应可知，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd
在已知长度d和Verder常数V的情况下，偏转角θF与磁场强度B之间的关系为：
θF＝VBd＝32rad/(T.m)·0.04m·B＝1.28B(rad)
其中磁场强度B的单位为特斯拉(T)。并且可知，磁场强度B与偏转角θF成正比：
B＝0.78θF
其中，偏转角θF可根据参考光强I0和带偏振片的法拉第光纤产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理可知：
I1＝I0·cos2θF
如图5所示，即可算出θF值大小，根据上述偏转角θF与磁场强度B之间的关系，可计算出磁场强度B的大小。
如图4所示，由毕奥-萨伐尔定律可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。
当检测点距离高压直导线为r＝15.0m，磁导率为μ0＝4π×10-7H/m时，计算可得，高压直导线中电流I与磁场强度B之间成正比：
如图6所示，当我们将磁场强度B单位取为Gs时，其中1Gs＝1×10-4T，高压直导线中电流I与磁场强度B之间的关系可化简为：
I＝7500B(A)
由已经算得的磁场强度B即可算出最后高压直导线中电流I大小。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (7)
1.一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，包括半导体激光器、偏振片模块、探测器、微信号处理子***和导线测距模块，其中；所述偏振片模块为带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导，所述带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导与所述半导体激光器用光纤连接，用以在无限长载流导线产生的磁场作用下振动方向发生偏转，改变所述偏振片模块的输出光强度；
所述探测器，与所述带偏振片的法拉第光纤或波导之间用光纤连接，用以将含有磁场强度的信号光输出至所述微信号处理子***，
所述微信号处理子***，用以通过马吕斯定理和法拉第磁光效应得到磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定理测得高压输电线路电流大小；
所述导线测距模块，与所述导体激光器连接，用以计算测量点离导线的距离，所述导线测距模块包括输电导线、接收反射光模块及计算模块，所述半导体激光器输出的光一部分传输到所述偏振片模块中，另一部分射向所述输电导线，所述接收反射光模块记录接收反射光的时间，所述计算模块计算出测量点离导线的距离；
激光经过所述带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导传至所述探测器，所述探测器产生信号进入所述微信号处理子***，并计算出高压输电线路电流大小。
2.如权利要求1所述的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，所述带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导包括输入光导纤维，第一透镜，第一偏振片，磁光晶体光纤或波导、第二偏振片、第二透镜、输出光导纤维，
入射光由所述输入光导纤维导入磁敏区，由所述第一透镜聚焦后再经过所述第一偏振片射入所述磁光晶体光纤或波导，其偏振面发生旋转，穿过晶体的光线经过所述第二偏振片，聚焦到所述输出光导纤维中。
3.如权利要求2所述的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，
所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振方向垂直，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，以达到磁场强度沿晶体轴向的分量成正比。
4.如权利要求1所述的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，还包括激光器驱动电流和温度控制模块，
所述激光器驱动电流和温度控制模块连接并驱动所述半导体激光器发出激光。
5.如权利要求1所述的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，所述探测器进一步包括前置放大电路和有源带通滤波装置，所述前置放大处理电路把光信号转换成电信号，并进行运算放大，所述有源带通滤波用以将电信号进行滤波，得到一个包含有磁场强度信息的信号光。
6.如权利要求1所述的非接触式测高压导线电流强度的光纤传感***，其特征在于，所述微信号处理子***还接收激光器产生的参考光I0，其进一步包括获得所述半导体激光器输出的光经过受到磁场作用的所述偏振片模块产生的光强I1与参考光I0进行比较，根据马吕斯定理计算偏振角度θF，根据法拉第磁光效应得到磁场强度。
7.一种非接触式测高压导线电流强度的光纤传感方法，其特征在于，包括步骤：
所述激光器驱动电流和温度控制模块连接并驱动半导体激光器发出激光；
所述激光经过带偏振片的法拉第光纤或波导传至所述探测器；
所述探测器产生信号进入所述微信号处理子***；
由法拉第磁光效应以及马吕斯定理最终得到磁场强度B；
利用所述法拉第磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θF与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：
θF＝VBd
比例系数V称为韦尔代(Verder)常数，与介质性质及光波频率有关；
偏转角度θF通过测量信号参考光强I0和所述带偏振片的法拉第光纤或带偏振片的法拉第波导所产生的受到磁场作用的光强I1对比得到，根据马吕斯定理：
I1＝I0·cos2θF
由毕奥-萨伐尔定理可知，对于无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：
其中，μ0为真空中的磁导率，4π×10-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A；
利用激光测距技术测量出距离r，从激光发射到传感器接收到反射信号经过的时间为t，距离可以用下式来计算：
其中c为光在空气中的传播速度，一般为3×108m/s；
通过测得的磁场强度和距离计算出电流强度I。
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