一种全光纤电流传感器温度补偿方法

熊显名，闵 旺，秦祖军

（桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004）

一种全光纤电流传感器温度补偿方法

熊显名，闵 旺，秦祖军

（桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004）

为了解决传感光纤的弯曲、扭转以及外界工作环境的变化导致全光纤电流传感器测量精度降低的问题，提出了一种基于输出椭圆偏振光长轴斜率的全光纤电流传感器温度补偿方法。论证了椭圆偏振光长轴斜率能够反应输出椭圆偏振光的光椭率的大小，利用TMS320F28335和对应算法求出斜率，实验中使用输出椭圆偏振光长轴斜率对传感器进行修正并进行了实际测量。结果表明，基于该修正方法的测量系统，实现了在单次变温条件20℃～60℃内变化时测量结果偏差满足0.2s。这一结果对全光纤实用化研究是有帮助的。

激光技术；全光纤电流互感器；温度补偿；椭圆偏振光长轴斜率

引 言

电力系统的额定电压等级和传输容量的大幅度提升，对于电流传感器的要求越来越高。而在传统的高电压、大电流和强功率的电力系统中，通常采用的以电磁感应原理为基础的电流互感器存在着一系列的缺点：有发生系统失效及灾难性事故的危险、可能发生磁饱和现象、频率响应差、电磁干扰严重、设备笨重、运输安装困难、成本较高等。而因为全光纤电流传感器（all optical fiber current sensor，AFOCS）采用光纤作为传感介质，所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流互感器有很大的优势，而且它不含有交流线圈，不存在开路危险，因而也越来越受关注［1-2］。

目前，全光纤电流互感器AFOCS已经在许多国家快速发展，很多单位在从事光纤电流互感器方面的研究，提出了许多设计方案，并有一些已经日益趋于成熟和完善，有少量已经挂网运行，进入到实用阶段。国外从事该方面研究的单位主要有：美国国家标准技术研究所、ABB公司、日本的东电、住友公司、加拿大NxtPhase公司、法国ALSTOM公司［3-4］。在国内，从上世纪80年代开始，也有很多学校和科研单位如清华大学、西安交通大学、北方交通大学、华中科技大学、燕山大学等投入大量的人力和财力从事光纤电流互感器方面的研究［5］。此外，近年来对于新技术和新材料在光纤电流传感器方向的应用也正逐步地发展起来［6-8］。

尽管研究机构、高校纷纷投入到AFOCS的研究工作中，但由于环境温度的变化、光纤弯曲、测试平台震动等外界因素的影响，使得在实际应用中AFOCS测量精度、稳定性仍然不高。

1 系统构成

传感器系统框图如图1所示，系统采用双光路法［9］。光源发出的光经起偏器变成偏振光后进入传感光纤，再经过检偏器（这里为渥拉斯顿棱镜），检偏器把从传感光纤中输出的偏振光分成振动方向相互垂直的、传播方向成一定夹角的两束光，这两束光分别通过光电转换（photoelectric conversion，PC）以及信号调理（signal adjust，SA）电路，经过数字信号处理（digital signal processor，DSP）后的电信号再通过模数转化（analog to digital converter，ADC）进行采样，最终使用所采集到的数据进行信息解调。

Fig.1 Diagram of all optical fiber current sensor

2 理论分析

由于光纤本身的弯曲、扭转以及双折射率随外界工作环境的变化［10］，导致从传感光纤入射的线偏振光从出射端已经退化为椭圆偏振光。入射线偏振光的退化情况是由光纤的弯曲程度以及工作环境变化情况决定的。对于某一时刻而言，出射的椭圆偏振光是以确定的角度入射到图1中的渥拉斯顿棱镜中的。实验过程中发现，工作温度的变化引起两合成线偏振光的相位差（以下简称相位差）改变从而导致出射椭圆偏振光的光椭率变化，与此同时出射的椭圆偏振光主光轴的斜率也在变化，与之对应的调制灵敏度也在变化。

椭圆运动可以看成是两个相互垂直坐标轴（x，y）上的简谐振动合成，椭圆偏振光的两个电场分量的表达式可以写成［11］：

式中，Ex，Ey分别为x方向和y方向上的矢量，ω为波的圆频率，ξ为相位差。假定Ax＝Ay＝1，ωt∈（0，2π），随着相位差ξ的改变，引起椭圆退化以及椭圆偏振光长轴斜率h的变化过程见图2。

Fig.2 Oval degenerative processes caused by the change ofξ

2.1 相位差与椭圆偏振光长轴斜率的关系

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

由图3可知，当传感光纤绕制合适（ξ＞π／16）时，k与ξ可以成确定的单调关系，且相位差的改变对于出射椭圆偏振光的椭偏率是确定单调的关系［12］。所以，椭圆偏振光长轴斜率k可以反映出射椭圆偏振光的椭偏率的大小。

2.2 椭圆偏振光长轴斜率的获取

由马吕斯定律可知光路Ⅰ、Ⅱ的出射光强分别为：

式中，E为出纤光强，φ为起偏器与渥拉斯顿棱镜透光轴夹角，α为最大调制角度，ω0为调制电流的角速率。

将（3）式除以（2）式可以得到：

在初始φ，α选取合适的情况下：

通过以上公式推导可知，ADC采样得到的数据经过开方、反正切后便可以得到φ－αsin（ω0t）的信息，而这其中φ为起偏器与渥拉斯顿棱镜透光轴夹角，其又为初始角φ0加上椭圆偏振光长轴斜率k，则k＝φ－φ0；α则反应了调制电流的大小。运用相应算法分别对所得的φ－αsin（ω0t）进行直流分量的提取以及峰峰值的提取，便也可以求得同一时刻的k和α的值。实际测量过程中由于k的改变导致了α的调制效率的变化，故这里采用k对α进行修正。

3 实验验证

为验证上述理论的可行性，搭建了如图4所示的测试平台。

Fig.4 Test platform

如图4所示，测试平台的大电流是由两级变压器产生，通过调节第1级变压器输出交流电压来实现粗导线上电流的改变。与图1论述相同，光路部分的构成是采用传统的偏振调制型光路。实验过程中将光路部分置于变温箱中。粗导线上的电流通过传统电流互感器进行监测并为回归提供目标值。电路部分是由激光光源驱动电路、光电检测以及信号处理（signal process，SP）电路构成，以实现对于激光器的驱动、传感信号的解调、电流的监测以及将所测得的数据通过串口发送到上位机进行数据的分析回归。

3.1 光学部分

光学传感头是由带尾纤的起偏器、偏振分束器以及传感光纤构成，三者之间是通过光纤熔接机进行熔接并固定在铝圈上以减少震动对于系统测量效果的影响［13］。在铝圈上饶制传感光纤时应当注意要满足第2.1节中所论述ξ＞π／16的条件。实验中实际使用的光学传感头见图5。

Fig.5 Optical sensor head

3.2 电学部分

电学部分将从偏振分束器出射的两路光信号分别通过如图6所示模拟电路进行信号调理，以便后续的数据采样以及分析。该部分装入做好的屏蔽盒中以降低外界信号的干扰。

Fig.6 Modulation circuit of analog signal

TMS320F28335以及ADS8556构成的数据采集分析平台对上述调理后的模拟信号进行采集并将所得到的数据做如第2.2节中所论述的运算，最终得到起偏器与渥拉斯顿棱镜透光轴夹角φ、最大调制角度α。数据采集平台还对传统电流互感器的输出信号（I-V变换）进行采集运算，以实现粗电流母线上的电流I监测。TMS320F28335将运算得到的φ，α，I数值通过串口发送到上位机。上位机将接收到的数据实时显示并存放到一个.txt格式的文件中，以便后续的数据分析以及回归处理。

激光光源部分选用了华工正源光子技术有限公司生产的型号为TLD-F55SAR2464-1的F-P半导体激光二极管，工作中心波长为1550nm，最大输出功率为6mW，并设计了高稳定的激光驱动电源［14］。

3.3 实验效果

实验中，在整个温度区间内等间隔选取了10个温度点，在每一个温度点上选取多个电流值点组成拟合样本。拟合目标函数变量关系式为z＝f（φ，α），对样本点进行了3维公式拟合，拟合结果的相关系数为0.9999713。将上述拟合所得到的相关参量重新代入到测量系统中，将实验用的变温箱多次调节到连续变温的状态下测得多组数据，对照IEC 60044-8关于电子式电流互感器精度的说明［15］，可以得出：利用本文中论述的修正方法，在单次高低温变化的条件下系统电流值的测量误差满足准确级0.2s的要求，随机挑选1组实际测量结果如表1所示。

Table 1 Results of practical measurement

4 结 论

提出利用椭圆偏振光长轴斜率来修正测量系统，并通过角度变化反求椭圆偏振光的长轴斜率。实验验证了所提出的修正方案，经修正后的测量系统在单次温度变化的条件下系统的测量精度高，但在多次高低温循环后系统测量结果会整体产生偏差。长期在同一变温环境下传感光纤的物理特性将趋于稳定，这将促使系统的测量精度进一步提高。此外，选用退火光纤或者是对实验用光纤进行退火处理也将有益于系统稳定性的增强以及测量精度的提高［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

熊显名（1964-），男，研究员，主要研究方向为光电测试、计算机辅助测试及光学遥感测试。

E-mail：478266449＠qq.com

2013-11-12；

2014-01-19