反射式Sagnac型光纤宽带大电流测量仪的研制与性能评估

谢小军， 朱才溢， 李庆先， 李 华， 罗 颖

(湖南省计量检测研究院，湖南长沙410014)

1 引 言

大型装备电焊和电镀装置是制造、自主研发生产重大装备和研究仪器设备核心技术的基础保障性装备。其大量应用于各类自动化装配生产线上，为生产研发过程中零部件模块化、集成化、自动化、智能化、信息化提供了重要保障。电焊和电镀装置的工作质量主要通过控制焊接或电镀的电流来保证，其电流的精准计量与校准直接关乎工业制造水平；除此之外，精准电流计量校准还与安全生产、成本控制、节能减排、科学研究等多个方面密切相关[1]。大型装备电焊和电镀装置的工作电流通常高达几到几十kA，含脉冲、交流、直流等多种信号类型，通常其体积、重量庞大，拆装、运输不便，且由于其安装环境、电安全特性以及不间断运行的局限性等，其检测校准只适合现场计量校准，这样就亟需发展大电流在线计量技术，解决工业现场的量值传递和在线校准的难题。目前，罗氏线圈法是大电流测量主要采用的方法。罗氏线圈测量范围宽、频带可达MHz、与被测电流无直接连接，的确有其优势；但是工业现场电磁环境往往较为恶劣，罗氏线圈易受外部磁场干扰出现现场工作准确度下降的情况[2]，而且无法测直流电流，测量准确度在测极低频率电流、环路形状不规则、载流母线偏心情况下敏感易损[3]。光纤电流互感器(fiber-optic current transformer，FOCT)可测交、直流信号，且具有体积小、重量轻、拆装方便、测量精度高、动态范围大、抗干扰能力强、输出数字化等优点[4～12]。采用柔性传感单元设计的FOCT与罗氏线圈不需直接连接被测电流的特点相比，其自由形状缠绕、无需拆合电路的灵活性优势更大，重量更轻，可真正做到在线校准，将是大型电焊、电镀设备的大电流现场校准的更优解决方案。

光纤电流互感器是一种无源型电子式电流互感器，其理论基础是Faraday磁旋光效应和安培环路定律。早在上世纪80年代初。国内外不少学者就对此进行了研究,然而由于其技术复杂、温度稳定性与抗振性能差、线性双折射劣化精度等因素的制约，不易实用化，大规模推广过程经历了许多曲折与困难[13～15]。1988年，Nicati等首次提出了基于光纤陀螺仪原理的Sagnac光纤干涉仪的电流互感器光路[16]，此后的10年中，国内外学者在FOCT温度、振动、互易性光路设计、新型光纤材料、光学器件、光纤结构等多个方面的研究取得了进展[17]。1996年，Blake提出了利用互易光路设计及相位调制解调技术而制作的Sagnac全光纤电流互感器(S-FOCT)[8]，测量精度、线性度、动态范围再次优化。接下来的20年至今，是FOCT理论与应用研究的爆发期，许多关键技术得到了重大突破[18～22]。本世纪以来，瑞士学者Bohnert与日本学者Sasaki等分别研制出了0.1级FOCT样机[23,24]。随着光、微电子技术的进步和产业发展，FOCT在冶金、数字化变电发电、脉冲功率、可控核聚变研究等领域得到广泛应用，例如FOCT已作为智能变电站建设的关键设备，在国内智能变电站试点工程中挂网应用[25,26]。

本文首先介绍了反射式Sagnac型光纤电流互感器(RS-FOCT)的基本原理，然后简要介绍了提高传感器校准能力与稳定可靠性的关键补偿技术与优化设计方法，接着通过试验验证分析了研制的反射式Sagnac型光纤电流互感器样机(光纤宽带大电流测量仪)的主要性能，最后对其测量不确定度进行了分析。

2 基本原理

反射式Sagnac型光纤电流互感器(RS-FOCT)是一种应用光学原理、基于Faraday磁光效应与安培环路定律而实现电流测量的光学互感器，属于无源电子式互感器的范畴。采用了光路互易结构和闭环相位调制技术，结构如图1所示。

图1 RS-FOCT的结构Fig.1 Configuration of RS-FOCT

图1中超辐射发光二极管SLD发出的光经过环行器后由偏振器起偏为线偏光，经45°光纤熔点注入到保偏延迟光纤的快、慢轴，2束正交的线偏振光经相位调制器调制后沿延迟光纤传输，由1/4波片转换为2束正交的圆偏光并进入传感光纤，在磁场的作用下，2束圆偏光之间产生正比于被测电流的相位差，经反射镜反射后2束圆偏光沿原路返回，同时相位差加倍，并再次由1/4波片转换为2束模式互换(快、慢轴传输互易)的正交线偏光，2束线偏光再次经45°并最终在偏振器处发生干涉，经偏振器检偏后由光电探测器接收并进行后续的信号处理，计算出被传感光纤围绕的载流导体中的被测电流。理想情况下，RS-FOCT光路结构完全可互易，2束光之间相位差φs只源于传感光纤中非互易的Faraday相移，其表达式为：

φs=4φF=4NVI

(1)

式中：φF为Faraday相移；V为传感光纤的Verdet常量；N为传感光纤匝数；I为被测电流。

3 关键补偿技术与优化设计

光纤电流互感器的准确性、可靠性、稳定性一直是研发人员关注的焦点[27]。本文设计了一种应用关键补偿技术的RS-FOCT(光纤宽带大电流测量仪)，并做了优化设计，使其满足大型电焊、电镀对电流计量校准的要求。

3.1 线性双折射抑制技术

双折射是光纤中传输的两个模式的传输常数或相速因偏振模式不同而不同的现象。单模光纤残余应力和芯径不均、光纤弯折扭曲、外力造成不规则应力分布、外加电场、杂散磁场等都是传感光纤中产生线性双折射的原因。线性双折射会附加相位差，破坏输入输出线性，严重影响FOCT的测量准确度。互感器检测到的相位差φs与线性双折射的关系式经过微分琼斯矩阵推导，可以表达为[28]：

(2)

式中：φF为Faraday磁光效应引起的相位差；φL为双折射引起的相位差。

传感光纤中的φL会随温度变化而改变，从而导致φs随温度变化产生非线性变化。定义传感器归一化变比为：Κ=φs/4φF。理想情况下，传感器敏感环无任何双折射(φs=0)，满足φs=4φF，此时K值为基准值1。

为解决光纤中线性双折射劣化测量的准确性问题，国内外学者进行了大量研究[19,29,30]。目前主流行之有效的方法是将光纤圈退火以及采用椭圆型双折射光纤(spun Hi-Bi fiber)或低双折射光纤螺旋缠绕环形玻璃棒的方法引入圆折射而抑制线性双折射。测量仪的传感光纤是采用后者方式，基于几何旋光效应引入圆双折射从而抑制线性双折射。文献[31]中进行了该种光纤抑制线性双折射影响的实验验证，测试结果的最小二乘拟合直线的线性斜率为6.851×10-5℃-1，而传感光纤的Verdet常量随温度变化表达式为：

(3)

式中：V0为20 ℃时传感光纤的Verdet常量。

测试结果基本上反映了Verdet常量随温度的变化情况，线性双折射的温变影响基本被螺旋缠绕引入的圆双折射所抑制。

3.2 1/4波片温敏变比误差自补偿技术

保偏延迟光纤与1/4波片对轴角度及波片相位的延迟会影响互感器的归一化变比，如若只考虑这两项的影响，归一化变比Κ的表达式为：

(4)

式中：θ为对轴角度；δ为1/4波片相位延迟；φF为Faraday磁光效应引起的相位差。

相位差的简略表达式为：

(5)

传感光纤的Verdet常量具有针对互感器变比的正温度线性系数；而1/4波片温度系数仅为 -0.022°/℃， 100 ℃的温差范围仅相位延迟2.2 ℃。Bohnert提出，1/4波片相位延迟与温度呈线性关系；几组不同待测电流下，相位延迟与归一化变比的关系如图2所示(假设θ=45 °)；如果选择合适的波片初始相位延迟，则能与Verdet常量对变比的影响因系数异号关系而相互补偿，减小互感器变比误差[14]。当波片相位延迟在以20 ℃为初始温度下选择100.4°时，互感器变比误差最小，约为0.018%。这就是RS-FOCT中变比温度误差的自补偿机制。

图2 归一化变比与1/4波片相位延迟的关系Fig.2 Normalized ratio vs. phase retardation of quarter retarder

另外，Takahashi等讨论了尽量控制减少保偏光纤消光比也能对Verdet常量带来的温度误差进行补偿[24]。

3.3 数字闭环信号检测技术

FOCT通常分为敏感光路结构和光电信号处理模块两个组成部分。其中光电信号处理模块中的调制器可能会受高低温环境及长期缓慢漂移影响；而闭环反馈控制技术可采用调制系数反馈控制技术，自动跟踪调制系统变化量并反馈校正，通常能有效改善传感器系统的长期稳定性[10]。应用于RS-FOCT的数字闭环信号检测技术通过相位调制、解调和闭环反馈从干涉光强中解调出被测电流，能有效提高系统测量精度、测量动态范围和长期稳定性。

3.4 柔性光纤敏感环优化设计

光纤宽带大电流测量仪将设计为一种户外型RS-FOCT，考虑到应用场景可预判的环境复杂性、操作便捷实用性以及被测对象在线计量校准需求，将光纤敏感单元优化设计成如图3所示的柔性传感头，替换传统的光纤传感环。

图3 柔性光纤传感头Fig.3 Flexible optical fiber sensing coil

采用柔性传感头进行现场测量，只需缠绕被测回路，将反射镜、1/4波片、相位调制器输出端通过螺纹紧固型(ferrule connector, FC)接头器闭合于一点，非常便于测量单元的安装、调整或移除，能满足多次及时测量及调整的实用性需求。

4 试验分析与主要性能验证

针对大型电焊、电镀设备的大电流现场在线校准的需求，结合国家重点研发计划重大仪器设备开发专项“宽带大电流测量仪开发与应用”，课题组研制了一款RS-FOCT样机(光纤宽带大电流测量仪)，如图4所示，主要技术参数见表1。

图4 光纤宽带大电流测量仪Fig.4 The fiber broadband high current measuring instrument

对研制的光纤宽带大电流测试仪进行了一系列的试验分析以验证评估其主要性能，包括测量准确度、温度特性、抗振性能、磁场影响、频率响应等。测试结果表明，样机各项技术指标均符合表1的要求，其中试验条件下测量准确度优于0.2级，带宽高于10 kHz，在信号瞬变、温度变化、振动、复杂电磁环境下仍能满足实用化应用需求，适用于大型电焊、电镀设备的大电流在线计量校准。

4.1 测量准确度测试试验

受限于电流源输出范围及配套导线载流能力等实际因素影响，光纤宽带大电流测试仪利用其量程自扩展性能并采用等安匝法校验，试验装置如图5(a)所示。直流标准电流源输出2 kA电流，8匝传感光纤串绕20匝载流母线，可满足等效测300 kA的电流。交流标准电流源输出2 kA的工频电流，同理设置满足等效测100 kA的电流。测试过程中的环境温度为25 ℃，相对湿度为63%。试验过程中实验室仅允许相关仪器工作，周围不存在影响测量的电磁场干扰。测试结果见图5(b)和图5(c)，可以看出在表1的测量范围内，测量准确度优于±0.2%。

表1 光纤宽带大电流测量仪主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the fiber broadband high current measuring instrument

图5 大电流测量准确度测试Fig.5 Test for measurement accuracy of high current

4.2 温度试验

将光纤宽带大电流测试仪的光纤电流传感单元及采集单元同时放入可编程高低温湿热试验箱进行温度特性试验，控制相对湿度保持恒定在60%，试验温度范围设置为-40～60 ℃，确保周围不存在影响测量的电磁场干扰。温度试验结果如图6所示，全设置温度范围内比差变化小于±0.2%。

图6 温度特性试验结果Fig.6 Test results for temperature performance

4.3 抗振性能试验

放置传感光纤及机身于振动试验台，试验台设置振动频率范围为10～150 Hz，交越频率为60 Hz。频率小于60 Hz时，设置恒定振幅为0.075 mm，频率大于60 Hz时，设置恒定加速度为9.8 m/s2。监视光纤宽带大电流测量仪的工作输出波形及比差的变化情况。测试过程中的环境温度为25 ℃，相对湿度为62%，周围不存在影响测量的电磁场干扰。试验表明测试过程中比差变化小于±0.2%。

图7 振动性能试验结果Fig.7 Test results for vibration test

4.4 交流与恒定磁场影响试验

利用交流磁场试验装置、恒定磁场试验装置及钳形表检定装置布置磁场影响试验，如图8(a)所示。

测试过程中的环境温度为24 ℃，相对湿度为61%，周围不存在影响测量的电磁场干扰。在0.5～5 kA的范围内分别测量交流磁场试验装置施加 0.5 mT 工频磁场干扰前后与恒定磁场试验装置施加磁势值为1 000 At恒定磁场干扰前后的测量误差改变量。测量结果如图8(a)、图8(b)所示，结果表明误差改变量皆小于±0.1%。

4.5 频率响应测试试验

如图9所示，采用输出可达10 kHz、80 A rms的高频功率源，利用同轴分流器(交直流测量准确度在10 kHz时优于0.01%)及8位半数字电压表配合测量输出电流信号有效值。试验过程中环境温度恒定为26 ℃，相对湿度为61%，周围不存在影响测量的电磁场干扰。测试结果显示，1 kHz时衰减值为 -0.012 dB 左右，约衰减0.14%(<0.2%)；10 kHz衰减值约 -1.18 dB，因此样机-3 dB带宽高于10 kHz。

图8 磁场影响试验Fig.8 Magnetic field influence test

图9 频率响应特性测试试验Fig.9 Test for frequency response characteristic

5 测量不确定度分析

图10 柔性传感头不闭合误差等效示意图Fig.10 Equivalent schematic diagram of the flexible sensing coil optic path non-closed error

光纤宽带大电流测量仪现场校准方法的不确定度来源主要由表2的4部分组成。测量模型可表示为：

(6)

式中：φs0、V0分别为室温基准20 ℃时检测的相位差与Verdet常量；M1为因测量仪自身读数分辨力引入的变化系数；M2为因传感头不闭合造成的测量变化系数；M3为经线性双折射抑制技术实验数据修正后的近似Verdet常量的实验温变系数。

根据实物估测，假设ld=0.003m，l在经验估值区间[2m,5m]上均匀分布，其概率密度函数为：

(7)

M2=f(l)非线性函数在此区间呈单调连续可微性，M2取值区间满足M2∈[0.998 5，0.999 4]，区间半宽度为0.000 45。

M2函数的PDF概率密度函数为：

(8)

简化可得：

(9)

图11 M2函数概率密度函数形状Fig.11 The shape of probability density function of M2

因其不符合对称分布，B类不确定度评定很难估计其包含因子，故假设等同采用区间半宽度除以包含因子的对称分布型不确定度分量评估方法，保守取值其包含因子为1(实际大于1)。估算的标准不确定度分量(实际为扩展不确定度值)偏大，却因降级提高了测量结果的可信度。

表2中各相对标准不确定度分量互不相关，按照相对百分比形式符合线性模型，相对合成标准不确定度可表示为：

(10)

表2 相对标准不确定度分量一览表Tab.2 List of the relative standard uncertainty components

Urel=uc,rel×k=0.10%

(11)

6 结 论

采用线性双折射抑制、温敏变比自补偿、数字闭环信号检测等关键技术，对柔性光纤敏感头进行了优化设计,研制了一种反射式Sagnac型光纤电流互感器样机(光纤宽带大电流测量仪)。样机经各项主要性能指标验证，证明其符合大型装备电焊、电镀装置的大电流在线校准的需求,准确度等级达到了0.2级。分析了测量不确定度的来源，并进行了测量相对扩展不确定的评定，相对扩展不确定度为0.10%。