雙光路全光纖電流互感器的研究

熊顯名，方浚丞，王 璐

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林541004）

雙光路全光纖電流互感器的研究

熊顯名，方浚丞，王 璐

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林541004）

為了使光纖電流互感器具有快速、準(zhǔn)確地測量出電流值的能力，本文在分析法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)的偏振調(diào)制型全光纖電流互感器的基礎(chǔ)上引入雙光路檢測法，將光纖中輸出的線偏振光分成振動方向相互垂直、傳播方向成一定夾角的兩束光。經(jīng)光信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號后系統(tǒng)對其進行放大、濾波處理后得到無噪正弦波信號，結(jié)合TMS320F28335測試平臺對輸出的兩路信號進行同步采集、解調(diào)，通過運算求出法拉第旋轉(zhuǎn)角，并擬合法拉第旋角與參考電流值得出兩者關(guān)系式，最終使測量系統(tǒng)能夠在高壓環(huán)境下快速、準(zhǔn)確地測量電流值。由此可見，本系統(tǒng)適用于高壓環(huán)境下對大電流進行檢測。

全光纖電流互感器；法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)；雙光路；法拉第旋轉(zhuǎn)角

1 引 言

近年來電力工業(yè)發(fā)展迅猛，電力傳輸系統(tǒng)的電壓等級越來越高，傳統(tǒng)的電流互感器存在著諸多缺點已經(jīng)難以滿足測量要求，其中最突出的問題是絕緣問題，電壓的提高給電流互感器的絕緣技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)；另外，傳統(tǒng)的電流互感器體積龐大、質(zhì)量重，給生產(chǎn)、運輸和維護帶來諸多困難；此外，電磁式電流互感器的成本隨電壓等級的提高成指數(shù)增加［1］。與此同時，以光纖為介質(zhì)的新型傳感技術(shù)具有質(zhì)量輕、體積小、抗電磁輻射性能好等一系列其他介質(zhì)難以相比的優(yōu)點，特別適合于高電壓、空間小及強電磁干擾環(huán)境下使用［2］。光纖傳感器自從問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于測量電壓、電流、振動、位移、溫度、壓力等七十多個物理量，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)控制等領(lǐng)域。作為一種新型的傳感技術(shù)，光纖傳感器將深入應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

2 基本原理

全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光光源、起偏器、檢偏器、渥拉斯頓棱鏡、光電轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，系統(tǒng)中運用了法拉第磁光效應(yīng)：一束線偏振光沿外加磁場方向或磁化強度矢量方向通過置于磁場中的磁光介質(zhì)時透射光的偏振方向相對于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)過一定的角度，這個角度稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角［3］。在一般材料中，法拉第旋角與材料的長度、磁場強度成正比［4］。如公式所示：

式中，ν為材料的費爾德（Verdet）常數(shù)；H為磁場強度；L為線偏振光在磁場H作用下的傳輸距離；R為光纖線圈的半徑；N為光纖繞的總?cè)?shù)。由于費爾德數(shù)ν在相同的測量環(huán)境下相等，而且光纖繞的圈數(shù)N也是確定的，因此法拉第旋角與電流值成線性關(guān)系。但是直接測量法拉第旋角并不容易，一般情況下法拉第旋角通過光強度的形式表現(xiàn)出來。由馬呂斯定律可知，光強信號與線偏振面旋轉(zhuǎn)角之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

式中，E0為起偏器入射光強；Φ為起偏器與檢偏器開始時的夾角。對式（2）求導(dǎo)，當(dāng)時，探測器為了獲得對θ變化有最大靈敏度。解得：2Φ-2θ=π/2，由于2θ非常小，所以可以認(rèn)為當(dāng)Φ=π/4時，即起偏器和檢偏器光軸成45°夾角時，偏振面檢測獲得最大靈敏度［4］。式（2）可化簡為：

圖1 全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)圖

圖1中渥拉斯頓棱鏡將檢偏器輸出的光信號分成振動方向相互垂直，傳播方向成一定夾角的兩束光。由于兩路信號相位相差90°，對兩路信號進行差和運算之后將所得的結(jié)果相除得式（4）：

通過這種方法能夠?qū)弧⒅绷餍盘栠M行測量，而且輸出信噪比是直接經(jīng)過檢偏器輸出的兩倍。由式（4）可知雙光路檢測法能有效地提高了光路靈敏度，而且由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，有sin2θ≈2θ，故此時線性度也較好，更能滿足測量電流的需要。

3 信號檢測電路

光纖電流互感器輸出的是兩路光強信號，直接對光強信號處理比較困難，通常是將光電檢測到的模擬電信號經(jīng)模擬預(yù)處理電路后送至A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號［5］。本文在光信號輸出端接入光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸出為微弱信號。檢測系統(tǒng)的微弱信號檢測部分主要有前置低噪聲放大、帶通濾波器、乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成［6］。在前置放大電路運用低噪聲、高精度的運算放大器對信號進行放大如圖2（a）所示。

圖2 前置放大電路與帶通濾波器

由于光纖電流互感器的測量對象是工頻交流電其頻率為50 Hz，因此為了在光電轉(zhuǎn)換器輸出端不引入額外噪聲，檢測電路中還應(yīng)包含50 Hz帶通濾波器以濾除干擾，如圖2（b）所示為本文設(shè)計的帶通濾波器。在設(shè)計濾波器時選用了美國BB（Burr-Brown）公司生產(chǎn)的集成濾波器UAF42，是一款通用的有源集成濾波器，可廣泛應(yīng)用于低通、高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計，其內(nèi)部包含兩個積分器、一個反相放大器和一個獨立的運放，積分器包含兩個1000 pF精度高達0.5%的電容，這種結(jié)構(gòu)解決了設(shè)計有源濾波器時難以獲得高精度，低損耗的電容的問題。該濾波器屬于連續(xù)時間濾波器，可避免開關(guān)噪聲和一些開關(guān)電容濾波器一些其他問題的影響［7］。經(jīng)過50 Hz帶通濾波器之后，通過再低通濾波器隔離交流與電容隔離直流的作用把信號分成直流部分與交流部分，信號中的直流部分會隨測量環(huán)境的溫度變化而變化，而信號中的交流信號反應(yīng)出測量環(huán)境中磁場的強弱，因此分別提取直流部分與交流部分能有效地檢測在不同溫度下的電流值。

經(jīng)過電路處理后的兩路交流信號以頻率為50 Hz的正弦波信號輸出，峰-峰值約為2 V。為了能同時采集兩路直流信號與兩路交流信號本文采用了TI公司生產(chǎn)的ADS8556，它是一款6路16位SAR ADC，采集信號的電壓范圍可選±5 V。而且每路還包含了取樣保持電路，6個模擬輸入組成3個通道組，這些通道組可以同時采集，而且在并行口模式下ADS8556數(shù)據(jù)采樣速率高達730 ksps，信噪比達到了91.5 dB，能滿足對信號采集的要求。在控制器上本文采用了TI公司推出的一款浮點型DSP控制器TMS320F28335。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高成本低，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，而且在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出方面具有獨特的優(yōu)越性，滿足系統(tǒng)運算速率與精度的要求。 通過TMS320F28335與ADS8556搭建而成的同步采集系統(tǒng)能快速實時地反應(yīng)電流的大小，其連接示意圖如圖3（a）所示。

圖3 TMS320F28335與ADS8556

TMS320F28335控制器需要對檢測電路輸出的兩路信號同時運算，通過控制ADS8556的時序能實現(xiàn)對兩路信號的同時采集，保證運算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖3（b）所示為ADS8556控制時序圖。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量存儲到AD對應(yīng)的寄存器，通過TMS320F28335的16位數(shù)據(jù)總線依次讀取兩路信號的16位數(shù)據(jù)［8］。

4 數(shù)據(jù)處理

在圖1中，經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡處理后將光路分成J1，J2兩路垂直的光。如圖4部分所示X軸上方為J1信號，J1實線部分為當(dāng)系統(tǒng)中沒有電流值時偏轉(zhuǎn)角，X軸下方為J2信號，J2實線部分為系統(tǒng)中沒有電流值時偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)系統(tǒng)中檢測電流不為0時，電流以頻率為50 Hz的正弦波傳輸，J1，J2偏轉(zhuǎn)角也隨著電流以50 Hz頻率變化，當(dāng)電流值越大J1，J2偏轉(zhuǎn)的幅度越大，如圖4虛線部分所示。

圖4 J1，J2偏轉(zhuǎn)角

經(jīng)過ADS8556對J1，J2兩路交流信號采集之后的波形顯示如圖5所示，J1，J2均為50 Hz正弦波的信號，兩個波形相位相差90°。當(dāng)J1處于波峰時，偏轉(zhuǎn)角為J1-max，同時J2也偏轉(zhuǎn)角為J2-min，波形處于波谷。由式（4）可知，兩路光信號交流分量之和為2θ。通過反三角函數(shù)求出法拉第旋角，如式（5）所示：

式中，J1-min為J1通道波谷電壓值；J1-max為J1通道波峰電壓值；J2-min為J2通道波谷電壓值；J2-max為J2通道波峰電壓值。

圖5 J1，J2波形

通過ADS8556采集數(shù)據(jù)分別求出J1，J2波形一個周期內(nèi)的波峰與波谷，代入式（5）運算出法拉第旋轉(zhuǎn)角θ。由式（1）可知θ與電流值有著線性關(guān)系。如圖6所示為通過實驗求出的法拉第旋轉(zhuǎn)角θ與電流值之間的線性關(guān)系。

圖6 法拉第旋角與電流值關(guān)系

在不同的電流值下運算出法拉第旋角，經(jīng)過多點擬合，得出法拉第旋角與參考電流值之間的關(guān)系式。再把運算式植入TMS320F28335系統(tǒng)之后，系統(tǒng)便可以直接顯示出待測電流值的大小。如表1所示為測得電流值與實際流值之間的比較。由表1的數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地測量出電流值，滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求。

表1 測得電流值與參考電流值比較

5 總 結(jié)

本文在分析法拉第磁光效應(yīng)的基礎(chǔ)上研制了全光纖電流互感器，并設(shè)計了TMS320F28335同步采集系統(tǒng)，對光纖輸出的兩路光信號進行同步采集。通過對采集的信號進行一系列的運算之后求出法拉第旋角，便能實時地反應(yīng)出電流值的大小。通過實驗表明，該系統(tǒng)能夠在高壓環(huán)境下快速準(zhǔn)確地測量大電流。

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Research on dual oPtical Path all-fiber current transformer

XIONG Xian-ming，F(xiàn)ANG Jun-cheng，WANG Lu
（Guilin University of Electronic Science and Technology of Electronic Engineering and Automation，Guilin 541004，China）

In order tomake fiber current transformer to have the ability tomeasure the current quickly and accurately，we analyzed the polarization-modulated all-fiber current transformer based on Faraday electromagnetic induction effect.And a dual optical path detectionmethod is introduced.Polarized light from the optical fiber is divided into two beams.One is perpendicular to the direction of vibration，the other is ata certain angle towards the spread direction of the wave.After converting optic signal into electric signal，the sine wave signal obtained via amplification and filtering process is noiseless.Combining with TMS320F28335 test platform two output signals are synchronously acquired and demodulated，then the Faraday rotation angle is determined by calculation.And the relationship between fitting Faraday rotary and the reference current value is obtained.Finally the measurement system can measure current value in the high-pressure environmentquickly and accurately.It proves that the system is applicable to large current detection in the high-pressure environment.

all-fiber current transformer；the Faraday effect of electromagnetic induction；dual optical path；Faraday rotation angle

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2013.05.014

1001-5078（2013）05-0536-04

熊顯名（1964-），男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，主要研究方向為光電測試，計算機輔助測試及光學(xué)遙感測試。E-mail：380338015@qq.com

2012-09-27；

2012-10-16