一種全光纖電流傳感器溫度補償方法

熊顯名，閔 旺，秦祖軍

（桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，桂林541004）

一種全光纖電流傳感器溫度補償方法

熊顯名，閔 旺，秦祖軍

（桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，桂林541004）

為了解決傳感光纖的彎曲、扭轉以及外界工作環境的變化導致全光纖電流傳感器測量精度降低的問題，提出了一種基于輸出橢圓偏振光長軸斜率的全光纖電流傳感器溫度補償方法。論證了橢圓偏振光長軸斜率能夠反應輸出橢圓偏振光的光橢率的大小，利用TMS320F28335和對應算法求出斜率，實驗中使用輸出橢圓偏振光長軸斜率對傳感器進行修正并進行了實際測量。結果表明，基于該修正方法的測量系統，實現了在單次變溫條件20℃～60℃內變化時測量結果偏差滿足0.2s。這一結果對全光纖實用化研究是有幫助的。

激光技術；全光纖電流互感器；溫度補償；橢圓偏振光長軸斜率

引 言

電力系統的額定電壓等級和傳輸容量的大幅度提升，對于電流傳感器的要求越來越高。而在傳統的高電壓、大電流和強功率的電力系統中，通常采用的以電磁感應原理為基礎的電流互感器存在著一系列的缺點：有發生系統失效及災難性事故的危險、可能發生磁飽和現象、頻率響應差、電磁干擾嚴重、設備笨重、運輸安裝困難、成本較高等。而因為全光纖電流傳感器（all optical fiber current sensor，AFOCS）采用光纖作為傳感介質，所以在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面比傳統的電磁式電流互感器有很大的優勢，而且它不含有交流線圈，不存在開路危險，因而也越來越受關注［1-2］。

目前，全光纖電流互感器AFOCS已經在許多國家快速發展，很多單位在從事光纖電流互感器方面的研究，提出了許多設計方案，并有一些已經日益趨于成熟和完善，有少量已經掛網運行，進入到實用階段。國外從事該方面研究的單位主要有：美國國家標準技術研究所、ABB公司、日本的東電、住友公司、加拿大NxtPhase公司、法國ALSTOM公司［3-4］。在國內，從上世紀80年代開始，也有很多學校和科研單位如清華大學、西安交通大學、北方交通大學、華中科技大學、燕山大學等投入大量的人力和財力從事光纖電流互感器方面的研究［5］。此外，近年來對于新技術和新材料在光纖電流傳感器方向的應用也正逐步地發展起來［6-8］。

盡管研究機構、高校紛紛投入到AFOCS的研究工作中，但由于環境溫度的變化、光纖彎曲、測試平臺震動等外界因素的影響，使得在實際應用中AFOCS測量精度、穩定性仍然不高。

1 系統構成

傳感器系統框圖如圖1所示，系統采用雙光路法［9］。光源發出的光經起偏器變成偏振光后進入傳感光纖，再經過檢偏器（這里為渥拉斯頓棱鏡），檢偏器把從傳感光纖中輸出的偏振光分成振動方向相互垂直的、傳播方向成一定夾角的兩束光，這兩束光分別通過光電轉換（photoelectric conversion，PC）以及信號調理（signal adjust，SA）電路，經過數字信號處理（digital signal processor，DSP）后的電信號再通過模數轉化（analog to digital converter，ADC）進行采樣，最終使用所采集到的數據進行信息解調。

Fig.1 Diagram of all optical fiber current sensor

2 理論分析

由于光纖本身的彎曲、扭轉以及雙折射率隨外界工作環境的變化［10］，導致從傳感光纖入射的線偏振光從出射端已經退化為橢圓偏振光。入射線偏振光的退化情況是由光纖的彎曲程度以及工作環境變化情況決定的。對于某一時刻而言，出射的橢圓偏振光是以確定的角度入射到圖1中的渥拉斯頓棱鏡中的。實驗過程中發現，工作溫度的變化引起兩合成線偏振光的相位差（以下簡稱相位差）改變從而導致出射橢圓偏振光的光橢率變化，與此同時出射的橢圓偏振光主光軸的斜率也在變化，與之對應的調制靈敏度也在變化。

橢圓運動可以看成是兩個相互垂直坐標軸（x，y）上的簡諧振動合成，橢圓偏振光的兩個電場分量的表達式可以寫成［11］：

式中，Ex，Ey分別為x方向和y方向上的矢量，ω為波的圓頻率，ξ為相位差。假定Ax＝Ay＝1，ωt∈（0，2π），隨著相位差ξ的改變，引起橢圓退化以及橢圓偏振光長軸斜率h的變化過程見圖2。

Fig.2 Oval degenerative processes caused by the change ofξ

2.1 相位差與橢圓偏振光長軸斜率的關系

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

由圖3可知，當傳感光纖繞制合適（ξ＞π／16）時，k與ξ可以成確定的單調關系，且相位差的改變對于出射橢圓偏振光的橢偏率是確定單調的關系［12］。所以，橢圓偏振光長軸斜率k可以反映出射橢圓偏振光的橢偏率的大小。

2.2 橢圓偏振光長軸斜率的獲取

由馬呂斯定律可知光路Ⅰ、Ⅱ的出射光強分別為：

式中，E為出纖光強，φ為起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角，α為最大調制角度，ω0為調制電流的角速率。

將（3）式除以（2）式可以得到：

在初始φ，α選取合適的情況下：

通過以上公式推導可知，ADC采樣得到的數據經過開方、反正切后便可以得到φ－αsin（ω0t）的信息，而這其中φ為起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角，其又為初始角φ0加上橢圓偏振光長軸斜率k，則k＝φ－φ0；α則反應了調制電流的大小。運用相應算法分別對所得的φ－αsin（ω0t）進行直流分量的提取以及峰峰值的提取，便也可以求得同一時刻的k和α的值。實際測量過程中由于k的改變導致了α的調制效率的變化，故這里采用k對α進行修正。

3 實驗驗證

為驗證上述理論的可行性，搭建了如圖4所示的測試平臺。

Fig.4 Test platform

如圖4所示，測試平臺的大電流是由兩級變壓器產生，通過調節第1級變壓器輸出交流電壓來實現粗導線上電流的改變。與圖1論述相同，光路部分的構成是采用傳統的偏振調制型光路。實驗過程中將光路部分置于變溫箱中。粗導線上的電流通過傳統電流互感器進行監測并為回歸提供目標值。電路部分是由激光光源驅動電路、光電檢測以及信號處理（signal process，SP）電路構成，以實現對于激光器的驅動、傳感信號的解調、電流的監測以及將所測得的數據通過串口發送到上位機進行數據的分析回歸。

3.1 光學部分

光學傳感頭是由帶尾纖的起偏器、偏振分束器以及傳感光纖構成，三者之間是通過光纖熔接機進行熔接并固定在鋁圈上以減少震動對于系統測量效果的影響［13］。在鋁圈上饒制傳感光纖時應當注意要滿足第2.1節中所論述ξ＞π／16的條件。實驗中實際使用的光學傳感頭見圖5。

Fig.5 Optical sensor head

3.2 電學部分

電學部分將從偏振分束器出射的兩路光信號分別通過如圖6所示模擬電路進行信號調理，以便后續的數據采樣以及分析。該部分裝入做好的屏蔽盒中以降低外界信號的干擾。

Fig.6 Modulation circuit of analog signal

TMS320F28335以及ADS8556構成的數據采集分析平臺對上述調理后的模擬信號進行采集并將所得到的數據做如第2.2節中所論述的運算，最終得到起偏器與渥拉斯頓棱鏡透光軸夾角φ、最大調制角度α。數據采集平臺還對傳統電流互感器的輸出信號（I-V變換）進行采集運算，以實現粗電流母線上的電流I監測。TMS320F28335將運算得到的φ，α，I數值通過串口發送到上位機。上位機將接收到的數據實時顯示并存放到一個.txt格式的文件中，以便后續的數據分析以及回歸處理。

激光光源部分選用了華工正源光子技術有限公司生產的型號為TLD-F55SAR2464-1的F-P半導體激光二極管，工作中心波長為1550nm，最大輸出功率為6mW，并設計了高穩定的激光驅動電源［14］。

3.3 實驗效果

實驗中，在整個溫度區間內等間隔選取了10個溫度點，在每一個溫度點上選取多個電流值點組成擬合樣本。擬合目標函數變量關系式為z＝f（φ，α），對樣本點進行了3維公式擬合，擬合結果的相關系數為0.9999713。將上述擬合所得到的相關參量重新代入到測量系統中，將實驗用的變溫箱多次調節到連續變溫的狀態下測得多組數據，對照IEC 60044-8關于電子式電流互感器精度的說明［15］，可以得出：利用本文中論述的修正方法，在單次高低溫變化的條件下系統電流值的測量誤差滿足準確級0.2s的要求，隨機挑選1組實際測量結果如表1所示。

Table 1 Results of practical measurement

4 結 論

提出利用橢圓偏振光長軸斜率來修正測量系統，并通過角度變化反求橢圓偏振光的長軸斜率。實驗驗證了所提出的修正方案，經修正后的測量系統在單次溫度變化的條件下系統的測量精度高，但在多次高低溫循環后系統測量結果會整體產生偏差。長期在同一變溫環境下傳感光纖的物理特性將趨于穩定，這將促使系統的測量精度進一步提高。此外，選用退火光纖或者是對實驗用光纖進行退火處理也將有益于系統穩定性的增強以及測量精度的提高［16］。

［1］ FANG Zh，QIU Y Ch，LI Sh.The development of optical current transducers［J］.Electric Power Construction，2002，23（12）：42-44（in Chinese）.

［2］ BRIAN C.Optical fiber sensor technologies：opportunities andperhaps-pitfalls［J］.Journal of Light wave Technology，2004，22（1）：38-50.

［3］ ZIEGLER S，WOODWARD R C，IU H H Ch.Current sensing techniques：a review［J］.IEEE Seneors Journal，2009，4（9）：354-376.

［4］ BOHNERT K，GABUSP，KOSTOVIC J，et al.Optical fiber sensors for the electric power industry［J］.Optics and Lasers in Engineering，2005，43（3／5）：511-526.

［5］ GAOP，MA JH，YANGN，etal.Electronic transducer technology and its current development［J］.Southern Power System Technolo-gy，2009，3（3）：39-42（in Chinese）.

［6］ LEE B H，ROH SY，PARK JH.Current status of micro-and nano-structured optical fiber sensors［J］.Optical Fiber Technology，2009，15（3）：209-221.

［7］ BRíGIDA A C S，NASCIMENTO IM，CHESINIG，et al.Fabrication of a spun elliptically birefringent photonic crystal fiber and its characterization as an electrical current sensor［J］.Proceedings of the SPIE，2003，8794：F1-F4.

［8］ MICHIE A，CANNING J，BASSET I，et al.Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre for current sensing［J］.Measurement Science and Technology，2007，18（10）：3070-3074.

［9］ XIONG X M，FANG JC，WANG L.Research on dual optical path all-fiber current transformer［J］.Laser＆Infrared，2013，43（5）：536-539（in Chinese）.

［10］ NI Zh B，SONG L K，LIU JP，et al.Measurement of birefringence of a single axis crystal varying with temperature based on double light paths［J］.Laser Technology，2007，31（4）：358-363（in Chinese）.

［11］ LIANG Q T.Physical optics［M］.3rd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2007：57-59（in Chinese）.

［12］ KANG Ch，WANG Zh P，HUANG Z J，et al.Influence of reflection-induced retardance of non-polarizing beam splitter upon the polarization state of the output light of faraday mirror optical current transformer［J］.Acat Optica Sinica，2006，26（12）：1857-1860（in Chinese）.

［13］ ZHANGW，NING Y N，GRATTAN K T V，et al.Analysis of the effect of vibration-induced noise in different fibre leads used in an optical current-measurement system［J］.Sensors and Actuators，1997，A63（2）：113-118.

［14］ LIAO P，MO Sh W.1310nm／1550nm semiconductor laser power supply for the optic fiber measurement［J］.Laser Technology，2013，37（4）：541-546（in Chinese）.

［15］ IECSTANDARDS.IEC60044-8 instrument transformers-part8：electronic current transformers［S］.Geneva，Switzerland：Internation Electro Technical Commission，2002.

［16］ TANG D D，ROSE A H，DAY GW，et al.Annealing of linear birefringence in single-mode fiber coils：application to optical fiber current sensors［J］.Journal of Lightwave Technology，1991，8（9）：1031-1037.

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

熊顯名（1964-），男，研究員，主要研究方向為光電測試、計算機輔助測試及光學遙感測試。

E-mail：478266449＠qq.com

2013-11-12；

2014-01-19