[發(fā)明專利]一種抑制光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910876807.4
• 申請(qǐng)日: 2019-09-17
• 公開（公告）號(hào): CN110687337B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李傳生;邵海明;趙偉;王家福
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01R15/24
• 分類號(hào): G01R15/24
• 代理公司: 福州市鼓樓區(qū)京華專利事務(wù)所(普通合伙) 35212
• 代理人: 林燕

本發(fā)明提供一種抑制光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償裝置，用于光纖電流傳感器的非線性自補(bǔ)償，所述光纖電流傳感器包括光電模塊，所述光電模塊包括相互連接的傳感光路和閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)單元，所述光纖電流傳感器還包括自補(bǔ)償裝置，自補(bǔ)償裝置包括保偏尾纖、相位延遲器、橢圓雙折射光纖及反射鏡，保偏尾纖與相位延遲器以θ角對(duì)軸熔接或耦合，相位延遲器與橢圓雙折射光纖以角對(duì)軸熔接或耦合，反射膜鍍于橢圓雙折射光纖末端，橢圓雙折射光纖首端與末端閉合形成光纖敏感環(huán)，載流導(dǎo)體穿設(shè)于該光纖敏感環(huán)中；保偏尾纖還與傳感光路的尾纖對(duì)軸熔接。本發(fā)明還提供一種抑制光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償方法，提升了光纖電流傳感器大動(dòng)態(tài)范圍的線性度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖電流傳感技術(shù)，尤其涉及一種抑制光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償裝置及方法。

背景技術(shù)

大電流技術(shù)在冶金、電力、國(guó)防軍工、可控核聚變研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，準(zhǔn)確的電流計(jì)量與安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、產(chǎn)品質(zhì)控及重大科學(xué)研究密切相關(guān)。基于Faraday(法拉第)磁光效應(yīng)的干涉型光纖電流傳感器具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻響范圍寬(可同時(shí)測(cè)量交流和直流電流)、抗外磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)、便攜性好等特點(diǎn)，在大電流測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

光纖電流傳感器采用反射式Sagnac干涉儀作為傳感光路，利用1/4波片將兩束正交的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚龍A偏振光，兩束正交的圓偏振光在首尾閉合的光纖敏感環(huán)中往返傳輸，產(chǎn)生與被測(cè)電流成正比的相位差。由于光路結(jié)構(gòu)的互易性，兩束信號(hào)光的干涉光強(qiáng)僅攜帶被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移。干涉光強(qiáng)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

在信號(hào)處理方面，干涉型光纖電流傳感器采用閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移，并產(chǎn)生一個(gè)與之大小相等、符號(hào)相反的反饋相移，將系統(tǒng)鎖定在靈敏度最高的正交工作點(diǎn)上。閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)將非線性的余弦響應(yīng)變成了線性響應(yīng)，理論上，光纖電流傳感器可以在極大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保證高線性度。

橢圓雙折射光纖是一種實(shí)用化的電流傳感光纖，由保偏光纖預(yù)制棒拉絲的同時(shí)旋轉(zhuǎn)形成，其雙折射主軸沿光纖軸向呈螺旋分布，螺距的大小由旋轉(zhuǎn)周期和拉絲速度決定。描述這種光纖特性的兩個(gè)重要參數(shù)是螺距L_t和線拍長(zhǎng)L_b(未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下保偏光纖的拍長(zhǎng))，定義η＝2L_b/L_t。雙折射主軸特殊的螺旋結(jié)構(gòu)可以有效抑制線性雙折射對(duì)電流傳感的不利影響。與普通保偏光纖類似，常用的橢圓雙折射光纖可以分為：熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓芯型和光子晶體型。

橢圓雙折射光纖的偏振本征模式是兩束正交的橢圓偏振光，其橢圓度與η有關(guān)，η越大，偏振本征模越趨近于圓偏振光。實(shí)際中，η并不容易做到很大，通常在1～5之間。在這種情況下，進(jìn)入橢圓雙折射光纖敏感環(huán)的圓偏振光將無(wú)法保持偏振態(tài)，傳感器閉環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)到的相位差除與被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移有關(guān)外，還與由線拍長(zhǎng)和螺距決定的線性雙折射和圓雙折射有關(guān)。傳感器的輸出與被測(cè)電流成非線性關(guān)系，且被測(cè)電流越大，非線性越明顯，這將嚴(yán)重制約光纖電流傳感器大電流在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

目前，實(shí)用化的光纖電流傳感器普遍采用橢圓雙折射光纖作為傳感光纖，采用1/4波片實(shí)現(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換。這樣的傳感器普遍存在非線性問(wèn)題，由于非線性的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光纖大電流傳感器測(cè)量精度的線性遞推，在大電流下需要依賴校準(zhǔn)裝置對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，來(lái)保證大電流的測(cè)量精度。但是，對(duì)于數(shù)百kA甚至更大的超大電流，受限于大功率電源和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器，很難建立校準(zhǔn)裝置，基于非線性誤差模型的軟件補(bǔ)償方法難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題之一，在于提供一種抑制光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償裝置，本發(fā)明從橢圓雙折射光纖敏感環(huán)的光學(xué)特性出發(fā)，采用相位延遲器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的1/4波片，調(diào)整進(jìn)入光纖敏感環(huán)的光波的偏振態(tài)，抑制了光纖電流傳感器的非線性，實(shí)現(xiàn)了光纖電流傳感器非線性的自補(bǔ)償。

本發(fā)明的問(wèn)題之一，是這樣實(shí)現(xiàn)的：