专利名称：具有多个模数转换单元的多闭环光纤互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤互感器，尤其涉及具有多个模数(AD)转换单元的光纤电流互感器或光纤电压互感器。
背景技术：
传统的电流互感器或电压互感器都是采用电磁感应原理的，其敏感単元是线圈和铁芯。随着电力系统的不断改造和进步，尤其是坚强智能电网建设，传统的互感器暴露出了一系列严重缺陷绝缘困难、有铁磁共振和磁滞饱和隐患、体积大、造价高、不能测直流、以及模拟量输出等等。近些年来，基于光纤传感和光纤传输技术发展起来的全光纤电流或电压互感器技术不断进步，逐渐具备了推广应用的条件。它采用磁光法拉第效应和泡克耳斯(Pockels)电光效应原理，通过测量两束偏振光相位差的变化，间接地测得待测电流和电压大小。但是光纤互感器(根据测量对象的不同，可以分为光纤电流互感器或者光纤电压互感器)中的光信号传感和传输介质都是光学材料(光纤或晶体)，极易受到环境因素的干扰，因此可能需要在后端信号处理环节增加补偿环节，这样整个互感器的结构和信号处理流程复杂，造成生产不便。另外，为了提高互感器运行可靠性，也有必要对单模数转换单元(下文将模数转换单元简称为AD)的信号处理方案进行改迸。此外，坚强智能电网建设对光纤电流互感器的数字输出也提出了规范接ロ要求，现有技术中还没有对光纤电流互感器的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计的方案。上述现有的光纤电流传感器技术參见CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CNlO1915866A、CNlO1957395A、CN102087307A、CN102082606A 等。本发明的目的在于以下几个方面一、简化光纤互感器的结构；ニ、有效提高光纤互感器的可靠性和稳定性；三、提高光纤互感器检测的准确度(測量准确度高就是测量误差小)；四、通过多闭环的控制方式，改善光纤互感器的測量范围、线性度(线性度，即，校准曲线接近规定直线的吻合程度。也可以说是在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比。)并降低测量误差(比如，比差(即比值误差，测量值与真实值的相对误差称为比差)和角差(即相角误差，指测量值与真实一次电流之间的相位差))；五、提高微弱信号测量的准确度。
发明内容
为了简化系统并有效提高系统可靠性，有必要针对互感器的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计。为了提高光纤互感器的小信号敏感能力，同时提高測量准确度和扩大互感器的测量范围，本发明提出了ー种光纤互感器的模拟闭环信号检测方案和ー种数字闭环信号检测方案。不论是模拟闭环还是数字闭环，都在光纤互感器的信号处理单元采用多闭环技木。一般设计3个闭环第一个闭环是两束相干偏振光的偏置调制和反馈闭环技术，主要涉及土 /2偏置调制技术和阶梯波反馈技术；第二个闭环是针对光相位调制器半波电压漂移的自动修正闭环技术；第三个闭环是在信号处理环节首先检测出光探測器送过来的信号强度信息，用来对光源驱动进行修正，以稳定光源出光功率的闭环技木。本发明的光纤互感器既可以用于模拟闭环控制，也可以用于数字闭环控制。为了有效提高光纤互感器的系统稳定性和运行稳定性，在模拟闭环控制的情况下，在信号处理単元中设置双AD，在数字 闭环信号控制的情况下，也在信号处理单元中设置双AD。在模拟闭环控制中，两个AD的作用相同，都是对模拟闭环中的信号处理单元的输出信号进行数字量化，量化结果送信号输出模块MU(合并单元)。在MU中，一般来自两个AD的数据应完全相同，如有不同或差别较大，即视为输出故障，之后给出报警信息。在数字闭环控制中，两个AD的作用是同时对送来的模拟信号进行量化，它们的作用不同，在后续的信号解算环节对其中ー个AD的输出提取用以作为闭环控制的信息，而对另ー个AD的输出提取用以作为补偿和修正的信息。鉴于上述情况，本发明提供ー种光纤互感器，包括光源、光学器件集成组件、传感头、光电探测器、放大滤波単元、信号处理单元，所述光学器件集成组件中包括相位调制器和分光合光器件；所述光学器件集成组件将光源输出的光线通过分光合光器件起偏为两束线偏振光并传输至传感头；接收从传感头处返回的光线并使得返回的光线在所述相位调制器中发生干渉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息；所述光电探測器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元；所述信号处理单元中接收光电探測器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件。根据本发明的另ー个实施方式，所述光纤互感器中还包括光源驱动单元和第二光电探测器，第二光电探测器的输入端连接光学器件集成组件中的分光合光器件的输出端，第二光电探测器的输出端连接到光源驱动单元的输入端；其中第二光电探测器检测分光合光器件输出的光信号，并通过光电转换之后转换为电信号的控制信息，从而调节光源驱动单兀的输出。根据本发明的另ー个实施方式，所述信号处理单元包括模拟控制単元、第一 AD转换单元、第二 AD转换单元、以及合并单元；所述光电探测器的输出经过放大滤波单元放大滤波之后，输入到模拟闭环控制単元；所述模拟闭环控制単元对输入的模拟信号进行调制，从而得到输出模拟信号，并将输出模拟信号分别输出到第一 AD转换单元、第二 AD转换単元，然后第一 AD转换单元、第二 AD转换单元分别将转换结果输出到合并单元，然后由合并单元向所述光纤互感器外部输出信号。根据本发明的另ー个实施方式，由合并单元判断第一 AD转换单元和第二 AD转换単元分别输出的数据是否存在区别，如果存在，则发出报警信息。根据本发明的另ー个实施方式，所述信号处理单元包括第三AD转换单元、第四AD转换单元、数字闭环信号处理单元、合并单元；所述光电探測器的输出经过放大滤波单元放大滤波之后，将得到的模拟信号分别输出到第三AD转换单元、第四AD转换单元，然后第三AD转换单元、第四AD转换单元将处理结果分别输出到数字闭环信号处理单元；数字闭环信号处理单元将第三AD转换单元、第四AD转换单元的输出结果进行解算后，分别反馈到光源驱动单元和光学器件集成组件，从而驱动光源驱动单元对光源进行控制以及驱动光学器件集成组件中的相位调制器以对两束相干偏振光的相位进行调制；数字闭环信号处理单元将处理结果输出到合并单元，然后由合并单元向所述光纤互感器外部输出信号。根据本发明的另ー个实施方式，第三AD转换单元、第四AD转换单元同时对所述模拟信号进行量化，提取第三AD转换单元的输出作为闭环控制信息，提取第四AD转换单元的输出作为补偿和修正信息。如附图所示，根据下文对最佳实施方式的详细描述，本发明公开的这些和其他目的、特征和优点将更为明显。
图I是本发明的光纤互感器一个实施例的原理结构示意图；图2是本发明的光纤互感器另ー实施例的原理结构示意图；图3是光学器件集成组件的多种方式的原理结构图；图4是用于模拟闭环控制的双AD光纤互感器的一个实施例的结构图；图5是用于数字闭环控制的双AD光纤互感器的一个实施例的结构图；图6是图5所不实施例中数字闭环及修正信号处理的一个实施例结构图；图7是用于模拟闭环控制的一个实施例的信号调制波形示意图；图8是用于数字闭环控制的一个实施例的信号调制波形示意图。
具体实施例方式图I是本发明所涉及的光纤互感器的一个实施例的工作原理结构图。光纤互感器包括光源驱动单元、光源、光学器件集成组件、传感头、光电探测器、放大滤波単元、信号处理单元。根据本发明的一个实施例，光学器件集成组件中的分光合光器件采用2X2耦合器。光学器件集成组件的结构将在下文进行详细描述。如图I所示，光源驱动单元的输出端连接到光源，对光源进行驱动，使得光源正常工作。光源的输出端连接到光学器件集成组件中的2 X 2耦合器，2 X 2耦合器的作用是将光源发出的光分为两个光路输出，2X2耦合器的其中ー个输出端连接到光学器件集成组件中的其它器件。2X2耦合器还接受来自光学器件集成组件的返回光信息，并将其耦合进光电探測器，光电探测器将光路系统干涉结果的光信号转变成电压信号。光学器件集成组件的输出端连接到传感头，而传感头作用是通过敏感待測量以在两束偏振光间形成相位差。由于传感头属于现有技术，本领域的技术人员可以根据实际情况采用多种方式实现。
光电探测器的输出端连接到放大滤波単元，放大滤波単元对光电探测器输出信号进行运算放大和滤波处理。放大滤波単元的输出端连接到信号处理单元。信号处理单元将处理结果反馈输出，从而驱动光学器件集成组件中的相位调制器，以在两束相干偏振光间引入方波偏置调制相位和反馈调制补偿相位。信号处理单元将处理后的信号，同时作为互感器测量結果，按照预定格式输出。光学器件集成组件作用能够实现分光合光、光起偏、光分束、光耦合、光调制等作用，下文将对光学器件集成组件进行详细描述。
根据本发明的一个实施例，光学器件集成组件，用于接收光源输出的光线，并把光源输出的该光线起偏成线偏振光，随即又把该线偏振光分解为模式正交的两束线偏振光；光学器件集成组件中，把上述两束线偏振振光稱合在同一根保偏光纤的两个正交模式上，即光学器件集成组件送出两束模式正交的线偏振光沿着同一根保偏光纤的两个正交模式前向传输至传感头，并随后接收该两束线偏振光在传感头处敏感法拉第磁光效应后沿原光路模式互换返回的光束，返回的两束光线在光学器件集成组件中发生干涉；光学器件集成组件还用于将两束线偏振光的干涉结果通过光纤输出到光电探测器；此外，光学器件集成组件接受来自信号处理单元的反馈调制信息，以在两束线偏振光间叠加土 n/2偏置调制相位和与待测物理量引起的相位差大小相等、方向相反的反馈调制相位<K。
具体而言，参见图3，给出了实现光集成器件组件的多种实施方式。光学器件集成组件主要实现分光合光、光起偏、偏振光分解、光耦合、光相位调制等几种功能。光学器件集成组件可具有多种具体实施方式
。图3是图I中光学器件集成组件的多个具体实施方式
的结构图。如图3(a)所示，光学器件集成组件包括分光合光器件、保偏光纤、光相位调制器、光延迟器。该方案中除了传感头部分，光纤电流互感器的光路方案是全保偏方案，即所有光纤和器件尾纤都是保偏光纤。高偏光源发出的线偏振光经过分光合光器件后经过尾纤的45°角对轴熔接均分为模式正交的两束线偏振光X、Y在同一根保偏光纤中传输,经过光相位调制器和光延迟器(光延迟器本身可以是一段数米至数千米的一段保偏光纤)后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头。从传感头处返回后，该两束光模式互换，再次经过光相位调制器，达到45°熔接点处满足干涉条件，发生干涉，干涉结果经过分光合光器件耦合进光电探测器。如图3(b)所不,光学器件集成组件包括分光合光器件、保偏光纤、光起偏器、光相位调制器、光延迟器。光源发出的光经过分光合光器件和光起偏器后，经过保偏尾纤的45°角对轴熔接均分为模式正交的两束线偏振光X、Y在同一根保偏光纤中传输,经过光相位调制器和光延迟器(光延迟器本身可以是一段数米至数千米的一段保偏光纤)后，接着沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至传感头。从传感头处返回后，该两束光模式互换，再次经过光相位调制器，达到45°熔接点处满足干涉条件，发生干涉，干涉结果经过光起偏器和分光合光器件耦合进光电探测器。如图3(c)所示，光学器件集成组件包括第一分光合光器件、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器。光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器。Y型光相位调制器有光起偏、光分束、光调制的功能。Y型光相位调制器属于现有技术，不再详述。在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿其两根尾纤前向传播达到第二分光合光器件。在此之前，通过Y型光相位调制器的一根尾纤与第二分光合光器件的一根尾纤90°角对轴熔接，使得上述两束线偏振光从第二分光合光器件中出来后模式正交地沿着同一根保偏光纤前向传播。同样地，这两束模式正交的偏振光从传感头处返回并经过第二分光合光器件后，又由于上述90 °角的对轴熔接变为模式相同的两束线偏振光，并在Y型光相位调制器处发生干涉，干涉结果经第一分光合光器件耦合进光电探测器。如图3(d)所示，光学器件集成组件包括第一分光合光器件、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器。光源发出的光经第一分光合光器件后到达Y型光相位调制器，在Y型光相位调制器处，光被起偏并均分为两束偏振模式相同的线偏振光后，分别沿其两根尾纤前向传播达到第二分光合光器件。第二个分光合光器件能够把前向通道两根尾纤中的相同偏振模式的线偏振光集合成模式正交的两束线偏振光且沿着同一根保偏尾纤继续前向传播，还能够把反向通道中一根保偏尾纤中模式正交的两束线偏振光转变为相同模式的两束线偏振光，并分别沿着它的两根反向通道尾纤传播，即可以把在其中传播的两束偏振光中的一束偏振光的偏振角度旋转90°。上述两束线偏振光从第二分光合光器件中出来后模式正交地沿着同一根保偏光纤前向传播。同样地，这两束模式正交的偏振光从传感头处返回并经过第二分光合光器件后，又转变为模式相同的两束线偏振光，并在Y型光相位调制器处发生干涉，干涉结果经第一分光合光器件耦合进光电探测器。以上列出了可以实现本专利中的关于光学器件集成组件的几个具体实施例，但是任何可以实现上述功能的设计都在本专利的保护范围之内。 本发明的光纤互感器采用相位调制型光路方案，它利用磁光法拉第(Faraday)效应或电光(泡克耳斯)Pockels效应,通过检测同一根光纤中模式正交的两束偏振光，由于敏感电流周围的磁场或电压周围的电场，所产生的相位差，来间接地测量母线上的电流值或电压值。具体而言，该光纤互感器工作时，光源驱动单元驱动光源发光，光经由光学器件集成组件后，形成模式正交的两束线偏振光，两束线偏振光沿着同一根保偏光纤(光学器件集成组件与传感头之间的部分)，按照正交方向的两个模式X、Y传输至传感头。两束偏振光由于敏感法拉第(Faraday)磁光效应或泡克耳斯(Pockels)电光效应形成相位差，并且在模式互换后沿原光路返回。最终，携带Faraday效应相位信息或Pockels效应相位信息的两束光在光学器件集成组件中发生干涉,然后由分光合光器件率禹合进光电探测器，干涉结果经光电探测器转换为电信息，之后经放大滤波单元处理后进入信号处理单元进行后续信号处理。上述传感头以及光线的反射、检测都属于现有光纤互感器技术，本文不再详细描述。根据本发明的另一个实施例，参见图2所示的光纤互感器。该光纤互感器包括光源驱动单元、光源、光学器件集成组件(其中含有分光合光器件，比如2X2耦合器)、第一光电探测器、第二光电探测器、放大滤波单元、信号处理单元、传感头。如图2所示，该实施例的光纤互感器在结构上类似于图I所示的光纤互感器。与图I所示光纤互感器的不同之处在于，该实施例中的光纤互感器中设有第二光电探测器。第二光电探测器的输入端连接光学器件集成组件中的分光合光器件(比如2X2耦合器)的一个输出端，第二光电探测器的输出端连接到光源驱动单元的输入端。其中第二光电探测器可检测分光合光器件(比如2X2耦合器)的输出光强等光信号，并通过光电转换之后转换为电信号的控制信息，从而对光源驱动单元进行控制，调节光源驱动单元的输出。这样，可以在不增加分光合光部件的情况下对光源输出进行控制，充分利用了分光合光器件(比如2X2耦合器)。此外，根据本发明的另一个实施例，图2中的信号处理单元的输出端也连接到光源驱动器的输入端，使得信号处理单元也能够对光源驱动单元进行反馈控制。此外，由于对于光源的反馈控制不局限于上述示例性的实施例，因而有可能具有多种其他示例性的实施例。图4是用于模拟闭环控制的双AD光纤互感器结构图。图4给出了信息处理单元的一个实施例。图4中的模拟控制单元、第一 AD转换单元(A/D1)、第二 AD转换单元(A/D2)、合并单元构成了信号处理单元。其中，光电探测器I的输出经过放大滤波单元放大滤波之后，输入到模拟闭环控制单元。模拟闭环控制单元对输入的模拟信号进行调制，从而得到输出模拟信号。输出模拟信号分别输出到第一 AD转换单元、第二 AD转换单元，然后第一 AD转换单元、第二 AD转换单元将处理结果输出到合并单元，合并单元最后输出结果。此外，根据本发明的一个实施例，模拟闭环控 制单元还对放大滤波单元输出的模拟信号进行处理，得到反馈控制模拟信号，对光学器件集成组件和光源驱动单元分别进行反馈控制。根据本发明的一个具体实施例，模拟闭环控制单元的反馈环节的输入模拟信号和输出模拟信号如图7所示，即，输入模拟信号是锯齿波，输出模拟信号是方波。其中，图7上方波形图中的实线表示t时刻的输入波形，虚线表示t+ T时刻的输入波形。如图7所示，其中模拟锯齿波相位斜波调制及产生的反馈相位差为A Cj5pii0在图7上半部分，纵轴是相位差，横轴是时间。其中的实线锯齿波表示t时刻的反馈锯齿波，虚线锯齿波表示t+ T时刻的反馈锯齿波，在同一时刻锯齿波的高度差就是实际反馈量的大小。图7的下半部分与上半部分对应，由上半部分的实线与虚线相减得到，它实际表征的是锯齿波在不同时刻的高度差。在周期性的下凹部分，表征的同样是锯齿波的高度差，只是此处锯齿波相位累加至2 ，形成复位回扫，因此它的高度比非复位处高度低2 。由于本实施例中的光纤互感器是一种干涉型互感器，它的干涉结果是相位差小的余弦信息I0 = I (1+cps )(I)为了提高光纤互感器的灵敏度，以及确认0值符号，在两束线偏振光间通过方波调制引入土 /2偏置相位，使得干涉结果变为T0 =厂(I+ cos(沴 ±營))=/-(I=F sin 彡)(2)从上式即可以应用反三角运算解算出0值大小，并进一步地得出待测电流或电
压信息。但是反三角运算复杂，且从上式可以看出，此时光纤互感器的测量范围受到正弦函数周期限制。为了减小系统输出非线性误差和增大动态测量范围，在相向传输的两束光之间引入一个与相移0大小相等、方向相反的反馈补偿相移(K，用来抵消0相移。加入反馈相移^^后，两束偏振光干涉输出信息为I。=厂(I; sin( 0 + 么))⑶由于Cj5 + Cj5 K 0，所以此时光纤互感器始终工作在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度最高，同时由于实现闭环检测，也扩大了系统的测量范围。由于频率是相位的导数，运用光学器件集成组件中的相位调制器来施加相位斜波调制‘( )=》_/ (其中#是斜率)，等价于一个频移Af = .
权利要求
1.一种光纤互感器，包括光源、光学器件集成组件、传感头、光电探测器、放大滤波单元、信号处理单元，其特征在于， 所述光学器件集成组件中包括相位调制器和分光合光器件； 所述光学器件集成组件将光源输出的光线通过分光合光器件起偏为两束线偏振光并传输至传感头；接收从传感头处返回的光线并使得返回的光线在所述相位调制器中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息； 所述光电探测器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元； 所述信号处理单元接收光电探测器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件。
2.根据权利要求I所述的光纤互感器，其特征在于，所述光纤互感器中还包括光源驱动单元和第二光电探测器， 所述第二光电探测器的输入端连接光学器件集成组件中的分光合光器件的输出端，第二光电探测器的输出端连接到光源驱动单元的输入端；其中第二光电探测器检测分光合光器件输出的光信号，并通过光电转换之后转换为电信号的控制信息，调节光源驱动单元的输出。
3.根据权利要求I或2所述的光纤互感器，其特征在于，所述信号处理单元包括模拟闭环控制单元、第一 AD转换单元、第二 AD转换单元、以及合并单元； 所述光电探测器的输出经过放大滤波单元放大滤波之后，输入到模拟闭环控制单元； 所述模拟闭环控制单元对输入的模拟信号进行调制，得到输出模拟信号，并将输出模拟信号分别输出到第一 AD转换单元、第二 AD转换单元，然后第一 AD转换单元、第二 AD转换单元分别将处理结果输出到合并单元，然后由合并单元向所述光纤互感器外部输出信号。
4.根据权利要求3所述的光纤互感器，其特征在于，由合并单元判断第一AD转换单元和第二 AD转换单元分别输出的数据是否存在区别，如果存在，则发出报警信息。
5.根据权利要求I或2所述的光纤互感器，其特征在于，所述信号处理单元包括第三AD转换单元、第四AD转换单元、数字闭环信号处理单元、合并单元； 所述光电探测器的输出经过放大滤波单元放大滤波之后，将得到的模拟信号分别输出到第三AD转换单元、第四AD转换单元，然后第三AD转换单元、第四AD转换单元将处理结果分别输出到数字闭环信号处理单元； 数字闭环信号处理单元将第三AD转换单元、第四AD转换单元的输出结果进行闭环解算后形成该环节输出信号，分别反馈到光源驱动单元和光学器件集成组件，驱动光源驱动单元对光源进行控制，以及驱动光学器件集成组件中的相位调制器以对两束相干偏振光的相位进行调制； 数字闭环信号处理单元将处理结果输出到合并单元，然后由合并单元向所述光纤互感器外部输出信号。
6.根据权利要求5所述的光纤互感器，其特征在于，第三AD转换单元、第四AD转换单元同时对所述模拟信号进行量化，提取第三AD转换单元的输出作为闭环控制信息，提取第四AD转换单元的输出作为补偿和修正信息。
7.根据权利要求1-6所述的光纤互感器，其特征在于，采用方波偏置调制方式在两束相干偏振光间引入土 n /2偏置调制相位差；采用锯齿波或阶梯波反馈方式在两束相干偏振光间引入与传感头处形成的非互易待测相位信息大小相等、方向相反的相位。
全文摘要
本发明提供一种光纤互感器，包括光源、光学器件集成组件、传感头、光电探测器、放大滤波单元、信号处理单元。本发明通过多闭环的控制方式，改善光纤互感器的测量范围、线性度并降低测量误差和角差，从而简化了光纤互感器的结构，有效提高其可靠性、稳定性、检测准确度。
文档编号G01R19/00GK102628885SQ20121008760
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者石金华 申请人:扬州永阳光电科贸有限公司