一种光学电流传感器的应力线双折射补偿方法

1.本发明涉及一种光学电流传感器的应力线双折射补偿方法，属于光学电流传感器校正技术领域。


背景技术：

2.光学电流传感器的优点包括1)良好的绝缘性，2)重量轻，3)电流测量范围宽和4)易于数字化等，被认为是高电压大电流测量技术的最终发展方向。但是温度变化与震动在磁光薄膜和传输光纤中产生应力线双折射，其与法拉第磁致旋光角混叠在一起，难以分离与补偿。现有光学电流传感器的光强解调模式导致其法拉第旋转角测量范围较小，线双折射对测量结果的影响权重变大，甚至淹没了有效信息，严重损害了光学电流传感器测量的准确性与稳定性。因此应力线双折射问题成为多年来制约光学电流传感器实用化的瓶颈，被业界称之为“世界难题”。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种光学电流传感器的应力线双折射补偿方法。
4.本发明的技术方案如下：
5.一方面，本发明提出一种光学电流传感器的应力线双折射补偿方法，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束和cmos面阵相机，所述方法包括以下步骤：
6.利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角与应力线双折射δ并形成一个同步旋转的环形光斑，传输至cmos面阵相机；
7.确定待测交流电流的过零时刻，在过零时刻通过cmos面阵相机获取相应环形光斑的旋转角度为应力线双折射δ并记录；
8.基于记录的应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ，并根据预测结果对光学电流传感器的输出信号进行补偿。
9.作为优选实施方式，所述确定待测交流电流的过零时刻的方法为：
10.采集光学电流传感器的离散输出数据流传感器的离散输出数据
11.判断两个相邻的离散输出数据和的旋转角度的正负符号是否相同，其中k《n，若符号相同，则认为两离散输出数据之间不存在电流过零；若符号不相同，则认为两离散输出数据之间存在过零点，将tk与t
k+1
的平均值确定为过零时刻。
12.作为优选实施方式，所述获取记录的多个历史应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ的步骤具体为：
13.通过以下公式进行无模型迭代学习：
14.comk(t)＝com
k-1
(t)+k
p
δ
k-1
15.其中，comk(t)第k次迭代t时刻的误差补偿值；k
p
为学习率；
16.加入自适应算法，利用自适应算法的伪偏导数来代替上述无模型迭代学习中的学习率；
17.将获取的多个历史应力线双折射δ的平均值作为初始值放入加入自适应算法的无模型迭代学习进行迭代计算，达到收敛条件后输出预测的t时刻的应力线双折射δ。
18.另一方面，本发明还提出一种光学电流传感器的应力线双折射补偿系统，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束和cmos面阵相机，所述系统包括：
19.启动模块，用于利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角与应力线双折射δ并形成一个同步旋转的环形光斑，传输至cmos面阵相机；
20.交流过零确定模块，用于确定待测交流电流的过零时刻，在过零时刻通过cmos面阵相机获取相应环形光斑的旋转角度为应力线双折射δ并记录；
21.补偿模块，基于记录的应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ，并根据预测结果对光学电流传感器的输出信号进行补偿。
22.作为优选实施方式，所述交流过零确定模块包括：
23.输出数据采集单元，用于采集光学电流传感器的离散输出数据
[0024][0025]
过零时刻确定单元，用于判断两个相邻的离散输出数据和的旋转角度的正负符号是否相同，其中k《n，若符号相同，则认为两离散输出数据之间不存在电流过零；若符号不相同，则认为两离散输出数据之间存在过零点，将tk与t
k+1
的平均值确定为过零时刻。
[0026]
作为优选实施方式，在补偿模块中，所述获取记录的多个历史应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ的步骤具体为：
[0027]
通过以下公式进行无模型迭代学习：
[0028]
comk(t)＝com
k-1
(t)+k
p
δ
k-1
[0029]
其中，comk(t)第k次迭代t时刻的误差补偿值；k
p
为学习率；
[0030]
加入自适应算法，利用自适应算法的伪偏导数来代替上述无模型迭代学习中的学习率；
[0031]
将获取的多个历史应力线双折射δ的平均值作为初始值放入加入自适应算法的无模型迭代学习进行迭代计算，达到收敛条件后输出预测的t时刻的应力线双折射δ。
[0032]
再一方面，本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器的应力线双折射补偿方法。
[0033]
再一方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器的应力线双折射补偿方法。
[0034]
本发明具有如下有益效果：
[0035]
本发明一种光学电流传感器的应力线双折射补偿方法，光学电流传感器基于纳米环形径向偏振光栅实现，能够线性解调法拉第磁致旋光角，通过零点定理确定待测交流电流的过零时刻，并基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法计算下一周期的应力线双折射并予以补偿，实现消除应力线双折射的目的。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例一的方法流程图；
[0037]
图2为本发明实施例进行应力线双折射补偿的原理图；
[0038]
图3为光学电流传感器输出的环形光斑的仿真结果图；
[0039]
图4为基于无模型自适应迭代学习的应力线双折射补偿方法方法流程图。
[0040]
图中附图标记为：
[0041]
1、激光器；2、起偏器；3、磁光薄膜；4、纳米环形径向偏振光栅；5、传像束；6、cmos面阵相机；7、环形光斑；8、标准环形光斑；9、误差环形光斑。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
[0044]
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0045]
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0046]
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0047]
实施例一：
[0048]
参见图1和图2，本实施例提出一种基于纳米环形径向偏振光栅与无模型自适应迭代学习的光学电流传感器应力线双折射补偿方法，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源1、起偏器2、磁光薄膜3、纳米环形径向偏振光栅4、传像束5和cmos面阵相机6，所述补偿方法包括以下步骤：
[0049]
s100、利用激光源发出光信号，经起偏器2得到线偏振光。在待测电流磁场的作用下，线偏振光通过磁光薄膜3后其偏振面发生旋转，旋转的角度即为法拉第磁致旋光角温度变化与震动在磁光薄膜3和传输光纤中产生应力线双折射δ叠加在法拉第磁致旋光角上，引入测量误差。出射线偏振光经过纳米环形径向偏振光栅4，可以将偏振光的偏振分布转化为光斑强度分布，并与偏振面同步旋转。传像束5将叠加了法拉第磁致旋光角与应
力线双折射δ的环形光斑7传送至cmos面阵相机6。
[0050]
s200、利用零点定理确定待测交流电流的过零时刻，在过零时刻法拉第磁致旋光角为零，若没有测量误差即应力线双折射δ则此时的环形光斑如图2中的标准环形光斑8所示，但因存在测量误差，所以此时光学电流传感器输出信号为应力线双折射δ，产生误差环形光斑9，此时通过cmos面阵相机获取相应环形光斑的旋转角度为应力线双折射δ并记录；
[0051]
s300、基于记录的应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ，并根据预测的未来时刻的应力线双折射δ对在相应时刻对光学电流传感器的输出信号进行补偿。
[0052]
基于以上实施例内容，特点是光学电流传感器基于线性测量模式，在交流电流过零时刻可以将应力线双折射提取出来并加以补偿。光学电流传感器基于纳米环形径向偏振光栅实现，能够线性解调法拉第磁致旋光角，当存在应力线双折射时，其输出结果为法拉第磁致旋光角与应力线双折射的线性叠加。根据法拉第磁光效应，当待测交流电流过零时，磁光材料的法拉第磁致旋光角也为零，此时光学电流传感器输出信号即为应力线双折射。通过零点定理确定待测交流电流的过零时刻，并基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法计算下一周期的应力线双折射并予以补偿。
[0053]
本实施例的实现原理具体如下：
[0054]
如图2所示，起偏器的透光轴位于x方向，激光通过起偏器后为线偏振光，振幅为a，入射线偏振光的琼斯矢量e
in
为：
[0055][0056]
在待测交流电流的磁场作用下，通过磁光薄膜的线偏振光偏振面发生旋转，其旋转角度即为法拉第磁致旋光角传输矩阵t1可表示为：
[0057][0058]
假设温度变化与震动在磁光薄膜和传输光纤中产生的应力线双折射为δ，则t1改写为t2：
[0059][0060]
纳米环形径向偏振光栅的琼斯矩阵为
[1]
：
[0061][0062]
其中为光栅的方位角(从0
°
～360
°
逐渐变化)；为入射光在光栅的tm波透过率。
[0063]
入射线偏振光经过磁光薄膜与纳米环形径向偏振光栅后，出射光的琼斯矢量e
out
为：
[0064][0065]
则出射光强分布为：
[0066][0067]
在0
°
～360
°
之间变化，当时，输出光强为0，对应光斑的暗纹中心。此时θ+δ满足线性关系：
[0068][0069]
基于matlab仿真得到纳米环形径向偏振光栅检偏后的出射光强分布，如附图3所示，可见光斑随着的变化同步旋转，通过测量光斑的旋转角度即可实现对的直接与线性测量。
[0070]
因此基于纳米环形径向偏振光栅的光学电流传感器线性解调结果为与δ的线性叠加，有利于分离并补偿δ。根据法拉第磁光效应，待测磁场h与满足：
[0071]
θ＝vhl (8)
[0072]
其中v为维尔德常数，l是磁光材料沿磁场方向的通光路径长度。因此h＝0时在交流电流过零时光学电流传感器输出的环形光斑旋转角度即为δ，可以在这一时刻将δ检测出来并加以补偿。
[0073]
作为本实施例的优选优选实施方式，在步骤s200中，所述确定待测交流电流的过零时刻的方法具体为：
[0074]
s201、采集光学电流传感器的离散输出数据s201、采集光学电流传感器的离散输出数据
[0075]
s202、判断两个相邻的离散输出数据和的旋转角度的正负符号是否相同，其中k《n，若符号相同，则认为两离散输出数据之间不存在电流过零；若符号不相同，则认为两离散输出数据之间存在过零点，将tk与t
k+1
的平均值确定为过零时刻。
[0076]
作为本实施例的优选实施方式，具体参见图4，所述获取记录的多个历史应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ的步骤具体为：
[0077]
通过以下公式进行无模型迭代学习：
[0078]
comk(t)＝com
k-1
(t)+k
p
δ
k-1
[0079]
其中，comk(t)第k次迭代t时刻的误差补偿值；k
p
为学习率；
[0080]
加入自适应算法，利用自适应算法的伪偏导数来代替上述无模型迭代学习中的学习率；
[0081]
将获取的前5个周期的历史应力线双折射δ的平均值作为初始值放入加入自适应算法的无模型迭代学习进行迭代计算，达到收敛条件后输出预测的t时刻的应力线双折射δ。
[0082]
在本实施例中，激光源选择单纵模激光器，工作波长808nm，波长稳定度0.02nm，输
出功率30mw，功率稳定度1％；纳米环形径向偏振光栅的周期为200nm，占空比为0.5；面阵相机采用camrecord 5000型cmos，相机分辨率512
×
512时，最高帧速可达5000fps，能满足工频图像采集的需要；采用高低温交变湿热试验箱提供不同的温度环境，温度范围-40℃～85℃，温度波动度
±
0.5℃。本实施例还进行了试验，试验中将主要光学器件置于温箱内胆中，在-40℃～85℃范围内进行温度循环实验。利用零点定理以及无模型自适应迭代学习方法确定每个周期的应力线双折射并加以补偿。最后通过校验仪记录光学电流传感器的基本准确度，如表1所示。在温度循环条件下光学电流传感器能够满足0.5级准确度要求。
[0083]
表1基本准确度实验数据
[0084][0085]
实施例二：
[0086]
本发明还提出一种光学电流传感器的应力线双折射补偿系统，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束和cmos面阵相机，所述系统包括：
[0087]
启动模块，用于利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜、纳米环形径向偏振光栅、传像束，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角θ与应力线双折射δ并形成一个同步旋转的环形光斑，传输至cmos面阵相机；该模块用于实现实施例一中步骤s100的功能，在此不再赘述；
[0088]
交流过零确定模块，用于确定待测交流电流的过零时刻，在过零时刻通过cmos面阵相机获取相应环形光斑的旋转角度为应力线双折射δ并记录；该模块用于实现实施例一中步骤s200的功能，在此不再赘述；
[0089]
补偿模块，基于记录的应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ，并根据预测结果对光学电流传感器的输出信号进行补偿；该模块用于实现实施例一中步骤s300的功能，在此不再赘述。
[0090]
作为本实施例的优选实施方式，所述交流过零确定模块包括：
[0091]
输出数据采集单元，用于采集光学电流传感器的离散输出数据
[0092][0093]
过零时刻确定单元，用于判断两个相邻的离散输出数据和的旋转角度的正负符号是否相同，其中k《n，若符号相同，则认为两离散输出数据之间不存在电流过零；若符号不相同，则认为两离散输出数据之间存在过零点，将tk与t
k+1
的平均值确定为过零时刻。
[0094]
作为本实施例的优选实施方式，在补偿模块中，所述获取记录的多个历史应力线双折射δ，利用无模型自适应迭代学习方法预测未来时刻的应力线双折射δ的步骤具体为：
[0095]
通过以下公式进行无模型迭代学习：
[0096]
comk(t)＝com
k-1
(t)+k
p
δ
k-1
[0097]
其中，comk(t)第k次迭代t时刻的误差补偿值；k
p
为学习率；
[0098]
加入自适应算法，利用自适应算法的伪偏导数来代替上述无模型迭代学习中的学习率；
[0099]
将获取的多个历史应力线双折射δ的平均值作为初始值放入加入自适应算法的无模型迭代学习进行迭代计算，达到收敛条件后输出预测的t时刻的应力线双折射δ。
[0100]
实施例三：
[0101]
本实施例提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器的应力线双折射补偿方法。
[0102]
实施例四：
[0103]
本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器的应力线双折射补偿方法。
[0104]
本技术实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示单独存在a、同时存在a和b、单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0105]
本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0106]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0107]
在本技术所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory；以下简称：rom)、随机存取存储器(random access memory；以下简称：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0108]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。