一种基于光纤循环结构的电流传感器和检测方法

本发明属于光纤电流传感，更具体地，涉及一种基于光纤循环结构的电流传感器和电流检测方法。

背景技术：

1、电力系统关乎国家的经济命脉，在推动国家现代化建设的进程中扮演着举足轻重的角色。随着电力系统的不断发展，国家的主干电网相继进入智能化电网时代，保障电力系统安全稳定地运行具有十分重要的意义，电流传感器作为电力设备的状态实时监测设备，其重要性也越来越明显。传统的线圈式电流传感器存在着体积庞大且笨重、电气绝缘性能差、响应度低、磁饱和等缺点，亟需新型的电流传感器以适应智能化电网发展的需求。

2、光纤电流传感器采用光纤作为敏感介质，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、动态范围大、安全性高等优点。其基本原理是法拉第旋光效应，当线偏振光通过在磁场中的介质时，线偏振光的偏振面将产生一定的角度偏转，偏转程度的大小正比于磁场的大小，记为法拉第旋转角：θ＝vni，式中，θ为偏振光的旋转角度，v为传感光纤环的维尔德常数，n为传感光纤环的匝数，i为待测电流的大小。根据上述原理，可以通过检测线偏振光在受到磁场影响前后偏振面转过的角度从而得到电流的大小。尽管光纤电流传感技术存在较多问题，如光纤材料电流灵敏度低、对温度、振动等外界影响十分敏感、制作成本高等，极大的影响了光纤电流传感器实用化和推广的进程。

3、针对上述问题，目前的解决方案有：1)采用更多匝数的传感光纤环或者掺杂的特殊光纤；2)采用低双折射光纤包括退火光纤、旋转双折射光纤等降低环境因素的影响；3)采用循环光路结构，让光信号多次通过传感光纤环从而放大法拉第旋转角。以上方案一定程度上解决了灵敏度低和稳定性差的问题，但仍存在一些问题：增加传感光纤环的圈数会增加传感单元的体积和质量，同时也会放大温度和振动对系统的影响。而采用掺杂的特种光纤以及特殊处理的光纤制作困难，极大的增加成本。此外，现有反射式光纤电流传感器对光的偏振态稳定性要求较高，导致系统对外界振动和温度比较敏感，干扰较多影响系统稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤循环结构的电流传感器和检测方法，其目的在于在电流传感器中设置包括光路调整模块、起偏器、传感光纤环和检偏器的光纤循环结构，结合调制解调技术，使调制后的循环光变成一系列光强逐渐衰减的探测光，对多个探测光进行光电转化，从而实现高灵敏度光纤电流检测，由此解决光纤电流传感器灵敏度低的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光纤循环结构的电流传感器，包括：

3、光源，用于提供初始光；

4、强度调制器，与光源连接，用于对初始光的光强进行调制得到循环光；

5、光纤循环结构，包括：光路调整模块、起偏器、传感光纤环和检偏器；传感光纤环缠绕在待测电缆上；循环光从光路调整模块进入光纤循环结构，经起偏器将循环光转化为第一线偏振光，第一线偏振光经过传感光纤环时在待测电缆中待测电流对应的磁场作用下偏振面发生角度偏转，后传输至检偏器进行偏振方向选择得到第二线偏振光，第二线偏振光经光路调整模块进行耦合成两束，较大功率的一束为更新的循环光，另一束为探测光，更新的循环光经光路调整模块进行改变光路再次传输进光纤循环结构的输入侧，并执行新一轮循环得到更新的循环光和探测光，执行多次循环直至最终次循环输出的探测光的光强低于阈值；

6、光电探测器，与光纤循环结构连接，用于对各次循环的探测光进行光电转化得到目标电信号；

7、信号处理器，与光电探测器和强度调制器，用于对所有目标电信号进行相位特征提取，并根据强度调制器输出的循环光获取待测电流的测量值。

8、在其中一个实施例中，光纤循环结构为光纤环形循环结构，其中的光路调整模块包括：

9、第一耦合器，设置于光纤环形循环结构的输入侧，用于通过输入端接收循环光并由输出端发送至起偏器，以使其将循环光转化为第一线偏振光，进而经过传感光纤环和检偏器输出第二线偏振光；

10、第二耦合器，输入端与检偏器连接，输出端与第一耦合器的输入端和光电探测器连接，用于将第二线偏振光耦合成更新的循环光和探测光，并将更新的循环光传输至光纤循环结构的输入侧进入第一耦合器进行循环传输，将探测光传输至光电探测器。

11、在其中一个实施例中，光纤循环结构为光纤线性循环结构，其中的光路调整模块包括：

12、光纤环形器，设置于光纤线形循环结构的输入侧，用于接收循环光并输出探测光；

13、第一反射镜，设置在循环光的输出光路上，用于反射循环光；

14、光纤耦合器，设置在循环光的反射光路上，设有第一端、第二端和第三端，用于由第一端接收循环光并通过第二端耦合至起偏器，以使其将循环光转化为第一线偏振光，进而经过传感光纤环和检偏器输出第二线偏振光；

15、第二反射镜，设置在第二线偏振光的输出光路上，用于将第二线偏振光反射至光纤耦合器的第二端，以使其将第二线偏振光耦合成更新的循环光和探测光；更新的循环光由光纤耦合器的第三端传输至第一反射镜，经反射进入光纤耦合器并被传输至起偏器进行后续循环；探测光由光纤耦合器的第一端传输至光纤环形器，再由光纤环形器传输至光电探测器。

16、在其中一个实施例中，光纤循环结构的透过率表示为：α＝α0·α(θ)∈[0，1]；其中，α0为未施加电流时光纤循环结构的初始透过率，α(θ)是起偏器引起的偏振面变化角度θ对应的透过率。

17、在其中一个实施例中，光电探测器接收到的第n次循环对应的探测光的光强表示为：其中，i0为光源1的输出光强，γ≤1为强度调制器的调制深度，ωm为强度调制器的调制角频率；l为循环光通过一次光纤循环结构时所经历的长度，n为循环次数，v为第一线偏振光在传感光纤环中的传播速度，为第一次循环中探测光的相位，α为单次通过光纤循环结构的透过率，t1为循环光在光纤循环结构中的传输时间。

18、在其中一个实施例中，强度调制器输出循环光的光强表示为：

19、iin＝i0[1+γsin(ωmt0)]；其中，i0为光源1输出光强，γ≤1为调制深度，ωm为调制角频率，t0是循环光在强度调制器内的传输时间。

20、在其中一个实施例中，信号处理器还用于对所有目标电信号的叠加量进行相位提取得到，解调相位变化量得到待测电流的测量值；

21、相位变化量的表示为：α为光纤循环结构的透过率；β表征光纤循环结构的固有相移，

22、本发明还提供一种电流检测方法，应用于基于光纤循环结构的电流传感器，包括：

23、s1：对初始光的光强进行调制，得到循环光；

24、s2：将循环光转化为第一线偏振光，第一线偏振光在待测电流对应的磁场作用下发生偏振面角度偏转，后通过偏振方向选择得到第二线偏振光，再将第二线偏振光耦合成两束，较大功率的一束为更新的循环光，另一束为探测光；

25、s3：对更新的循环光执行s2得到本次循环对应的更新的循环光和探测光；再对本次循环更新的循环光执行s2，多次循环直至最终次循环输出的探测光的光强低于阈值；

26、s4：对各次循环输出的探测光分别进行光电转化得到目标电信号；

27、s4：对所有目标电信号进行相位特征提取得到待测电流的测量值。

28、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

29、(1)本发明提供的电流传感器，强度调制器对初始光的光强进行调制得到循环光；循环光从光路调整模块进入光纤循环结构，经起偏器将转化为线偏振光，经过传感光纤环时在待测电缆中待测电流对应的磁场作用下偏振面发生角度偏转，再传输至检偏器进行偏振方向选择，再经光路调整模块进行耦合得到更新的循环光和探测光；更新的循环光传输进光纤循环结构的输入侧执行新一轮循环得到更新的循环光和探测光；最后多次循环得到的多个目标光进行光电转化和特征提取得到待测电流的测量值。与现有的光纤循环结构基于时域脉冲检测的方式不同，本发明的光纤循环结构结合调制解调技术，将初始光调制的循环光多次通过传感光纤环，以与待测电流产生的磁场发生相互作用，放大了循环光与磁场相互作用的长度，从而提高了电流传感器的灵敏度。此外，本发明结构简单、器件较少、干扰少，系统稳定性强；

30、(2)本发明光纤循环结构利用两个耦合器作为光路调整模块调整每次循环输出的循环光的光路，使大部分光进入光纤循环结构的输入侧进行新一轮循环，以及输出小部分光进行光电探测。结构简单，无需复杂的偏振控制器件，便于集成化；

31、(3)本发明光纤线形循环结构利用光纤环形器、光纤耦合器以及两个反射镜实现每次循环输出的循环光的光路调整，使大部分光进入光纤线形循环结构的输入侧进行新一轮循环，以及输出小部分光进行光电探测。结构简单，不需要复杂的偏振控制器件，便于集成化；

32、(4)本技术中的信号处理器通过相位解调算法提取相位变化量获取初始光对应的电流值，降低光源波动的影响，稳定性高；还能够实现极微弱(微安级)电流的测量，相对于光强解调算法、差分解调算法，实现较高的测量精度；

33、(5)本技术各器件连接可以采用单模光纤，成本低廉，运维简便，且通过强度调制器和光纤循环结构之间增加一段延时光纤，仅需光纤循环结构与待测电流所在的导线上，强度调制器位置灵活设置，能够实现远程电流检测，可以支持各种电流测量场景。