基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)的設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)的設計摘 要:全光纖電流傳感器在高壓電網(wǎng)中常用作監(jiān)測保護和計量,具有重要的實際工程價值,且容易解決高壓絕緣和高頻電流的測量難題。詳細介紹全光纖電流互感器的原理、結構和技術性能。關鍵詞:全光纖電流傳感器;電流測量;監(jiān)測保護。 1.引言光纖具有抗電磁干擾強、電絕緣性能好、柔軟可彎曲等優(yōu)點,還有比其它光學電流傳感器體積小、重量輕、結構簡單、可靠性高、易與傳輸光纖耦合、可長距離傳輸、便于與計算機連接組成遙測網(wǎng)絡等優(yōu)點,因而基于法拉第旋光效應的全光

2、纖電流 傳感器愈來愈受到人們的重視。光纖電流傳感器，是為了提供電力工業(yè)等使用高電壓電流之企業(yè)與工廠，對于持續(xù)運作設備需要高度可靠性之需求而發(fā)展出來的。光纖電流傳感器從早期使用檢偏器來測量線偏振光對磁場的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測電流磁場的組件，但是由于光纖本身對于磁場產(chǎn)生相位變化之系數(shù)（費爾德常數(shù)）很小，所以直接量測并不夠準確，進而改用干涉式來將相位變化量轉成為光能量變化，從而通過觀察光能量的變化來推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號轉換為光能量變化，而相位變化也從主動解調(diào)轉為被動解調(diào)，這是因為主動調(diào)變比較容易受到影響，而且有能量消耗，藉此減少從主動解調(diào)部分產(chǎn)生的噪聲34

3、5。本文所設計的基于虛擬儀器技術的光纖電流是一種新型電流測量系統(tǒng)，它把虛擬儀器技術應用到光纖式電流互感器中，可用于測量母線電流，實時顯示測量信號的參數(shù)和波形，可對測量數(shù)據(jù)進行分析、存儲。虛擬儀器是充分利用計算機技術，并可由用戶自己設計、定義的儀器。它通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成，儀器模塊中的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、 VXI模塊等用于信號的輸入輸出。虛擬儀器具有很強的分析處理能力，隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設計、定義的范圍進一步擴大，同一臺虛擬儀器可在更多的場合使用。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平

4、臺軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數(shù)和功能模塊，并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語言進行通信，以滿足各種需求2 全光纖電流傳感器的特性 2.1 光纖取材 (1)用通信光纖制成 把光纖纏繞在電線上,根據(jù)安培定理,可以直接測量出電流的大小。通過改變纏繞在電線上的光纖圈數(shù)來控制靈敏度。 但一般通信用石英光纖的費爾德(Verolet)常數(shù)很小,且光纖繞成線圈將產(chǎn)生很強的線性雙折射,使光纖本來很低的費爾德常數(shù)又大大降低(約為原來的1/50),加上在電線上纏繞光纖時必須停電,因而無法實際應用。 由于纏繞在電線上的線圈直徑不能小于45cm,這就導致極高的溫度靈敏度,從而使所得信號的偏振面可能會旋

5、轉一個非正常的角度。因此,溫度補償成為這種類型產(chǎn)品的關鍵問題之一,目前國內(nèi)的一些大學研究所正在致力找到一個良好的補償方案。 (2)用塊狀光學晶體制成 這種傳感器可以使用費爾德常數(shù)比通信光纖高的特殊晶體材料制成,大大提高了對磁場的靈敏度。而且,晶體退火后釋放了內(nèi)應力,從而減少線性雙折射。塊狀光學晶體本身在溫度變化和機械影響的情況下,性質(zhì)相對穩(wěn)定,保證了傳感器的可靠穩(wěn)定工作。而且,塊狀光學玻璃的成本相對低廉,滿足能大規(guī)模生產(chǎn)的前提。 這種傳感器的體積比同規(guī)格光纖傳感器大,而且,塊狀光學玻璃不是鐵磁性的,所以費爾德常數(shù)相對較低,限制了在大電流測量中的應用。 為了解決塊狀光學晶體存在的問題,一些學者發(fā)

6、現(xiàn)了一種提高傳感器靈敏度方法在塊狀光學玻璃周圍排列多環(huán)路的陣列已經(jīng)被,但是在應用中這樣的結構有一定的局限性,即容易產(chǎn)生溫度波動。這個問題的解決方法正在研究之中。 (3)用磁光材料制成 鐵磁性的材料每單位厚度具有很大的費爾德常數(shù),例如BiTb2Y3Fe5O12,這樣就可以用很小的法拉第旋轉角度測量特定的磁場強度,使體積大大減小,從而能夠降低成本、降低安裝難度。 據(jù)國外專業(yè)廠家介紹,這種材料的生產(chǎn)方法已經(jīng)成熟。并且,還可以直接應用到其他領域,特別是光通信,已經(jīng)形成的規(guī)模效應遠遠超過了光學晶體和光纖材質(zhì)的傳感器。2.2 安裝方法 用一個與電纜直徑大小匹配的一個特制支撐鉗4將其固定在電纜上。支撐鉗4有

7、3個作用:固定光纖電流傳感器使之在指定的位置;避免光纖傳感器內(nèi)部材料產(chǎn)生法拉第效應,發(fā)生磁飽和;便于光纖電流傳感器 的安裝和拆卸,光纖電流傳感器在操作的時候不直接與電纜接觸,不會影響電纜的正常工作,對操作人員來說也更安全。 固定器5有兩個作用:固定光纖1和光纖2;盡量使光纖1和光纖2伸直,減少雙折射現(xiàn)象。2.3 全光纖電流傳感器的結構 光纖電流傳感器 一個半導體激光器發(fā)射出來的光通過分叉， 管進入光纖電流傳感器,分叉管1內(nèi)部有一傳輸光纖。從出來的光經(jīng)過毛細管7打到一個四分之一格林透鏡上,格林透鏡被固定在中空管5和有色平行管內(nèi),格林透鏡的作用是校準并傳輸入射光,然后光打到偏光鏡上,偏光鏡被固定在

8、固定器/調(diào)整器里,通過的光產(chǎn)生了一個具有特定偏振態(tài)的任意光。 旋轉材料以特定的方向被旋轉材料載體和緊固銷固定在傳感器內(nèi)。旋轉材料中 空,其列陣與從偏光鏡13傳播出的光波面一致。在和之間是一個調(diào)整定位片,用于微調(diào)偏光鏡13。從偏光鏡13出射的光波通過定位片打到旋轉材料上,在磁場的作用下光波的偏振方向發(fā)生了一定的旋轉,這個旋轉角度和磁場的強度成正比。 透過旋轉材料的光波打到定位片18上,固定在旋轉材料載體和固定器/調(diào)整器之間。固定器/調(diào)整器用來固定偏光鏡,偏光鏡和13的傳光軸在同一平面內(nèi),但偏了一個角度,偏光鏡的作用是把從旋轉材料19出來的旋 轉了一個角度的偏振光分出一個光強與磁場強度 有關的偏振

9、光。剩下部分就是和前面描述的對應了。從光纖10和2出來的光被光電倍增管變成電信號,最后電信號由電信號處理器進行處理。2.4 磁光全光纖電流傳感器技術指標 (1)技術指標 在60Hz正弦激勵作用下,光纖電流傳感器的小/大信號線性度的測試表明,傳感器對于小信號電流相應的線性度非常好,對于大信號電流相應是線性的,但是隨著電流幅值的增大至接近2kA時,出現(xiàn)了磁滯現(xiàn)象,這僅與產(chǎn)生法拉第效應 的材料有關,不會限制傳感器的應用。 磁光全光纖電流傳感器技術指標 動態(tài)范圍/dB60 頻率響應/Hz標準520,更寬亦可 滿量程/A1)303000 隔離電壓/kV 高于11.3(峰峰值)絕對誤差(不含磁通量集中器)

10、小于0.6%滿量程敏感度分辨率高于0.01%滿量程重復性高于0.1%滿量程漂移 小于2%/1000h 溫度量程(無補償2)/ 1933(有補償 3) )/ -4070傳感器重量4) /g(不含磁通量集中器) 注：1)標準滿量程是3000A。最大量程可以根據(jù)實際應用,通過切割法拉第水晶厚度以及位置來調(diào)整; 2)“無溫度補償”測量使用純的模擬信號處理系統(tǒng); 3)“有溫度補償”測量需要使用數(shù)字信號處理系統(tǒng); 4)重量不受被測電流或電壓的影響。 (2)全光纖電流傳感器的模式 全光纖電流傳感器有非往返式和往返式兩種模式。非往返式操作系統(tǒng)是光只從一個方向通過電流傳感元件,而往返式操作系統(tǒng)就是光從兩個相反的

11、方向同時通過電流傳感元件。非往返式光電轉換系統(tǒng)一般用在小信號處理和降低成本的場合;而往返式光電轉換系統(tǒng)一般用在大信號的處理或者用于避免震動的場合。兩種模式下設備的 工作方式是相同的。 圖3給出3種光纖電流傳感器的往返式光電轉換系統(tǒng)。 在圖3(a)中,半導體光源產(chǎn)生一個偏振光通過光纖電流轉換器,轉換器輸出的光強與磁場強度成正比,經(jīng)光電二極管把光信號轉換成電信號,送到模擬/數(shù)字電子設備進行處理。圖3(b)中,多了一個偏振分光鏡和一個光電二極管,從轉換器出來的光經(jīng)過分光鏡后,分成了兩束相互正交的偏正光,經(jīng)兩個光電二極管,光信號變成電信號,送到模擬/數(shù)字電子設備進行處理。 非往返式系統(tǒng)1與非往返式系統(tǒng)

12、2相比有一個優(yōu)點,如果入射光直接與輸入光纖相連,那就沒有必要用偏光鏡,偏振分光鏡已經(jīng)起到了偏光鏡的作用。 圖3(c)是另一種光纖電流傳感器的非往返式光電轉換系統(tǒng),與圖3(b)不同的是多了一個半導體光源和一個光耦合器。兩個半導體光源交替產(chǎn)生的偏振光經(jīng)光耦合器以相同的路徑到達轉換器,從轉換器出來的光經(jīng)過分光鏡后,分成了兩束相互正交的偏正光,經(jīng)兩個光電二極管,光信號變成電信號,送到模擬/數(shù)字電子設備進行處理。與圖3(b)系統(tǒng)不同的是這個系統(tǒng)可同時測量光的與磁場大小成比例的旋轉角和溫度的變化。 圖4則是往返式光纖電流傳感器的光電轉換系統(tǒng),與圖3(c)不同的是多了一個偏振分光鏡、兩個光電二極管以及兩個光

13、耦合器。它的原理與上面不同的是從耦合器出來的光分成相反的兩路,分別經(jīng)耦合器到達轉換器,然后再經(jīng)耦合器分別送至兩個偏振分光鏡。這個系統(tǒng)可以同時測量光的與磁場大小成比 例的旋轉角和溫度的變化,與非往返式的光電轉換系統(tǒng)相比,處理信號更加穩(wěn)定和準確。3. 光纖電流感測系統(tǒng)的硬件組成圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)如圖1所示是整個硬件系統(tǒng)的方框圖。光纖電流感測系統(tǒng)輸出的光纖干涉信號經(jīng)過光電轉換電路變成電信號，再由數(shù)據(jù)采集卡收集信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M儀器的軟件系統(tǒng)。3.1光纖電流感測基本原理1946年米切爾法拉第(MochaelFaraday) 發(fā)現(xiàn)當一束線偏振光入射至磁性介質(zhì)后,偏振方向發(fā)生改變,并且會

14、由線偏振光變成橢圓光。它的偏振面發(fā)生了旋轉。這種特性稱謂法拉第效應,被廣泛應用于光纖通訊領域,特別是用在阻止從耦合連接處產(chǎn)生的反射光線回到光源,改變光源的頻率、功率輸出等參數(shù)。 在本文光纖電流感測系統(tǒng)中，是利用法拉第（Faraday）效應來感測電流所產(chǎn)生的磁場強度。所謂法拉第效應就是電磁波經(jīng)過一個磁場時，若磁場方向與光的傳播方向平行，電磁波會因為磁場的影響，產(chǎn)生出射的線偏振光的偏振平面相對入射偏振光的偏振平面的旋轉，而且此偏振光的偏振平面的旋轉量與磁場強度和電磁波在磁場中行進距離成正比。而磁場對電磁波的這種影響稱為法拉第效應，這種影響是電磁場固有的特性，由物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)，并由此命名。因此在

15、系統(tǒng)中，我們將光纖纏繞在待測電流上，使光纖與磁場方向互相平行，使有效的法拉第效應最大，由于光也是電磁波，所以光在磁場中會受法拉第效應影響產(chǎn)生相位旋轉，而根據(jù)旋轉的量，可以計算待測磁場的大小。在此系統(tǒng)中，是利用電流來產(chǎn)生磁場，傳播的線偏振光的偏振方向所發(fā)生的總的偏轉角為：（1）這里V為光纖的費爾徳常數(shù)，l為受法拉第效應影響的光纖長度，而Hl為平行光纖行進方向的磁場分量。根據(jù)安培定律以光纖環(huán)狀纏繞待測電流，公式（1）經(jīng)過環(huán)積分運算為（2）N為光纖纏繞圈數(shù)，i為待測電流強度，因此F為光纖纏繞圈數(shù)與待測電流的函數(shù)。從上面分當磁場H穿過傳感頭導體中的電流I產(chǎn)生,且光路圍繞載流導體閉合時,利用安培環(huán)路定律

16、上式可改寫為: =VNLI (2) 式中 NL圍繞載流導體閉合光路圈數(shù)。 可見,只要測出偏振光旋轉的角度,即可計算出待測電流的大小。另外,利用適當?shù)墓饴吩O計增加圍繞載流導體的光路圈數(shù)可提高傳感頭靈敏度。 光線偏振面的轉旋角與磁場強度成正比,磁場強度與電流和溫度成正比。測出通過磁場的光的偏振面的旋轉角,就可以計算出電流強度。 根據(jù)法拉第效應,把光學傳感器陣列放置在磁場中。通過監(jiān)測入射光偏振面的旋轉情況,得到磁場強度和電流。 用通信光纖、塊狀光學玻璃和磁光光纖都能產(chǎn)生法拉第效應。分析可知，在閉合光路的條件下，通過光纖并環(huán)繞截流導線的線偏振光的偏振角的變化，與光纖所圍的電流成正比。3.2光纖電流感測

17、光路系統(tǒng)圖2 光纖電流感測光路系統(tǒng)光纖電流感測光路如圖2所示，由激光接上光隔離器、光消偏振器、光循環(huán)器、光偏振器、四分之一波長板、法拉第旋轉器、感測頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端，通常都會接上一個光隔離器，光隔離器是只允許光波單方向傳輸組件，常使用在光源后面，其功能是避免反射的光波回到激光的共振腔，而影響激光的正常操，甚至燒毀激光。激光輸出的光既不是純粹偏振光，也不是非偏振光，而是有殘余部分偏振狀態(tài)偏振光。由于這樣的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通過光偏振器產(chǎn)生的線性偏振光能量也會隨著通過之偏振光與光偏振器之夾角而變化。為了要避免這種光能量因偏振光與光偏振器之角度變化產(chǎn)生光功率變化的

18、情況，在系統(tǒng)中使用消光偏振器來消除激光的偏振狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個無偏振狀態(tài)的光源，對于各個方向都含有相同的能量，在經(jīng)過光路后光偏振器而產(chǎn)生穩(wěn)定之偏振光，從而使系統(tǒng)響應信號的強度噪聲降低。光循環(huán)器是利用法拉第原理，使得光在光纖路徑上不會相互的耦合，具有單向傳輸?shù)奶匦裕⑶揖哂懈綦x器的功能。系統(tǒng)中的光偏振器的作用是產(chǎn)生線性偏振光，并且產(chǎn)生四十五度角分光，使兩道光在X方向與Y方向中行進，并且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而四分之一波長板是將線性偏振光轉換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對電流的感應是在光纖感測頭部分，此系統(tǒng)中的感測頭為將光纖以相同距離纏繞電流上，這是希望光纖上每一點都對磁

19、場有相同的相位變化，而且每一點所產(chǎn)生的彎曲損耗也都相同。最后使用法拉第反射鏡，將光予以反射，法拉第反射鏡可以將光旋轉九十度，從而對于在不同路徑上行走的光，旋轉九十度而達到交換路徑，而達到補償溫度或是振動造成的光纖折射率之緩慢變化。光經(jīng)過光隔離器，光解偏振器，光循環(huán)器，光偏振器，四分之一波長板，感測頭，法拉第反射鏡之后在反向經(jīng)過光纖電流感測頭，四分之一波長板，光偏振器，完成一個回路;在光偏振器的地方產(chǎn)生干涉，由光電轉換電路將干涉光轉成電信號之后，在進行信號分析。4. 光纖電流感測虛擬軟件系統(tǒng)本光纖電流感測系統(tǒng)的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺，用圖形化語言，根據(jù)需要編寫相關的驅(qū)動程序

20、使其于計算機通信，然后將相關的圖形或圖標進行連接，選擇合理的方法及參數(shù)就可以構成一種新的虛擬儀器。軟件系統(tǒng)具有良好的人機界面，操作簡單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境。它與C、Pascal、Basic等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處如，相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結構、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程;而LabVIEW使用圖形語言（即，各種圖標、圖形符號、連線等）以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標，如各種旋鈕、開關、波形圖

21、等，界面非常直觀形象，因此LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。4.1虛擬軟件系統(tǒng)功能本虛擬軟件將有關測試功能集成在一個面板上，這里著重介紹LabVIEW的框圖程序設計?？驁D程序是虛擬儀器的核心部分，虛擬示波器儀器主要由它來完成數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。本系統(tǒng)框圖程序主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析和波形存儲及回放等5大功能模塊，如圖3示。圖3 光纖電流虛擬軟件測量系統(tǒng)4.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊LabVIEW完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通信內(nèi)置程序庫，提供了大量的連接機制，通過 DLLs、共享庫

22、、OLE等途徑實現(xiàn)與外部程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)直接調(diào)用LabVIEW的端口操作圖標InPortvi和 OutPort.vi進行編程。 這兩個函數(shù)存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級模板Memor模板中，分別完成從設備的物理地址直接讀取和輸出數(shù)據(jù)的功能。只要清楚數(shù)據(jù)采集卡每個信道的物理地址，通過對InPort.vi和OutPort.vi的端口參數(shù)設置，可以很方便地實現(xiàn) LabVIEW驅(qū)動控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。這里我們采用PCI21200數(shù)據(jù)采集卡。該模塊采樣頻率可以在1Hz到250MHz之間調(diào)節(jié)，時基即水平方向每格代表的時間可以在每格4ns （4ns/Division）

23、 到每格20000s （20000s / Division）之間變化。4.1.2 波形顯示模塊軟件提供了波形顯示方式是通過顯示通道選擇按鈕“A”和“B”，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號一起顯示的波形。4.1.3 參數(shù)測量模塊參數(shù)測量模塊包括電流、電壓參數(shù)和頻率、周期等時間參數(shù)的測量并顯示其測量結果。4.1.4 頻譜分析模塊頻譜分析模塊采用快速FFT算法，完成頻域信號分析。頻譜分析功能：（1）提供了9種加窗的分析窗口;（2）完成了被測信號的幅值譜分析和功率譜分析。4.1.5 數(shù)據(jù)存儲模塊主面板“儲存”與“讀取”按鍵，能將有關數(shù)據(jù)儲存到軟盤或硬盤;或者從軟盤或硬盤上讀取的數(shù)據(jù)，自動顯示波形并保留在顯示窗口。4.2 電流比差實驗結果在系統(tǒng)中，我們設計光纖部分電流測試的額定電流為500A，額定電壓為50kV，用該虛擬儀器系統(tǒng)對光纖感應電流進行測量。用變壓器模擬大電流，通過虛擬儀器進行數(shù)據(jù)處理，得到的比差數(shù)據(jù)見表1：表1 比差試驗數(shù)據(jù)從比差實驗結果來看，測試精度較高，能夠滿足