本发明专利技术公开了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，包括：激光器输出的光经过光纤耦合器分为第一束光和第二束光，第一束光经过光纤耦合器再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器形成连续探测光，经过模式调制器调制光纤中传播的空间模式，进入少模光纤；而第四束光经过由波形产生器控制的声光调制器形成泵浦光，经过模式调制器调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器从相反的方向进入少模光纤；第二束光作为振荡光进入信号处理模块，提供相干检测，由输出单元得到测量的电流值。本发明专利技术通过消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度；对电流的测量能够满足标准0.2级精度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器
本专利技术属于电流测量
，更具体地，涉及一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器。
技术介绍
随着电力系统的不断发展，传统的电磁式电流传感器暴露出越来越多的问题，不能满足高电压、大电流的应用环境，因此光纤电流传感器是目前的研究重点。光纤电流传感器是根据法拉第效应的原理工作的，电流通过电导体(导线)产生感应磁场，感应磁场通过法拉第效应使缠绕在传导电流的导线上的光纤中传播的偏振面旋转。当传感光纤沿电流形成闭合回路时，偏振面的旋转角度等于：F＝NV∮LH·dL＝NVI；此处V表示光纤材料的费尔德常数，I表示电流，H表示此处，N表示传感光纤线圈匝数。尽管光纤电流传感器存在测量动态范围大、抗电磁干扰能力强、成本低等诸多优势，在工程应用中仍面临一些问题，如系统依赖温度等环境因素和光纤受到应变等因素的影响，阻碍了光纤电流传感器的实用化进程。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，旨在解决现有技术中由于误差的影响导致电流测量精度低的技术问题；其目的在于，通过消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。本专利技术提供了一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，包括：激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、强度调制器、模式调制器、少模光纤、波形产生器、声光调制器、模式调制器、光纤环形器、相位调制器、1/4波片、传感光纤环、导线、反射镜、光电探测器和输出单元；所述激光器输出的光经过第一光纤耦合器分为第一束光和第二束光，其中第一束光经过所述第二光纤耦合器再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器形成连续探测光，连续探测光经过所述模式调制器调制光纤中传播的空间模式，进入所述少模光纤；而第四束光经过由波形产生器控制的声光调制器形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器从相反的方向进入少模光纤；光从少模光纤传出后，经过光纤环形器，进入相位调制器，两束正交的线偏振光经过1/4波片后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环，受到导线中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜后，两束圆偏振光模式互换，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F；经过1/4波片后恢复成线偏振光，通过相位调制器进行二次相位调制后返回光纤环形器后，进入信号处理模块；第二束光作为振荡光进入信号处理模块，提供相干检测，由输出单元得到测量的电流值。更进一步地，相位调制器与主轴45°熔接。更进一步地，模式调制器包括：准直透镜、偏振分束器、反射镜、空间光调制器、反射镜、偏振分束器和准直透镜；泵浦光通过准直透镜扩束后进入偏振分束器分为两束光，一束光通过反射镜反射后与另一束光一起射入空间光调制器上受到调制，一束输出光通过反射镜进入偏振分束器，另一束输出光直接进入偏振分束器，再次经过准直透镜，并耦合进少模光纤。更进一步地，空间光调制器用于对光波的空间分布进行调制，通过成像在空间光调制器的像素平面上，光的像素与空间光调制器的像素一一对应，光受到调制器上像素的调制，输出的光具有特定的空间模式。更进一步地，通过控制所述空间光调制器上的相位模式来调制相应的光空间模式。更进一步地，信号处理模块包括：第一乘法器、第二乘法器、移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、布里渊频移检测模块、补偿模块和相位解调模块；所述第一乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第一乘法器的第二输入端用于连接参考光信号；所述移相器的输入端连接至所述参考光信号，所述第二乘法器的第一输入端用于连接探测光信号，所述第二乘法器的第二输入端连接至所述移相器的输出端；所述第一低通滤波器的输入端连接至所述第一乘法器的输出端，所述第二低通滤波器的输入端连接至所述第二乘法器的输出端，所述布里渊频移检测模块的输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端；所述补偿模块的输入端连接至所述布里渊频移检测模块的输出端；所述相位解调模块的第一输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第二输入端连接至所述第二低通滤波器的输出端，所述相位解调模块的第三输入端连接至所述补偿模块的输出端；所述相位解调模块的输出端用于输出待测电流值。更进一步地，布里渊频移检测模块包括：依次连接的FFT模块，扫描积分模块和布里渊增益谱拟合模块；FFT模块用于实现傅里叶变换功能，将时域信号变换至频域并加以分析；所述扫描积分模块用于实现在布里渊频率周围进行扫描积分，构成有布里渊增益信号和无布里渊增益信号的频谱；所述布里渊增益谱拟合模块用于平滑布里渊增益谱线型，拟合成洛伦兹线型，实现捕捉布里渊增益谱中心频率的移动量。相对于普通的光纤电流传感器，本专利技术首次在光纤电流传感器中添加少模光纤，利用少模光纤的特性，进一步优化光纤电流传感系统。由于布里渊散射光的频移与光纤的温度和应变存在线性关系，而不同空间模式的光，其对温度和应变的响应不同，本专利技术系统采用少模光纤中传输的两种空间模式的布里渊频移，精准测量出光纤电流传感系统的温度和应变信息。基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的原理，利用强度调制器和声光调制器使探测光和泵浦光之间的频差满足光纤的布里渊频率(针对1310nm光源，大致为10.5GHz)范围，从而得到布里渊增益谱，布里渊增益谱的频率移动可实现温度和应变的变化量的检测。系统采用相干检测的方案，降低噪声对系统的影响。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中模式调制器的原理示意图；图3为本专利技术中信号处理模块的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术涉及光纤电流传感器，尤其涉及一种由少模光纤组成的测量精准的光纤电流传感器；提出了一种基于少模光纤的温度应变补偿型光纤电流传感器；少模光纤因其传输容量大而备受瞩目，随着少模光纤制备技术的逐渐成熟，近几年来，出现了将少模光纤应用在分布式传感器的研究。光纤电流传感器的误差来源主要有三个：工艺误差、温度误差和应变误差。其中工艺误差随着熔接工艺及制备工艺的成熟已经逐步减小，但是温度和应变误差对光纤电流传感器的精度问题影响较大。温度误差主要来自传感部分，温度改变会造成传感光纤的热胀冷缩，改变了光纤表面的应力分布，产生温致线性双折射；温度还会改变光纤费尔德常数，这是光纤感应磁场的基本参数。应变误差来源于光纤受到轴向的拉伸应力而发生应变，导致光纤中产生了应变线性双折射。本专利技术首次将少模光纤应用在光纤电流传感器中，消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度，使系统满足工业化0.2精度等级。本专利技术提供的基于少模光纤的光纤电流传感器包括：激光光源，光电探测器，光纤耦合器，强度调制器，波形产生器，声光调制器，模式调制器，少模光纤，光纤环形器，相位调制器，1/4波片和传感光纤环；激光光源的尾纤与第一光纤耦合器的输入光纤熔接，第一光纤耦合器的一根尾纤与光电探测器的输入光纤熔接，另一根尾纤与第二光纤耦合器的输入光纤熔接，第二光纤耦合器的一根尾纤通过强度调制器与模式调制器的输本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，包括：激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、强度调制器(4)、模式调制器(5)、少模光纤(6)、波形产生器(7)、声光调制器(8)、模式调制器(9)、光纤环形器(10)、相位调制器(11)、1/4波片(12)、传感光纤环(13)、导线(14)、反射镜(15)、光电探测器(16)和输出单元(17)；所述激光器(1)输出的光经过第一光纤耦合器(2)分为第一束光和第二束光，其中第一束光经过所述第二光纤耦合器(3)再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器(4)形成连续探测光，连续探测光经过所述模式调制器(5)调制光纤中传播的空间模式，进入所述少模光纤(6)；而第四束光经过由波形产生器(7)控制的声光调制器(8)形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器(9)调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器(10)从相反的方向进入少模光纤(6)；光从少模光纤(6)传出后，经过光纤环形器(10)，进入相位调制器(11)，两束正交的线偏振光经过1/4波片(12)后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环(13)，受到导线(14)中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜(15)后，两束圆偏振光模式互换，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F；经过1/4波片(12)后恢复成线偏振光，通过相位调制器(11)进行二次相位调制后返回光纤环形器(10)后，进入信号处理模块(16)；第二束光作为振荡光进入信号处理模块(16)，提供相干检测，由输出单元(17)得到测量的电流值。...
【技术特征摘要】
1.一种基于少模光纤的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，包括：激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、强度调制器(4)、模式调制器(5)、少模光纤(6)、波形产生器(7)、声光调制器(8)、模式调制器(9)、光纤环形器(10)、相位调制器(11)、1/4波片(12)、传感光纤环(13)、导线(14)、反射镜(15)、光电探测器(16)和输出单元(17)；所述激光器(1)输出的光经过第一光纤耦合器(2)分为第一束光和第二束光，其中第一束光经过所述第二光纤耦合器(3)再次分为第三束光和第四束光，第三束光经过所述强度调制器(4)形成连续探测光，连续探测光经过所述模式调制器(5)调制光纤中传播的空间模式，进入所述少模光纤(6)；而第四束光经过由波形产生器(7)控制的声光调制器(8)形成泵浦光，泵浦光经过模式调制器(9)调制光纤中传输的空间模式，经过光纤环形器(10)从相反的方向进入少模光纤(6)；光从少模光纤(6)传出后，经过光纤环形器(10)，进入相位调制器(11)，两束正交的线偏振光经过1/4波片(12)后转变成两束旋向相反圆偏振光，进入传感光纤环(13)，受到导线(14)中电流产生的电磁作用，产生法拉第旋转角，产生了2F经过反射镜(15)后，两束圆偏振光模式互换，在回程时再次受到法拉第效应，相位差加倍为4F；经过1/4波片(12)后恢复成线偏振光，通过相位调制器(11)进行二次相位调制后返回光纤环形器(10)后，进入信号处理模块(16)；第二束光作为振荡光进入信号处理模块(16)，提供相干检测，由输出单元(17)得到测量的电流值。2.如权利要求1所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述相位调制器(11)与主轴45°熔接。3.如权利要求1所述的温度应变补偿性光纤电流传感器，其特征在于，所述模式调制器(9)包括：准直透镜(19)、偏振分束器(20)、反射镜(21)、空间光调制器(22)、反射镜(23)、偏振分束器(24)和准直透镜(25)；泵浦光通过准直透镜(19)扩束后进入偏振分束器(20)分为两束光，一束光通过反射镜(21)反射后与另一束光一起射入空间光调制器(22)上受到...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵茗，余盼，杨振宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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