在高信号范围具有增强精确度的偏振光学检测制造技术

为了执行对被测对象的偏振检测，两个偏振状态的光通过传感设备(5)，其中，这两个状态经历依赖于被测对象的值的差分相移。为了补偿设备的不足，提出了一种方法，该方法基于仅在被测对象的低值范围中获得的校正值。然而，该方法仍可以用于精确地确定被测对象的较高值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在高信号范围具有增强精确度的偏振光学检测
本专利技术涉及用于通过偏振光学技术来测量交变被测对象值的方法和传感设备。
技术介绍
例如用于高压变电站的光纤电流传感器(FOCS)通常利用围绕电流导体的光纤线圈的法拉第效应(参考文献1)。高性能电流传感器通常使用从光纤陀螺仪可知的干涉技术(参考文献2)，其中具有集成光相位调制器的闭环检测电路恢复通过光路(opticalcircuit)传播的两个光波之间的电流感应磁光相移(phaseshift)闭环检测方法确定了传感器输出与磁光相移之间的完全线性关系(参考文献1)。相比之下，采用较简单的偏振检测方案的FOCS(参考文献3-6)通过波片和偏振器将磁光相移或相应的偏振旋转转换为光强度的变化。信号与施加电流的正弦成比例变化。通常，分析仪光学器件被配置为生成相反相位的两个信号。它们的差除以总和表示归一化信号，该归一化信号独立于光源功率的变化或插入损耗。无模糊的测量范围限于±π/2之内的相移。相应的电流范围约为±310kA/N，其中N是围绕导体的光纤环路数。在此，假定光纤线圈由熔融石英光纤组成，工作波长为1310nm，并且光通过线圈两次(反射模式)。在不对正弦响应进行线性化的情况下，仅在小相移才获得充分线性的输出。为了覆盖±π/2的整个范围，必须通过反正弦函数或其等效函数将信号线性化。在传感器的典型变电站应用中，小相移的范围(regime)与计量有关，而高相移的范围用于瞬态故障电流。通常，传感器必须能够测量高达额定系统电流至少20倍的故障电流。典型的精确度要求在计量范围内为±0.2％并且在故障电流范围内为±5％(参考文献7)。采用偏振检测方案的FOCS(诸如参考文献4中所公开的)，借助四分之一波长延迟器在通过光路传播的两个光波之间引入90°相位偏置(phasebias)，以便将传感器的工作点(在零电流处的信号)移至传感器响应的线性范围。替代地，法拉第旋转器晶体可以设置偏置(参考文献6)。这种传感技术的一般性要求是在宽范围的工作条件下提供良好的精确度。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的问题是提供上述类型的方法和设备，其产生具有良好精确度的结果，而无需进行大量的校正测量。该问题通过独立权利要求的方法和设备解决。该方法用于测量交变被测对象的值Z。注意，在本专利技术的上下文中，术语“交变被测对象”意味着(如果没有另外说明)包括根据时间而变化的任何被测对象。这包括周期测量对象，诸如AC电流或AC电压(例如，具有50Hz或60Hz的频率)，瞬态被测对象，以及周期性和瞬态现象的组合。后者可以是例如具有瞬态DC偏移的AC电流，其可能发生在诸如短路之类的三相系统的故障情况下。另一个示例是类似尖峰或脉冲的瞬态被测对象，例如具有在微秒或毫秒范围内的持续时间的电流脉冲，其可能在电流中断期间发生在高压DC断路器处[13]。另一个示例是等离子电流脉冲，例如在用于核聚变研究的托卡马克装置(tokamak)处。本专利技术的方法包括以下步骤：1)将光束的不同的两个偏振状态发送通过传感元件，其中，两个偏振状态经历依赖于被测对象的差分相移(differentialphaseshift)与被测对象相同，相移是交变的(例如以某个频率)和/或是瞬态的。2)将已通过传感元件至少一次的光分到至少两个通道中，并且在两个通道中执行不同的偏振测量，从而生成如下两个依赖于相移的原始信号S1,raw、S2,raw：在本文中，使用以下参数(即，独立于的值)：-So1、So2是至少依赖于光源功率和传感设备中的光学损耗的参数；-K1、K2是传感设备的参数并且对应于两个原始信号S1,raw、S2,raw的对比度；-θ1、θ2是至少依赖于传感设备并具有远小于π/2的绝对值的参数。有利地，|θ1|和|θ2|都小于10°。3)将原始信号S1,raw、S2,raw归一化为相等幅度(Yo/2)的两个信号S1、S2，即以及在该上下文中，“相等幅度”有利地意指信号具有在5％以内，尤其是在2％以内，更尤其是在1％以内的相等幅度，或者具有基本上相等的幅度。3)使用归一化值C来将经归一化的组合信号S计算为：S＝(S1-S2)/C。归一化值C是通过以下两个选项之一来计算的：-在被测对象的过零点附近根据传感器信号S1、S2的先前值S1'、S2'来计算。有利地，C被计算为C＝S1'+S2'。-以迭代方法来计算。“在被测对象的过零点附近”应被理解为在交变被测对象的周期期间尤其是的那些时间段。4)将被测对象的值Z计算为与校正系数相乘的S的反正弦函数：该步骤有利地使用参数K1、K2、θ1和/或θ2。此外，可选地，可以将反正弦函数加上偏移，和/或可以将反正弦函数乘以校正因子。有利地，为了将原始信号S1,raw、S2,raw归一化，在被测对象的交变频率下的时间平均幅度So1,ac和So2,ac被计算，并且信号S1、S2被计算为：S1＝S1,raw·So2,ac以及S2＝S2,raw·So1,ac。本专利技术提供了一种用于偏振传感器的信号处理构思，对于该信号处理构思，针对小的被测对象值(即，在差分相移处的)、尤其是作为温度的函数来校正传感器是足够的，该信号处理构思避免了在大的被测对象范围中进行校正的需要。这允许根据低信号比例因子和某些预先确定的传感器参数来得到具有高精确度的、针对在高达±π/2的相移处的大被测对象(例如，在磁光电流传感器的故障电流范围中的)的传感器校正。因此，本专利技术提供了一种信号处理构思，其使传感器校正的工作量和成本保持适度。如果通过两个信号之和的低信号值将两个信号(反相信号)的差值在所有电流大小处归一化(方法A)，则可以例如很大程度上避免两个检测器信号中由非零相位偏移(phaseoffset)(θ1，θ2)所引起的传感器正弦响应的失真。如果在传感设备的工作温度范围中的至少一个温度处，θ1≠0，θ2≠0，θ1-θ2≠0，K1≠1和/或K2≠1，和/或如果相移达到大于0.1弧度的值，尤其是大于0.5弧度的值，尤其是大于1弧度的值，则该方法特别有利。工作温度范围是例如在手册或数据表中规定的传感设备的操作所针对的温度范围；在优选的实施例中，工作温度范围是-55℃至85℃，或-40℃至85℃，或-20℃至55℃。在一类实施例中，修正值C由信号S1'与S2'之和给出，其中S1'、S2'是与绝对值比阈值小的相移相对应的S1、S2的值。有利地，阈值远小于π/2，尤其是低于0.1弧度。在其一个子实施例中，S1'和S2'可以被确定为在低于所述阈值的时间段期间S1和S2的时间平均值。该确定是在交变被测对象的至少半个周期上执行的。在其另一个子实施例中，通过确定在交变被测对象的至少半个周期内S1+S2之和的极值来确定值C。有利地，为了提高精确度，可以通过对在被测对象的多于半个周期上所获得的极值求平均来计算C。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于借助传感设备来测量交变被测对象的值Z的方法，所述方法包括以下步骤：/n将光束的不同的两个偏振状态发送通过传感元件(5)，其中，所述两个偏振状态经历依赖于被测对象的差分相移

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于借助传感设备来测量交变被测对象的值Z的方法，所述方法包括以下步骤：
将光束的不同的两个偏振状态发送通过传感元件(5)，其中，所述两个偏振状态经历依赖于被测对象的差分相移
将已通过所述传感元件(5)至少一次的所述光分到至少两个通道(8a、8b)中并且在所述两个通道(8a、8b)中执行不同的偏振测量，从而生成如下两个依赖于所述相移的原始信号S1,raw、S2,raw：






其中，
-So1、So2是至少依赖于光源功率和所述传感设备中的光学损耗的参数，
-K1、K2是所述传感设备的参数，
-θ1、θ2是至少依赖于所述传感设备并具有远小于π/2的绝对值的参数，
将所述原始信号S1,raw、S2,raw归一化为相等幅度Yo/2的两个信号S1、S2：

以及



使用归一化值C来将经归一化的组合信号S计算为：
S＝(S1-S2)/C，
其中，所述归一化值C是在所述被测对象的过零点附近根据所述传感器信号S1、S2的先前值S1'、S2'来计算的，尤其是C＝S1'+S2'，或者其中，所述C是以迭代方法来计算的，
使用反正弦函数，尤其是使用K1、K2、θ1和/或θ2来进一步计算所述被测对象的值Z。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述传感设备的工作温度范围中的至少一个温度处，θ1≠0，θ2≠0，θ1-θ2≠0，K1≠1和/或K2≠1，且/或其中，绝对的相移达到大于0.1弧度的值，尤其是大于0.5弧度的值，尤其是大于1弧度的值。


3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述修正值C由S1'与S2'之和给出，其中S1'、S2'是与绝对值比阈值小的相移相对应的S1、S2的先前值，尤其是，所述阈值低于0.1弧度。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，S1'和S2'被确定为在低于所述阈值的时间段期间并在所述交变被测对象的至少半个周期上S1和S2的时间平均值。


5.根据权利要求3所述的方法，其中，为了确定所述归一化值C，在所述交变被测对象的至少半个周期内S1+S2之和的极值被确定，尤其是通过对在多于半个周期上所获得的极值求平均。


6.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述归一化值C是以迭代方法来计算的，其中在迭代n中，n＝0,…,N-1：
C根据C(n)得到，其中C(n)是的函数，其中是所述相移的迭代值，并且根据C(n)来计算，尤其是通过根据C(n)计算S的迭代值S(n)和Z的迭代值Z(n)来计算。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，C(n)＝(S1+S2)·k0/k(n)，其中，k0＝1/[1+K·cos(θ)·sin(Δθ/2)]并且其中，K是有效条纹对比度，并且θ＝(θ1+θ2)/2且Δθ＝θ1-θ2。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，
N＝1或更大，并且在第一次迭代中，被设定为起始值，尤其是设定为零。


9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，其中，所述值Z被计算为：



其中：
A是比例因子；
f是所述参数θ1、θ2、K1、K2中的至少一者的函数；以及
H是偏移值，尤其是在所述被测对象的过零点附近Z的值。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述值Z是利用f(θ1,θ2,K1,K2)＝koKcos[Δθ/2]来计算的，
其中，
k0＝1/[1+K·cos(θ)·si...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·博纳特，A·弗兰克，G·米勒，杨琳，
申请(专利权)人：ABB电网瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH