本发明专利技术提供一种数字闭环光纤电流传感器。该传感器光路系统的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则提取光电转换器输出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息；信号处理系统的前置放大器为跨阻抗放大器ＴＩＡ，其带宽是直接从调幅方波中提取方波瞬时幅值（现有技术）时的１／６５０以下，从而该前置放大器输出的热噪声与散粒噪声电平也降低到现有技术的１／６５０以下；跨阻抗放大器ＴＩＡ的电流－电压转换增益不取决于它的反馈网络的电阻值，从而在具有高电流－电压转换增益的同时，能在ＴＩＡ的反馈网络中采用低阻值电阻，使ＴＩＡ输出噪声电平中占很大比重的电阻热噪声降低到可忽略不计。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子学与信息系统中之敏感电子学与传感器领域，以及电工学科之高 电压与大电流测量领域，具体涉及数字闭环型光纤电流传感器。本专利技术同时适用于数字闭 环型光纤陀螺仪，以及包括数字闭环型光纤Sagnac干涉仪在内的各种数字闭环型光纤干 涉仪，特别是光路输出的光信号中被提取信号对应的光强微弱的上述传感器、陀螺仪、干涉 仪。
技术介绍
随着电力系统的发展，直流输电技术、灵活交流输电技术、数字化变电站等以电力 电子为基础的新技术在电力系统的应用越来越广泛，电力系统对于实用化的光学电流、电 压互感器(以下简称光纤电流传感器、光PT)的要求比以往更加迫切。目前采用的高电位端 依靠电子电路提供测量信号的有电源式光纤电流传感器、光PT的运行实践表明，这种光纤 电流传感器、光PT存在安全隐患，应研制高电位端不需要电源的无源式光纤电流传感器、 光ρτ。上世纪六十年代以来，国内外曾提出过多种无源式光纤电流传感器方案，这些方 案分别利用电流产生的磁能、电能、热能、机械能等与有关的光学效应，调制光波的幅值 (光强)、频率、相位、偏振态，所利用的效应包括被称为法拉第效应的磁致圆双折射或磁致 偏振面旋转效应(偏振态)，被称为科登_冒登效应的磁致线双折射效应(偏振态)，磁致 伸缩_弹光效应(相位)，电流热效应_热胀冷缩_弹光效应(相位)，磁致伸缩_布喇格 衍射效应(频率)，电流热效应_瑞利散射、拉曼散射(光强)等，后来逐渐集中到基于法 拉第效应的方案上；法拉第效应光纤电流传感器又逐渐集中到偏振仪型与干涉仪两种方案 上。偏振仪型光纤电流传感器，通过测量偏振面互相垂直的两束输出光的光强，确定 被测电流引起的光波偏振面的旋转角，进而确定被测电流。这种光纤电流传感器只涉及线 偏振光，光路产生的损耗及附加噪声小，前置放大器(简称前放，下同)要求的带宽与被测 信号的带宽相同，比如为5千赫，信号处理电路简单。不过这种光纤电流传感器的信号处 理电路只能被动接受光路产生的误差，不能干预光路的工作(1980年前曾提出几种偏振仪 型光纤电流传感器闭环方案，都因原理上响应速度慢、功耗大而放弃，见文献[1])，因此国 外从1966年日本东京大学的“Laser Current Transformer”. [2]开始，国内从1978年中 国电力科学研究院在全国科学大会上展示的“激光电流互感器”开始，直至发展成英、中学 者共同探索的光纤型双光束、四路输出光的复杂方案[3]，以及ABB公司开发的块状光学媒 质_光纤传输型双光束、四路输出光的偏振仪型光纤电流传感器[4]，都不能很好解决环境 温度、震动感应的双折射引起的精度与长期稳定性难以达到要求的问题。有鉴如此，有关学者在已有的Sagnac干涉仪光纤电流传感器的基础上[5]，参照 数字闭环光纤陀螺的军用技术，提出了一种相位调制型Sagnac干涉仪光纤电流传感器方 案[6]，[7]。对照图1。这种方案中，传感光纤圈以外的光路传输的是幅度相等、偏振方向互相垂直的两种线偏光；每种线偏光进入传感光纤圈前经过45°取向的λ/4波片转变为 幅度相等、旋转方向相反的两种圆偏光。被测电流的磁场在传感光纤圈中产生的电子磁矩 的拉莫尔(Larmor)进动，使得进入传感光纤圈的旋转方向与电子进动方向相同或相反的 圆偏光产生幅度不同的频率移动，从而导致两种圆偏光之间的相位差(法拉第效应来源于 此)。从传感光纤圈射出的两种圆偏光再经过45°取向的λ/4波片返回传输光路时，又恢 复为偏振方向互相垂直的两种线偏光，圆偏光的相位差转换为线偏光的相位差，并在起偏 方向与两种线偏光的偏振方向成45°角的起偏器产生干涉，于是对电流磁场的测量转变为 对线偏光相位的测量，可用成熟的干涉仪技术实现。由于精确测量光波相位远比精确测量 光波偏振态容易[8]，因此这种光纤电流传感器的精度理论上优于常见的偏振仪型；又由 于线偏光相位便于用电压调制型光波导相位调制器予以补偿，因此这种光纤电流传感器容 易实现数字闭环运行，有利于提高系统的稳定性与进一步提高测量精度。数字闭环Sagnac干涉仪光纤电流传感器方案一经提出就受到重视，国外各大公 司竞相研制[9]_[19]。国内中国电力科学研究院、北京航空航天大学、航天部等单位也先后 加入研究行列。不过这种光纤电流传感器也存在偏振仪型光纤电流传感器不存在的问题。其一是需要用λ /4波片实现光波的线偏_圆偏_线偏的偏振态转换带来的问题。 由于这种λ /4波片目前都用一段快轴_慢轴的延迟相位(相位差)等于90°的高(线) 双折射光纤制成，而这种光纤的延迟相位的温度系数大，通常在2 X 10_4/°C左右，因此温度 变化时这种λ/4波片的延迟相位将偏离90°，不能真正实现光波偏振态的线偏-圆偏-线 偏转换的功能，使得光信号的调制效率下降[8]’ [10](见美国专利5987195)，引起光纤电流传 感器的比差变化，噪声增加(见美国专利7038718,5987195)。其二是光路相位调制与电路信号处理均依赖方波的闭环策略(以下简称方波-方 波方案)带来的噪声大，这不仅使这种光纤电流传感器在小信号端的测量准确度下降，动 态范围变窄，还使这种光纤电流传感器的响应速度慢。与偏振仪型光纤电流传感器相比， 采用这种闭环的光纤电流传感器所需处理的不是与信号波形相似的光信号，而是携带信号 信息的调幅方波，并且还混杂有方波调制造成的极强的相位突变尖峰spikes(见美国专 利5684591,5280339)。由于被测电流磁场引起的两种圆偏振光的相位差很小，总的输出 光电流为微安级时，信号电流对应的方波幅度仅为纳安级；而调幅方波的带宽则很宽，比如 信号带宽5千赫时，调幅方波的带宽至少在6兆赫以上，超过这种情况下的偏振仪型光纤 电流传感器前放带宽的1200倍。仅仅这一点，在同样的等效输入噪声电流密度谱的情况 下，数字闭环光纤电流传感器前放输出信号的噪声电平就将超过偏振仪型光纤电流传感器 前放输出信号的噪声电平的1200倍。由于这个原因，这种光纤电流传感器除了要在这样 的输入信号的基础上进行方波幅值检测、产生反馈阶梯斜坡、修正反馈增益等数字闭环必 需的一系列运算外，还得进行大量的降噪运算，而且某点数据的降噪结果与该点前后的大 量数据有关(理论上应与全局数据有关)，从而方法本身的滞后时间(不是与器件运行速 度有关的计算时间)长，导致响应速度慢，所以最新美国专利“Optical sensor, optical current sensor and optical voltage sensor” (申请号20090212763)将“响应速度难 以提高”(Itis difficult to improve response speed···)列为这种光纤电流传感器存 在的问题之一。关于λ/4波片延迟相位随温度变化的问题，可利用我们设计出的零温度系数光纤波片予以解决，详见我们正在申请的专利“零温度系数光学波片与偏振态转换器”。本申 请专利要解决的是上述第二个问题。参考专利美国专禾Ij :7038786,6188811B1, . 6023311，6356351，6166816，6302632，5987195， 5644397,7102757B2,7本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种数字闭环型光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感器光路系统中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则仅提取光电转换器输出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息。
【技术特征摘要】
一种数字闭环型光纤电流传感器，其特征在于所述光纤电流传感器光路系统中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则仅提取光电转换器输出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息。2.如权利要求1所述的传感器，其光路的组成为一宽带光源，该光源的输出光经过起偏器后变为低相干长度的线偏振光； 一集成波导型光波相位调制器，作用是在线偏振光已有相位的基础上，附加周期为设 定值的正、负90°偏置相位，以及与光波已有相位相反的反馈相位；至少一个保偏光纤延迟线，其作用是使线偏振光通过该延迟线后产生所需的时延，以 便能从干涉仪输出信号中提取被测电流信息；至少一个使偏振方向互相垂直的两束线偏振光产生90°相位差的λ/4波片，该波片 的快轴方向与保偏光纤延迟线的快轴方向的夹角为45°，其作用是使来自保偏光纤延迟 线的偏振方向互相垂直的两束线偏振光通过该波片后转变为左园偏振光与右园偏振光，使 左、右园偏振光从相反方向通过该波片后恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光；至少一个将传输被测电流的导体包围在内的单匝或多匝光纤圈，其作用是使通过该光 纤圈的左、右园偏振光在被测电流磁场的作用下产生遵循法拉第效应的相位差θ e，在左、 右园偏振光反向通过λ/4光纤波片后，θ e又转变为偏振方向互相垂直的两束线偏振光之 间的相位差θ ρ并且V= θε； 其电路的组成为一个光电转换器，其作用是将光波相位受到恥、(Pb与CPf共同调制的相位调制型光信号 转变为幅值只受到cps调制的调幅方波形电信号，其中％是被测电流产生的信号相位，(Pb是 相位调制器产生的偏置相位，Tf是反馈相位；一个跨阻抗放大器TIA，其作用是将光电探测器输出的低信噪比的微弱电流信号转换 为可驱动后续A/D转换电路的高信噪比的电压信号，其特征是反馈网络不是现有技术中采 用的低通滤波网络，而是带阻滤波网络；输出电压波形不是现有技术中那样的信噪比低的 调幅方波，而是代表调幅方波的某次谐波的信噪比高的正弦波，从而可扩展数字闭环型光 纤电流传感器小信号区的线性范围；一个以方波幅值检测、方波幅值累加、反馈阶梯斜坡生成为主的数字式反馈相位形成 电路及光波相位反馈环路，其作用是抵消被测电流引起的光波相位变化，其特征是方波幅 值由信噪比高的数字化的调幅正弦波调幅确定，而不是像现有技术那样由信噪比低的调幅 方波幅值确定，从而可避免现有技术必需的大量的降噪运算，提高闭环型光纤电流传感器 的响应速度；一个主要由调制增益累加、调制增益标定组成的调制增益控制环路，其作用是通过累 计到的反馈相位回扫(flyback)时出现的相位误差，调整所述光波相位反馈环路的增益， 以便使反馈相位回扫时的误差为零；一个偏置方波形成电路，其作用是通过集成波导型光波相位调制器，在光波已有相位 的基础上附加周期为设定值的正、负90...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈祥训，陈硕，尹树杰，刘占元，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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