基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)電流互感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電 流互感器及其磁場(chǎng)及電流的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)電流互感器作為一種新型的電流互感器，其具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量量程與造 價(jià)不成比例關(guān)系、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛的關(guān)注。但同時(shí)它也存在著一些缺 陷，其中的一個(gè)主要方面就是由于磁光晶體的費(fèi)爾德常數(shù)受溫度影響，因此在不同的環(huán)境 溫度下會(huì)使得測(cè)量值產(chǎn)生一定的誤差，影響測(cè)量精度。一般的基于法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流 互感器的測(cè)量過(guò)程為:光源發(fā)出的自然光經(jīng)光纖進(jìn)入準(zhǔn)直器，從準(zhǔn)直器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏 器后成為具有一定偏振方向的線偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)法拉第晶體時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，偏 振方向會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，從磁光晶體出射的光再通過(guò)偏振分光片分為兩束偏振方向相互 垂直的線偏振光，經(jīng)兩準(zhǔn)直器后輸出，經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再對(duì)電信號(hào) 進(jìn)行處理。對(duì)兩路電信號(hào)進(jìn)行差除和運(yùn)算，可W得到偏振光在磁場(chǎng)作用下的偏轉(zhuǎn)角度，而偏 振光的偏轉(zhuǎn)角度與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度W及磁光材料的費(fèi)爾德常數(shù)有關(guān)，由此可W測(cè)得電 流的大小。而溫度的變化會(huì)使材料的費(fèi)爾德常數(shù)發(fā)生變化，因此會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的 影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述的現(xiàn)有技術(shù)及存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電 流互感器及測(cè)量方法，兩束不同波長(zhǎng)的光同時(shí)入射至磁光晶體，并且利用兩個(gè)光電探測(cè)器 分別探測(cè)兩個(gè)波長(zhǎng)下的光強(qiáng)信號(hào)；
[0004] 本發(fā)明的測(cè)量方法為首先測(cè)定磁光晶體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的費(fèi)爾德常數(shù)與溫度之間 的函數(shù)關(guān)系，再由測(cè)量過(guò)程中兩個(gè)波長(zhǎng)下的光強(qiáng)信號(hào)輸出值計(jì)算得到傳感頭所在位置的磁 場(chǎng)強(qiáng)度和溫度值，再根據(jù)導(dǎo)線中電流與所產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的關(guān)系即可得到電流值。
[000引發(fā)明提出了一種基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器，其特征在于，該裝置包括通 過(guò)光纖連接的第一光源1、第二光源2、光纖禪合器3、傳感頭4、第一波分解復(fù)用器5、第二波 分解復(fù)用器6、第一光電探測(cè)器7、第二光電探測(cè)器8，；傳感頭4內(nèi)的光學(xué)元件依次為第一準(zhǔn) 直器9、起偏器10、磁光晶體11、偏振分光棱鏡12、第二準(zhǔn)直器13和第Ξ準(zhǔn)直器14;其中：
[0006]作為輸入雙光源的第一光源1、第二光源2具有不同的波長(zhǎng);第一光源1、第二光源2 發(fā)出的光通過(guò)光纖禪合器3禪合入同一根光纖，該光纖傳輸?shù)墓馐M(jìn)入傳感頭4;在所述傳 感頭4中：光束經(jīng)第一準(zhǔn)直器9準(zhǔn)直后入射至起偏器10,經(jīng)過(guò)起偏器10后變?yōu)槠窆馊肷渲?磁光晶體11，磁光晶體11出射的光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡12變?yōu)槠穹较蚧ハ啻怪钡膬墒猓?一束光經(jīng)第二準(zhǔn)直器13輸出；再經(jīng)過(guò)第一波分解復(fù)用器5將不同波長(zhǎng)的光分開(kāi);入射至第一 光電探測(cè)器7和第二光電探測(cè)器8;另一束光經(jīng)第Ξ準(zhǔn)直器14后輸出；再經(jīng)過(guò)第二波分解復(fù) 用器則尋不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，分別入射至第一光電探測(cè)器7和第二光電探測(cè)器8。
[0007] 本發(fā)明還提出了利用基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器的測(cè)量方法，該方法包括 W下步驟：
[0008] 步驟一、將基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器置于溫箱中，在每個(gè)溫度下對(duì)同一波 長(zhǎng)下的偏振方向互相垂直的兩路光強(qiáng)信號(hào)（III和II)進(jìn)行測(cè)量，并記錄相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 隨后進(jìn)行差除和運(yùn)算，從而根據(jù)差除和的運(yùn)算輸出值公式
對(duì) 費(fèi)爾德常數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，得到
在得到了每個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的費(fèi)爾德常數(shù)后，再對(duì) 記錄點(diǎn)進(jìn)行擬合W得到費(fèi)爾德常數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系;在兩個(gè)不同的波長(zhǎng)下，磁光晶 體的費(fèi)爾德常數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系分別為：
[0009]
(1.)
[0010] 其中，【^^,,為第一光源波長(zhǎng)下、某一溫度點(diǎn)T的磁光晶體的費(fèi)爾德常數(shù)；^，。為第二光 源波長(zhǎng)下、某一溫度點(diǎn)T的磁光晶體的費(fèi)爾德常數(shù)；
[0011] 步驟二、在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，得到兩束不同波長(zhǎng)的偏振光在外界磁場(chǎng)的作用下經(jīng) 過(guò)磁光晶體后旋轉(zhuǎn)的角度θ?、02為：
[0012]
(2)
[0013] 其中V為磁光晶體的費(fèi)爾德常數(shù)，Η為傳感頭所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為光束在磁光 晶體中通過(guò)的長(zhǎng)度；
[0014] 步驟Ξ、經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡12分光后，得到了偏振方向互相垂直的兩路光信號(hào)，再 經(jīng)過(guò)波分解復(fù)用器后，分別得到與第一光源1、第二光源2運(yùn)兩個(gè)光源相對(duì)應(yīng)的兩組偏振方 向互相垂直的光強(qiáng)信號(hào)，對(duì)同一波長(zhǎng)下測(cè)量的偏振方向互相垂直的兩路光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行差除 和運(yùn)算，得到運(yùn)算輸出值為：
[0015]
(3)
[0016] 其中，Zi和Ζ2分別為兩個(gè)波長(zhǎng)下的偏振方向互相垂直的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行差除和運(yùn)算 后的輸出值;對(duì)方程組(3)進(jìn)行求解，得到溫度T和磁場(chǎng)強(qiáng)度H，再由電流I與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)Η 之間的關(guān)系，最終求得所測(cè)電流值的大小。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器的光源為兩個(gè)波長(zhǎng) 不同的光源，而且可W分別得到相應(yīng)波長(zhǎng)下的兩個(gè)光強(qiáng)信號(hào)輸出值，因此可W組成兩個(gè)方 程，對(duì)溫度Τ和磁場(chǎng)強(qiáng)度Η兩個(gè)未知量進(jìn)行求解，避免了由于費(fèi)爾德常數(shù)隨溫度變化而造成 的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用了兩個(gè)光源的光束都通過(guò)同一磁光晶體的結(jié)構(gòu)形式，沒(méi)有增 加過(guò)多的光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖，
[0019] 圖2為光學(xué)電流互感器傳感頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
[0020] 1、第一光源;2、第二光源;3-光纖禪合器;4、傳感頭、5、第一波分解復(fù)用器;6、第二 波分解復(fù)用器;7、第一光電探測(cè)器;8、第二光電探測(cè)器W及各器件之間用于連接的光纖;傳 感頭4內(nèi)的光學(xué)元件依次為9、第一準(zhǔn)直器;10、起偏器;11、磁光晶體;12、偏振分光棱鏡；13、 第二準(zhǔn)直器;14、第Ξ準(zhǔn)直器。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 如圖1所示，為本發(fā)明的基于雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，光 源為雙光源(第一光源1和第二光源2)，兩個(gè)光源有不同的波長(zhǎng)，兩個(gè)光源發(fā)出的光通過(guò)光 纖禪合器禪合3進(jìn)入同一根光纖，光束經(jīng)第一準(zhǔn)直器9準(zhǔn)直后入射至起偏器10,經(jīng)過(guò)起偏器 10后變?yōu)槠窆馊肷渲链殴饩w11，磁光晶體11出射的光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡12變?yōu)槠穹?向互相垂直的兩束光，一束光經(jīng)第二準(zhǔn)直器13輸出，再經(jīng)過(guò)第一波分解復(fù)用器引尋不同波長(zhǎng) 的光分開(kāi)，入射至第一光電探測(cè)器7和第二光電探測(cè)器8,另一束光經(jīng)第Ξ準(zhǔn)直器14后輸出， 再經(jīng)過(guò)第二波分解復(fù)用器則尋不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，分別入射至第一光電探測(cè)器7和第二光