基于虚拟仪器的光纤电流感测系统的设计

1.引言

虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，仪器模块中的数据采集卡、GPIB卡、 VXI模块等用于信号的输入输出。虚拟仪器具有很强的分析处理能力，随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大，同一台虚拟仪器可在更多的场合使用。LabVIEW是美国NI公司开发的虚拟仪器开发平台软件。 LabVIEW有丰富的库函数和功能模块，并且可以方便地与Matlab、C等通用编程语言进行通信，以满足各种需求[1][2]。

光纤电流传感器，是为了提供电力工业等使用高电压电流之企业与工厂，对于持续运作设备需要高度可靠性之需求而发展出来的。光纤电流传感器从早期使用检偏器来测量线偏振光对磁场的相位变化量;之后提出使用光纤作为感测电流磁场的组件，但是由于光纤本身对于磁场产生相位变化之系数(费尔德常数)很小，所以直接量测并不够准确，进而改用干涉式来将相位变化量转成为光能量变化，从而通过观察光能量的变化来推算相位变化与电流大小。使用干涉方式将相位信号转换为光能量变化，而相位变化也从主动解调转为被动解调，这是因为主动调变比较容易受到影响，而且有能量消耗，藉此减少从主动解调部分产生的噪声[3][4] [5]。本文所设计的基于虚拟仪器技术的光纤电流是一种新型电流测量系统，它把虚拟仪器技术应用到光纤式电流互感器中，可用于测量母线电流，实时显示测量信号的参数和波形，可对测量数据进行分析、存储。

2. 光纤电流感测系统的硬件组成

图1 基于虚拟仪器的光纤电流感测系统

如图1所示是整个硬件系统的方框图。光纤电流感测系统输出的光纤干涉信号经过光电转换电路变成电信号，再由数据采集卡收集信号数据传输到虚拟仪器的软件系统。

2.1光纤电流感测基本原理

在本文光纤电流感测系统中，是利用法拉第(Faraday)效应来感测电流所产生的磁场强度。所谓法拉第效应就是电磁波经过一个磁场时，若磁场方向与光的传播方向平行，电磁波会因为磁场的影响，产生出射的线偏振光的偏振平面相对入射偏振光的偏振平面的旋转，而且此偏振光的偏振平面的旋转量与磁场强度和电磁波在磁场中行进距离成正比。而磁场对电磁波的这种影响称为法拉第效应，这种影响是电磁场固有的特性，由物理学家法拉第发现，并由此命名。

因此在系统中，我们将光纤缠绕在待测电流上，使光纤与磁场方向互相平行，使有效的法拉第效应最大，由于光也是电磁波，所以光在磁场中会受法拉第效应影响产生相位旋转，而根据旋转的量，可以计算待测磁场的大小。在此系统中，是利用电流来产生磁场，传播的线偏振光的偏振方向所发生的总的偏转角为：

这里V为光纤的费尔徳常数，l为受法拉第效应影响的光纤长度，而Hl为平行光纤行进方向的磁场分量。根据安培定律以光纤环状缠绕待测电流，公式(1)经过环积分运算为：

N为光纤缠绕圈数，i为待测电流强度，因此θF为光纤缠绕圈数与待测电流的函数。

从上面分析可知，在闭合光路的条件下，通过光纤并环绕截流导线的线偏振光的偏振角的变化，与光纤所围的电流成正比。

2.2光纤电流感测光路系统

图2 光纤电流感测光路系统

光纤电流感测光路如图2所示，由激光接上光隔离器、光消偏振器、光循环器、光偏振器、四分之一波长板、法拉第旋转器、感测头、法拉第反射镜组合而成。在激光输出端，通常都会接上一个光隔离器，光隔离器是只允许光波单方向传输组件，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，而影响激光的正常操，甚至烧毁激光。激光输出的光既不是纯粹偏振光，也不是非偏振光，而是有残余部分偏振状态偏振光。由于这样的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通过光偏振器产生的线性偏振光能量也会随着通过之偏振光与光偏振器之夹角而变化。为了要避免这种光能量因偏振光与光偏振器之角度变化产生光功率变化的情况，在系统中使用消光偏振器来消除激光的偏振状态，从而产生一个无偏振状态的光源，对于各个方向都含有相同的能量，在经过光路后光偏振器而产生稳定之偏振光，从而使系统响应信号的强度噪声降低。