一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法

技术领域

本发明涉及一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法，属于光学电流传感器校正技术领域。

背景技术

基于法拉第磁光效应的光学电流传感器具有无源、绝缘性能好、响应频带宽、抗干扰能力强等优势，符合我国智能电网的发展需求，具有良好的发展前景。但是，光学电流传感器的磁光材料与光纤容易产生应力线双折射。通常应力线双折射是法拉第磁致旋光角的几倍甚至几十倍，对旋光角产生严重的熄灭作用，劣化了光学电流传感器测量的准确性与长期运行的可靠性，成为多年来制约其实用化的瓶颈，被业界称之为“世界难题”。

现有光学电流传感器基于马吕斯定律，通过检测输出光强以实现法拉第磁致旋光角的近似线性测量。这一测量模式具有光功率依赖性与非线性测量等缺陷，导致磁光材料与光学材料引入的应力线双折射与法拉第磁致旋光角混叠在一起，难以分离与补偿，这也是始终未能有效地解决应力线双折射问题的症结所在。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法，实现对应力线双折射进行直接测量并基于测量结果进行应力线双折射的补偿消除。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提出一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，所述方法包括以下步骤：

利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，在待测电流作用下，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角α与应力线双折射γ，形成平移条形光斑；

通过位置敏感探测器定位条形光斑位置进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量；

检测待测电流的交流过零点，在过零点时刻获取位置敏感探测器测量的偏振面旋转角度作为应力线双折射γ；

通过获取的应力线双折射γ对光学电流传感器的输出信号进行补偿。

作为优选实施方式，所述通过位置敏感探测器定位条形光斑进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量的方法具体为：

通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的初始位置；

在测量待测电流时，通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的当前位置，并通过暗纹中心的当前位置和初始位置计算光斑位移量Δx；

基于光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取偏振面旋转角度的值。

作为优选实施方式，所述光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取的方法为：

获取通过磁光薄膜输出的光矢E

其中，J

E

因此E

θ＝α′；

E

因此得到：

其中，l为光栅的长度。

另一方面，本发明还提出一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿系统，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，所述系统包括：

启动模块，用于利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，在待测电流作用下，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角α与应力线双折射γ，形成平移条形光斑；

测量模块，用于通过位置敏感探测器定位条形光斑位置进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量；

交流过零点检测模块，用于检测待测电流的交流过零点；

应力线双折射确定模块，用于在过零点时刻获取位置敏感探测器测量的偏振面旋转角度作为应力线双折射γ；

补偿模块，用于通过获取的应力线双折射γ对光学电流传感器的输出信号进行补偿。

作为优选实施方式，所述测量模块具体包括：

初始位置测量单元，用于通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的初始位置；

光斑位移计算单元，用于在测量待测电流时，通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的当前位置，并通过暗纹中心的当前位置和初始位置计算光斑位移量Δx；

偏振面旋转角度计算单元，用于通过光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取偏振面旋转角度的值。

作为优选实施方式，所述偏振面旋转角度计算单元中光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取的方法为：

获取通过磁光薄膜输出的光矢E

其中，J

E

因此E

θ＝α′；

E

因此得到：

其中，l为光栅的长度。

再一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法。

再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法。

本发明具有如下有益效果：

本发明一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法，基于条形径向偏振光栅输出叠加了法拉第磁致旋光角α与应力线双折射γ的条形光斑，通过光斑定位实现对偏振面旋转角度的直接线性测量。基于待测交流电流过零时电流磁场为零，则法拉第磁致旋光角为零的原理，在交流过零点时刻将应力线双折射检测出来并加以补偿，实现消除应力线双折射的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一的方法流程图；

图2为本发明实施例中进行过零补偿的原理图；

图3为基于条形径向偏振光栅实现的光学电流传感器输出光斑仿真图；

图4为本发明实施例中过零检测电路的原理图。

图中附图标记为：

1、激光源；2、起偏器；3、磁光薄膜；4、条形径向偏振光栅；5、位置敏感探测器；6、条形光斑；7、过零检测电路；8、法拉第磁致旋光角对应的条形光斑；9、应力线双折射对应的条形光斑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例一：

参见图1和图2，一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源1、起偏器2、磁光薄膜3和径向偏振光栅4，所述方法包括以下步骤：

S100、利用激光源1发出光信号，激光源1发出光信号经过起偏器2得到线偏振光，线偏振光通过磁光薄膜3，在磁场作用下偏振光偏振面发生旋转，其旋转角度即为法拉第磁致旋光角α，但是，温度变化与震动在磁光薄膜3和传输光纤中还会产生应力线双折射γ，并叠加在α上，导致输出线偏振光的偏振面共旋转了α+γ角度，线偏振光经过条形径向偏振光栅4解调后转化输出叠加了法拉第磁致旋光角α与应力线双折射γ的条形光斑6，并且条形光斑6随着线偏振光偏振面的变化而线性平移。

S200、通过位置敏感探测器5定位出射的条形光斑6位置进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量；

S300、根据法拉第磁光效应，当待测交流电流过零时，磁光薄膜的α为零，此时传感器的输出信号即为γ，因此利用过零检测电路7可以确定待测电流的过零点，在这一时刻α＝0，获取位置敏感探测器测量的偏振面旋转角度即为应力线双折射γ；

S400、通过获取的应力线双折射γ对光学电流传感器的输出信号进行补偿。

基于本实施例，通过线性测量模式，可以在交流电流过零时将应力线双折射提取出来并加以补偿。光学电流传感器基于条形径向偏振光栅将法拉第磁致旋光角直接转换为光斑图像的同步平移，通过光斑定位实现对旋光角的直接线性测量。温度变化与震动在磁光薄膜和传输光纤中产生应力线双折射，对法拉第磁致旋光角产生有害的熄灭作用。基于上述线性测量模式，传感器的输出为法拉第磁致旋光角与应力线双折射的线性叠加。当待测交流电流过零时电流磁场为零，则法拉第磁致旋光角为零，此时传感器的输出信号即为应力线双折射。再利用过零检测电路确定待测交流电流的过零点，在这一时刻即可将应力线双折射检测出来并加以补偿，实现消除应力线双折射的目的。

作为本实施例的优选实施方式，在步骤S200中，所述通过位置敏感探测器定位条形光斑进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量的方法具体为：

S201、通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的初始位置；

S202、在测量待测电流时，通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的当前位置，并通过暗纹中心的当前位置和初始位置计算光斑位移量Δx；

S203、基于光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取偏振面旋转角度的值。

作为本实施例的优选实施方式，所述光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取的方法为：

具体参见图2，来自激光源1的入射光经起偏器2得到线偏振光Ein：

其中A表示输入光强。

线偏振光通过磁光薄膜3，在待测电流的磁场作用下，线偏振光偏振面发生旋转，其旋转角度即为法拉第磁致旋光角α，传输矩阵J

受温度变化与震动的影响，在磁光薄膜3和传输光纤中产生应力线双折射γ，此时可以将J

其中α’＝α+γ为计及应力线双折射时线偏振光偏振面的旋转角度。

因此线偏振光通过磁光薄膜后的琼斯矢量为：

输出光矢E

因此E

θ＝α′ (6)

E

其中l为光栅的长度。设θ＝0°时，暗纹中心位置在条形偏振光栅的0°栅条单元上，基于Matlab仿真得到偏振光栅检偏后的出射光强分布，如附图3所示。可见光斑暗纹中心随着θ的变化同步平移，因此通过测量光斑暗纹中心的平移量即可实现对θ的直接测量。

结合式(6)与(7)，得到：

因此光学电流传感器线性测量的结果为α与γ的线性叠加。根据法拉第磁光效应，待测磁场H与α满足：

α＝VHL

其中V为维尔德常数，LM是磁光材料沿磁场方向的通光路径长度。当H＝0时α＝0，即在交流电流过零时光学电流传感器的输出信号α’＝γ，在这一时刻α＝0对应的条形光斑8暗纹中心位置在零点，而光学电流传感器输出光斑的暗纹位置9对应为γ，通过定位光斑即可检测γ并加以补偿，达到消除γ的目的。

在其中一种实施例中，采用的过零检测电路7确定待测交流电流过零点，电路原理如附图4所示。U2A和U2B是LM339的两个比较器，Vi作为输入信号，Vo为输出信号，V2和V3分别为比较器基准电压的上限值和下限值；7408N为一个集成的双输入四与门电路。其工作原理为：在一个周期内，当Vi>V2时，Vo为低电平；当V3＜Vi＜V2，Vo为高电平；当Vi＜V3时，Vo为低电平。因此通过调节V2和V3的值，可以实现交流电流的过零点检测。

在本实施例中，激光源1采用单纵模激光器，其波长为808nm；磁光薄膜3为Bi-Gd-YIG型；条形径向偏振光栅4采用电子束直写方法制成，加工误差为±5nm，长度为12mm、高1.5mm、周期为200nm、占空比为0.5、光栅脊高为150nm，最大可测量的法拉第磁致旋光角为±50°；采用位置敏感探测器5检测光斑位移量，其型号为S3932，其光敏面积为1×12mm、波长响应范围为760～1100nm、峰值波长为960nm；过零检测电路参考附图4；

为验证本实施例提出的方法的有效性，采用高低温交变湿热试验箱提供不同的温度环境，温度范围-40℃～85℃，温度波动度±0.5℃进行实验。将光学电流传感器的光路置于温箱内胆中，在-40℃～85℃范围内进行温度循环实验。利用过零检测电路7检测过零点，确定每个周期的应力线双折射引入并进行补偿。最后通过校验仪记录光学电流传感器的基本准确度，如表1所示。在温度循环条件下光学电流传感器能够满足0.5级准确度要求。

表1基本准确度实验数据

实施例二：

本实施例提出一种光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿系统，所述光学电流传感器包括依次设置位于同一光路上的激光源、起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，所述系统包括：

启动模块，用于利用激光源发出光信号，依次经过起偏器、磁光薄膜和径向偏振光栅，在待测电流作用下，输出信号叠加了法拉第磁致旋光角α与应力线双折射γ，形成平移条形光斑；该模块用于实现实施例一中步骤S100的功能，在此不再赘述；

测量模块，用于通过位置敏感探测器定位条形光斑位置进行线偏振光的偏振面旋转角度的测量；该模块用于实现实施例一中步骤S200的功能，在此不再赘述；

交流过零点检测模块，用于检测待测电流的交流过零点；

应力线双折射确定模块，用于在过零点时刻获取位置敏感探测器测量的偏振面旋转角度作为应力线双折射γ；交流过零点检测模块和应力线双折射确定模块共同实现实施例一中步骤S300的功能，在此不再赘述；

补偿模块，用于通过获取的应力线双折射γ对光学电流传感器的输出信号进行补偿；该模块用于实现实施例一中步骤S400的功能，在此不再赘述。

作为本实施例的优选实施方式，所述测量模块具体包括：

初始位置测量单元，用于通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的初始位置；

光斑位移计算单元，用于在测量待测电流时，通过位置敏感探测器定位条形光斑的暗纹中心的当前位置，并通过暗纹中心的当前位置和初始位置计算光斑位移量Δx；

偏振面旋转角度计算单元，用于通过光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取偏振面旋转角度的值。

作为本实施例的优选实施方式，所述偏振面旋转角度计算单元中光斑位移量Δx与偏振面旋转角度的关系获取的方法为：

获取通过磁光薄膜输出的光矢E

其中，J

E

因此E

θ＝α′；

E

因此得到：

其中，l为光栅的长度。

实施例三：

本实施例提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法。

实施例四：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的光学电流传感器应力线双折射的交流过零补偿方法。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory；以下简称：ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory；以下简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。