一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及电流测量技术领域和光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器。

背景技术

随着电网运行的电压等级和对高电压、大电流的测量水平的不断提高，目前对于电力设备小型化、智能化、数字化提出了新的更高的要求。传统的电磁式电流互感器二次侧的输出对负荷有较为严格的要求，如果二次侧负荷过大，电磁式电流互感器的测量误差会增大，严重影响测量精度。另外，电磁式电流互感器设备笨重，绝缘难度大，随着电压等级的不断提高，电磁式电流互感器的绝缘结构也变得非常复杂，这样使体积重量、造价以及运输安装的难度急剧增加。

全光纤电流互感器是指传光和传感部分均采用光纤，且一般选用具有低双折射特性的单模光纤。其优点是传感头的结构简单，制作方便，并且可以通过增加绕组线圈便可增强传感器的灵敏度。但是由于传感光纤的Verdet常数较小，所以全光纤电流互感器的灵敏度较低，传感信号低于检测系统分辨的下限，因此在小电流测量精度较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效提高光纤电流互感器测试的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器，包括：Mach-Zehnder干涉仪和相位调制器，所述Mach-Zehnder干涉仪包括窄线宽激光器、第一3dB耦合器、参考臂、传感臂、第二3dB耦合器、光电转换器和信号处理单元，所述窄线宽激光器发出的光通过所述第一3dB耦合器分成强度相等的第一相干光和第二相干光，所述参考臂用于将第一相干光传输至所述第二3dB耦合器，所述传感臂用于将所述第二相干光传输至所述第二3dB耦合器，所述第二3dB耦合器用于将所述第一相干光和所述第二相干光进行耦合并传输至所述光电转换器，所述光电转换器完成光电转换后将提取的电信号送入所述信号处理单元实现对待测信号的处理，完成信号的波形和幅值测试；所述相位调制器包括导磁回路、第一环形压电陶瓷和第二环形压电陶瓷，所述导磁回路用于套设在被测线路中，在所述被测线路通电后，所述导磁回路能够产生感应电动势，所述第一环形压电陶瓷和所述第二环形压电陶瓷电连接在所述导磁回路中，所述第一环形压电陶瓷设置于所述参考臂中，所述第二环形压电陶瓷设置于所述传感臂中，所述导磁回路能够使所述第一环形压电陶瓷和所述第二环形压电陶瓷伸长或者缩短，从而带动所述参考臂与所述传感臂的相位差发生变化。

优选的，所述第一环形压电陶瓷的正极与所述导磁回路的第一端电连接，所述第一环形压电陶瓷的负极与所述导磁回路的第二端电连接，所述第二环形压电陶瓷的负极与所述导磁回路的第一端电连接，所述第二环形压电陶瓷的正极与所述导磁回路的第二端电连接。

优选的，所述导磁回路包括环形硅钢片、感应线圈、第一电路和第二电路，所述感应线圈绕制在所述环形硅钢片上，所述环形硅钢片用于套设在所述被测线路外，所述第一电路用于与所述一环形压电陶瓷电连接，所述第二电路用于与所述第二环形压电陶瓷电连接。

优选的，所述参考臂和所述传感臂均为单模光纤。

优选的，所述参考臂与所述传感臂的相位差固定在π/2处。

优选的，所述信号处理单元还包括直流量反馈系统，所述直流量反馈系统能够根据所述信号处理单元解调出来得到的直流电压的数值来校正温度系数以避免环境温度影响测量精度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器，将导磁回路套在被测线路中，被测线路通电后，导磁回路产生感应电动势，并分别为第一环形压电陶瓷和第二环形压电陶提供驱动电信号，(环形压电陶)PZT的伸缩量与感应电压成正比，窄线宽激光器发出的光通过所述第一3dB耦合器分成强度相等的第一相干光和第二相干光，在导磁回路的作用下第一环形压电陶瓷和第二环形压电陶的伸长或者缩短使参考臂与传感臂的相位差发生变化，马赫曾德尔干涉仪将第一环形压电陶瓷和第二环形压电陶伸缩量引起光相位的变化转化为干涉信号强度的变化，然后信号处理单元完成光电转换后将提取的电信号送入信号处理单元实现对待测信号的处理，完成信号的波形和幅值测试，与传统使用马赫-泽德尔干涉仪相比本发明引出了差值远高于传统干涉仪，从而能够有效提高光纤电流互感器测试的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的Mach-Zehnder干涉光谱图示意图；

图2为本申请实施例所提供的Mach-Zehnder干涉仪结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器的电流测量系统示意图；

图中：1、窄线宽激光器；2、第一3dB耦合器；3、参考臂；4、传感臂；5、第二3dB耦合器；6、光电转换器；7、环形硅钢片；8、感应线圈；9、第一电路；10、第二电路；11、第一环形压电陶瓷；12、第二环形压电陶瓷；13、被测线路。

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做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。

本发明的目的是提供一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效提高光纤电流互感器测试的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于Mach-Zehnder干涉的双PZT差值型高精度光纤电流互感器，如图1～3所示，包括：Mach-Zehnder干涉仪和相位调制器，所述Mach-Zehnder干涉仪包括窄线宽激光器1、第一3dB耦合器2、参考臂3、传感臂4、第二3dB耦合器5、光电转换器6和信号处理单元，窄线宽激光器1发出的光通过第一3dB耦合器2分成强度相等的第一相干光和第二相干光，参考臂3用于将第一相干光传输至第二3dB耦合器5，传感臂4用于将第二相干光传输至第二3dB耦合器5，第二3dB耦合器5用于将第一相干光和第二相干光进行耦合并传输至光电转换器6，光电转换器6完成光电转换后将提取的电信号送入信号处理单元实现对待测信号的处理，完成信号的波形和幅值测试；相位调制器，相位调制器包括导磁回路、第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶瓷12，导磁回路用于套设在被测线路13中，在被测线路13通电后，导磁回路能够产生感应电动势，第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶瓷12电连接在导磁回路中，第一环形压电陶瓷11设置于参考臂3中，第二环形压电陶瓷12设置于传感臂4中，导磁回路能够使第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶瓷12伸长或者缩短，从而带动参考臂3与传感臂4的相位差发生变化，将导磁回路套在被测线路中，被测线路通电后，导磁回路产生感应电动势，并分别为第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶12提供驱动电信号，(环形压电陶)PZT的伸缩量与感应电压成正比，窄线宽激光器1发出的光通过第一3dB耦合器2分成强度相等的第一相干光和第二相干光，在导磁回路的作用下第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶的伸长或者缩短使参考臂3与传感臂4的相位差发生变化，马赫曾德尔干涉仪将第一环形压电陶瓷11和第二环形压电陶伸缩量引起光相位的变化转化为干涉信号强度的变化，然后信号处理单元完成光电转换后将提取的电信号送入信号处理单元实现对待测信号的处理，完成信号的波形和幅值测试，与传统使用马赫-泽德尔干涉仪相比本发明引出了差值远高于传统干涉仪，从而能够有效提高光纤电流互感器测试的精度。

在一个优选的实施例中，第一环形压电陶瓷11的正极与导磁回路的第一端电连接，第一环形压电陶瓷11的负极与导磁回路的第二端电连接，第二环形压电陶瓷12的负极与导磁回路的第一端电连接，第二环形压电陶瓷12的正极与导磁回路的第二端电连接，由于第一环形压电陶瓷11通入正向电压伸长，第二环形压电陶瓷12通入反向电压收缩。在电流磁场的作用下环形压电陶瓷(PZT)的伸缩使光纤产生应变，应变导致参考臂3和传感臂4传输光的相位差发生变化，最后通过解调系统解调出来还原被测信号，并且与传统使用马赫-泽德尔干涉仪相比本发明引出了差值是传统干涉仪的两倍，使得被测电流精度提高。

在一个优选的实施例中，导磁回路包括环形硅钢片7、感应线圈8、第一电路9和第二电路10，感应线圈8绕制在环形硅钢片7上，环形硅钢片7用于套设在被测线路13外，第一电路9用于与一环形压电陶瓷电连接，第二电路10用于与第二环形压电陶瓷12电连接，将环形硅钢片7套在被测线路13中，被测导线通电后，制在环形硅钢片7上的感应线圈8产生感应电动势，并通过第一电路9驱动第一环形压电陶瓷11伸缩，通过第二电路10驱动第一环形压电陶瓷11伸缩，环形硅钢片7起前端取电的作用。

在一个优选的实施例中，参考臂3和传感臂4均为单模光纤，具有低双折射特性，传输性能好、频带很宽、具有较好的线性度。

在一个优选的实施例中，为了减小系统输出信号的衰落，获得线性的输出，相位差固定在π/2处。当两束幅值、频率均相同的光相位差为π时，叠加起来得到的光强为0，经过光电转换器6(PD)解调出来得到的直流电压u为0。当两束幅值、频率均相同的光相位差为π/2时，叠加起来得到的光强不为零且此时干涉效果最好，经过PD解调出来得到的直流电压为稳定的数值u。

在一个优选的实施例中，信号处理单元还包括直流量反馈系统，直流量反馈系统能够根据信号处理单元解调出来得到的直流电压的数值来校正温度系数以避免环境温度影响测量精度，两束光波相遇产生干涉的必要条件是：频率相同；光矢量的振动方向相同；在相遇处的相位差保持恒定。其中，最重要的条件就是使得相位差保持恒定。由于本发明中Mach-Zehnder中的参考臂和传感臂都会使相位发生变化，因此，防止环境温度对相位差的影响是非常有必要的。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。