CN102539874A - 一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器及温度自动跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器及温度自动跟踪方法，属于光电领域，本发明为解决现有为剔除对FBG随温度漂移的影响，采用配置额外光纤光栅，这种方案增加了系统的成本和结构的复杂性的问题。本发明包括DFB激光器、耦合器、光电放大器、FPGA采集调节模块、D/A转换器和激光器温控电路，DFB激光器发射的激光经耦合器入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经光电放大器放大后，转换成电信号给FPGA采集调节模块，FPGA采集调节模块对所述电信号进行PID调节，输出控制电压命令，通过激光器温控电路控制DFB激光器的内部温度，使DFB激光器的中心波长随光纤光栅的波长同步漂移。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器及温度自动跟踪方法，属于光电领域。
背景技术
光纤电流互感器(Optical current transformer，OCT)是电流传感与监测领域中的新技术，对于电力计量与保护具有重要的意义。光纤电流互感器所表现出的无爆炸、无磁饱和、无滞后、体小质轻等优点，得到了许多研究者的认可和关注。目前广泛被关注的光纤电流互感器主要是基于法拉第磁光效应传感方案，这种传感方案受线性双折射问题的影响，同时也受环境温度因素的影响。光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术是光纤传感中可靠性最高、实用性最强并可波分复用的传感技术。基于光纤光栅和超磁致伸缩材料(GMM)制成的光纤光栅电流互感器，可能成为光学电流互感器的新选择方案，光纤光栅和超磁致伸缩材料有较大的磁滞伸缩系数和较宽的频率响应范围，而FBG仅对应变和温度敏感，由导磁回路将导线电流产生的磁场导入GMM中，GMM在磁场作用下的应变由FBG感知并解调该信号将是该方案的技术路线。
近年来，国内外很多学者关注了基于GMM-FBG的光纤电流互感器，有文献研究了直流磁场下，应用蒙乃尔合金与GMM具有相同的热膨胀系数这一事实消除温度的影响。也有研究者应用螺线管产生的磁场研究了GMM-FBG系统对磁场的强度响应及温度影响水平。国内也有应用匹配光栅方法解调FBG，剔除温度对FBG随温度漂移的影响。上述剔除温度影响方法需要额外配置光纤光栅，同时增加了系统的成本和结构的复杂性。
发明内容
本发明目的是为了解决现有为剔除对FBG随温度漂移的影响，采用配置额外光纤光栅，这种方案增加了系统的成本和结构的复杂性的问题，提供了一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器及温度自动跟踪方法。
本发明所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，它包括DFB激光器、耦合器、光电放大器、FPGA采集调节模块、D/A转换器和激光器温控电路，
DFB激光器发射的激光经耦合器入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器输出至光电放大器，光电放大器将输入的光信号转换成电信号并输出给FPGA采集调节模块，FPGA采集调节模块的反馈调节信号输出端与D/A转换器的数字信号输入端 相连，D/A转换器的模拟信号输出端与激光器温控电路的输入端相连，激光器温控电路的输出端与DFB激光器的温度控制端相连。
FPGA采集调节模块内部构建有数据采集卡、低通滤波器和PID调节模块，
数据采集卡采集光电放大器输出的电信号，数据采集卡的输出端与低通滤波器输入端相连，低通滤波器的输出端与PID调节模块的输入端相连，PID调节模块输出反馈调节信号。
基于上述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的温度自动跟踪方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、DFB激光器发射的激光经耦合器入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器输出至光电放大器，由光电放大器将输入的光信号转换成电信号并放大输出；
步骤二、FPGA采集调节模块中的数据采集卡采集放大后的电信号，所述放大后的电信号包括交流分量和直流分量；
步骤三、低通滤波器滤除所述放大后的电信号的交流分量，输出直流分量；
步骤四、PID调节模块根据设定的静态工作点电压及步骤三获取的直流分量获得DFB激光器的内部温度调节的数字量控制电压信号，
上述PID调节模块获得数字量控制电压信号的过程为：
按公式
获得的数字量控制电压信号P(K)，
其中，Kp为比例系数，Kp＝2，
KI为积分时间常数，KI＝16，
KD为微分时间常数，KD＝36，
E(k)为第k次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，k＝1，2，...，n，n为自然数，且大于5，E(k)采用公式
E(k)＝|uk-UT|，
获得，式中，uk为第k次采集的直流分量，UT为设定的静态工作点电压，UT取 3V～6V，
E(k-1)为第k-1次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，E(k-1)＝|uk-1-UT|，其中，uk-1为第k-1次采集的直流分量，
E(j)为第j次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，且j＝0，1，2，...，k，
所述数字量的控制电压信号P(K)由D/A转换器转换为模拟量的电压信号，并通过激光器温控电路输出温度控制信号来控制DFB激光器的内部温度，使得DFB激光器的中心波长随光纤光栅的波长同步漂移。
本发明的优点：
1、应用FBG与GMM结合作为传感器探头，应用导磁材料构建磁路系统，利用DFB激光器解调FBG，实现了电流的传感与测量。在电流传感器环境温度不变的情况下，能够实现交流信号的实时检测，并且测量信号与输入信号幅值满足一定的线性关系，没有相位差。
2、当电流互感器的外界环境温度发生变化时，光纤光栅就会发生漂移，如图2所示，这样会造成静态工作点的漂移，使解调输出信号失真。FBG在测量交流信号时，利用DFB激光器的可调谐特性实现静态工作点自动跟踪光纤光栅的漂移，锁定静态工作点，剔除了温度对电流测量的影响。
设定环境温度变化范围从22℃到38℃，当电流传感光栅受温度影响发生漂移时，光电放大的输出偏离了静态工作点，此时自动调节DFB激光器控制电压，使DFB激光器跟踪光栅的温度漂移，保持光电放大的输出始终始终是5V(静态工作点输出值)，即剔除了温度对光纤光栅的影响。温度和控制电压随时间变化曲线如图4所示，两者具有很好的一致性。实验结果表明本发明所述装置很好的实现了温度自动跟踪功能，静态工作点A的输出电压5V在整个温度变化过程中输出恒定，最大偏差小于1％，如图5所示。整个温度跟踪试验进行了1小时30分钟，系统工作状态稳定，对温度实验进行了反复测试，具有很好的重复性。
附图说明
图1是本发明所述具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的结构示意图；
图2是激光器解调原理曲线图，图中L1为DFB激光器光谱曲线，L2为光栅光谱曲线，L3为解调信号曲线，L4为应变信号曲线；
图3是激光器参考电压与中心波长的关系曲线图；
图4是控制电压与温度随时间变化曲线图，图中U为控制电压，T为光纤光栅温度；
图5是静态工作点输出电压随时间变化曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，它包括DFB激光器1、耦合器2、光电放大器3、FPGA采集调节模块4、D/A转换器5和激光器温控电路6，
DFB激光器1发射的激光经耦合器2入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器2输出至光电放大器3，光电放大器3将输入的光信号转换成电信号并输出给FPGA采集调节模块4，FPGA采集调节模块4的反馈调节信号输出端与D/A转换器5的数字信号输入端相连，D/A转换器5的模拟信号输出端与激光器温控电路6的输入端相连，激光器温控电路6的输出端与DFB激光器1的温度控制端相连。
激光器温控电路6选用LTC1923专用温度控制芯片来实现。
本发明提出了一种基于分布式反馈半导体(DFB Distributed Feedback Laser)激光器的高精度解调方法，由于FBG对应力和温度交叉敏感，本发明利用DFB激光器波长可调谐特性，自动跟踪FBG-GMM的工作点随温度漂移，在自动锁定系统解调工作点的同时，剔除了温度对电流互感器的影响，同时获得了温度信息。
应用DFB激光器(Distributed Feedback Laser)1解调光纤光栅，实际上是利用DFB激光器1的窄线宽特性解调FBG，即使DFB激光器入射到光栅边带的中点，使光电放大的输出直流分量恒定不变。使用数据采集卡采集光电放大器的输出，光电放大输出包含被测交流分量和直流分量，通过数字滤波滤掉交流分量，保留直流分量，在上位机上通过C++编程实现PID算法，把采集进来的直流量与设定值比较，根据偏差调整DFB激光器控制电压，调谐DFB激光器中心波长，使光电放大输出稳定。当外界温度变化时，光纤光栅随温度变化中心波长发生漂移，通过PID算法和DFB激光器波长可调谐特性，使DFB激光器自动跟踪光纤光栅中心波长变化，锁定工作点，剔除了温度对光纤光栅的影响，进而剔除了温度对光纤光栅电流互感器的影响。
DFB激光器1最大特点是光谱线宽窄。本发明利用DFB激光器1的窄线宽特性解调光纤光栅，实现动态信号检测。DFB激光器1作为窄带光源，通过调整DFB激光器1内部的温度改变激光器的波长。当激光入射到光纤光栅边带曲率半径最大处A点时，如图2示，A点附近的线性度最好，称A点位静态工作点。当光栅在应力或温度的作用下波长发生变化，即向左或者向右漂移时，将得到不同的电压输出信号。在交变磁场作用下按正弦信号变化，当输入信号很小时，认为光纤光栅边带在小范围内是线性的，在光电放大输出端将得到正弦输出信号L3。
光纤光栅电流互感器是应用光纤光栅对应力敏感实现电流测量的，由于温度的变化引起中心波长的飘移将造成测量结果不准确，为此当温度变化引起波长飘移时，通过调谐DFB激光器1的中心波长，使DFB激光器1跟随光纤光栅同步飘移，即锁定静态工作点A，即可剔除温度对光纤光栅中心波长的影响，同时可以获得温度信息。
DFB激光器1是通过内部沿纵向等间隔分布的布拉格光栅来实现光的反馈。当有电流注入时，空穴和电子在有源区内复合，辐射出一定能量的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射，所以称之为分布反馈。当温度或注入电流发生变化时，内置光栅的间距就会发生变化，致使DFB激光器1的波长改变，这就起到改变激光器中心波长的作用。本系统采用控制激光器内部温度实现波长可调谐，采用负反馈闭环控制系统，通过控制激光器温控电路6的参考电压来控制DFB激光器1内部温度和中心波长，如图3所示，横坐标为控制DFB激光器1中心波长的控制电压，纵坐标为DFB激光器1中心波长，两者具有很好的线性关系。通过改变DFB激光器1内部的温度实现了波长可调谐。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括激光器驱动电路7，激光器驱动电路7用于驱动DFB激光器1工作。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括示波器8，光电放大器3显示输出端与示波器8的显示输入端相连。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，FPGA采集调节模块4内部构建有数据采集卡4-1、低通滤波器4-2和PID调节模块4-3，
数据采集卡4-1采集光电放大器3输出的电信号，数据采集卡4-1的输出端与低通滤波器4-2输入端相连，低通滤波器4-2的输出端与PID调节模块4-3的输入端相连，PID调节模块4-3输出反馈调节信号。
数据采集卡4-1选用型号为AD7202的数据采集卡。
具体实施方式五：下面结合图1至图5说明本实施方式，基于实施方式四所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的温度自动跟踪方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、DFB激光器1发射的激光经耦合器2入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器2输出至光电放大器3，由光电放大器3将输入的光信号转换成电信号并放大输出；
步骤二、FPGA采集调节模块4中的数据采集卡4-1采集放大后的电信号，所述放大后的电信号包括交流分量和直流分量；
步骤三、低通滤波器4-2滤除所述放大后的电信号的交流分量，输出直流分量；
步骤四、PID调节模块4-3根据设定的静态工作点电压及步骤三获取的直流分量获得DFB激光器1的内部温度调节的数字量控制电压信号，
上述PID调节模块4-3获得数字量控制电压信号的过程为：
按公式
获得的数字量控制电压信号P(K)，
其中，Kp为比例系数，Kp＝2，
KI为积分时间常数，KI＝16，
KD为微分时间常数，KD＝36，
E(k)为第k次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，k＝1，2，...，n，n为自然数，且大于5，E(k)采用公式
E(k)＝|uk-UT|，
获得，式中，uk为第k次采集的直流分量，UT为设定的静态工作点电压，UT取3V～6V，
E(k-1)为第k-1次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，E(k-1)＝|uk-1-UT|，其中，uk-1为第k-1次采集的直流分量，
E(j)为第j次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，且j＝0，1，2，...，k，
所述数字量的控制电压信号P(K)由D/A转换器5转换为模拟量的电压信号，并通过激光器温控电路6输出温度控制信号来控制DFB激光器1的内部温度，使得DFB激光器1的中心波长随光纤光栅的波长同步漂移。DFB激光器1内部温度与激光器温控电路6的控制电压一一对应的，所以调解控制电压即可以改变激光器内部温度，进而实现DFB激光器1波长可调谐。
采用GMM-FBG作为电流传感器，应用DFB激光器1解调光纤光栅中心波长信息，DFB激光器1发出的光经耦合器2入射到光纤光栅，反射回来的光经电放大输出电信号。信号中含有直流分量和交流分量，直流分量是DFB激光器1入射到光纤光栅边带确定的静态工 作点输出电压，交流分量是被测电流信号。输出信号经过光电放大输出到示波器8，同时将信号输入到数据采集卡4-1中，将模拟量转变成为数字量，进行低通数字滤波及PID调节，滤除输出信号中的交流分量，将采集到的直流分量与静态工作点对应的电压值进行比较，并按公式 进行调节，当测量值与设定值有偏差时，通过调整送给D/A转换板的数字量来调整模拟量的输出，调整激光器温度控制电路6的参考电压，每次调整的数字量对应模拟量为0.00V，对应DFB激光器1的中心波长变化4pm，通过调整LTC1923的控制电压来改变DFB激光器1的内部温度，进而实现DFB激光器1波长可调谐。实现调节DFB激光器1中心波长的目的，使光电放大板的输出恒定在设定值，即稳定静态工作点A。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤四中设定的静态工作点电压UT＝5V。根据实验结果确定静态工作点A的输出电压为5V时效果最好。
Claims (8)
1.一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，它包括DFB激光器(1)、耦合器(2)、光电放大器(3)、FPGA采集调节模块(4)、D/A转换器(5)和激光器温控电路(6)，
DFB激光器(1)发射的激光经耦合器(2)入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器(2)输出至光电放大器(3)，光电放大器(3)将输入的光信号转换成电信号并输出给FPGA采集调节模块(4)，FPGA采集调节模块(4)的反馈调节信号输出端与D/A转换器(5)的数字信号输入端相连，D/A转换器(5)的模拟信号输出端与激光器温控电路(6)的输入端相连，激光器温控电路(6)的输出端与DFB激光器(1)的温度控制端相连。
2.根据权利要求1所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，它还包括激光器驱动电路(7)，激光器驱动电路(7)用于驱动DFB激光器(1)工作。
3.根据权利要求1所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，它还包括示波器(8)，光电放大器(3)显示输出端与示波器(8)的显示输入端相连。
4.根据权利要求1所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，激光器温控电路(6)选用LTC1923专用温度控制芯片来实现。
5.根据权利要求1所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，FPGA采集调节模块(4)内部构建有数据采集卡(4-1)、低通滤波器(4-2)和PID调节模块(4-3)，
数据采集卡(4-1)采集光电放大器(3)输出的电信号，数据采集卡(4-1)的输出端与低通滤波器(4-2)输入端相连，低通滤波器(4-2)的输出端与PID调节模块(4-3)的输入端相连，PID调节模块(4-3)输出反馈调节信号。
6.根据权利要求5所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器，数据采集卡(4-1)选用型号为AD7202的数据采集卡。
7.基于权利要求5所述一种具有温度自动跟踪功能的光纤光栅电流互感器的温度自动跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、DFB激光器(1)发射的激光经耦合器(2)入射至光纤光栅中，光纤光栅反射出来的光束经耦合器(2)输出至光电放大器(3)，由光电放大器(3)将输入的光信号转换成电信号并放大输出；
步骤二、FPGA采集调节模块(4)中的数据采集卡(4-1)采集放大后的电信号，所述放大后的电信号包括交流分量和直流分量；
步骤三、低通滤波器(4-2)滤除所述放大后的电信号的交流分量，输出直流分量；
步骤四、PID调节模块(4-3)根据设定的静态工作点电压及步骤三获取的直流分量获得DFB激光器(1)的内部温度调节的数字量控制电压信号，
上述PID调节模块(4-3)获得数字量控制电压信号的过程为：
按公式
获得的数字量控制电压信号P(K)，
其中，Kp为比例系数，Kp＝2，
KI为积分时间常数，KI＝16，
KD为微分时间常数，KD＝36，
E(k)为第k次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，k＝1，2，...，n，n为自然数，且大于5，E(k)采用公式
E(k)＝|uk-UT|，
获得，式中，uk为第k次采集的直流分量，UT为设定的静态工作点电压，UT取3V～6V，E(k-1)为第k-1次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，E(k-1)＝|uk-1-UT|，其中，uk-1为第k-1次采集的直流分量，
E(j)为第j次采集的直流分量与设定的静态工作点电压的偏差，且j＝0，1，2，...，k，
所述数字量的控制电压信号P(K)由D/A转换器(5)转换为模拟量的电压信号，并通过激光器温控电路(6)输出温度控制信号来控制DFB激光器(1)的内部温度，使得DFB激光器(1)的中心波长随光纤光栅的波长同步漂移。
8.根据权利要求7所述光纤光栅电流互感器的温度自动跟踪方法，其特征在于，步骤四中设定的静态工作点电压UT＝5V。
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