基于虛擬儀器的光纖電流感測系統

　　摘 要：利用LabVIEW虛擬儀器設計平臺，提出了基于虛擬儀器的光纖電流感測系統。該光纖電流感測系統利用法拉第效應來(lái)感測電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度，具有無(wú)磁滯、飽和之限制，性能足以滿(mǎn)足電流感測系統，適用于大范圍電流變化值之測量。通過(guò)虛擬技術(shù)對待測電流的波形亦可直接觀(guān)察，并可讀出，可方便進(jìn)行波形顯示、電流分析、儲存及處理。

　　1.引言

　　虛擬儀器是充分利用計算機技術(shù)，并可由用戶(hù)自己設計、定義的儀器。它通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成，儀器模塊中的數據采集卡、GPIB卡、 VXI模塊等用于信號的輸入輸出。虛擬儀器具有很強的分析處理能力，隨著(zhù)計算機技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)只能使用制造商提供的儀器功能的傳統觀(guān)念正在改變，而用戶(hù)自己設計、定義的范圍進(jìn)一步擴大，同一臺虛擬儀器可在更多的場(chǎng)合使用。LabVIEW是美國NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數和功能模塊，并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語(yǔ)言進(jìn)行通信，以滿(mǎn)足各種需求[1][2]。

　　光纖電流傳感器，是為了提供電力工業(yè)等使用高電壓電流之企業(yè)與工廠(chǎng)，對于持續運作設備需要高度可靠性之需求而發(fā)展出來(lái)的。光纖電流傳感器從早期使用檢偏器來(lái)測量線(xiàn)偏振光對磁場(chǎng)的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測電流磁場(chǎng)的組件，但是由于光纖本身對于磁場(chǎng)產(chǎn)生相位變化之系數（費爾德常數）很小，所以直接量測并不夠準確，進(jìn)而改用干涉式來(lái)將相位變化量轉成為光能量變化，從而通過(guò)觀(guān)察光能量的變化來(lái)推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號轉換為光能量變化，而相位變化也從主動(dòng)解調轉為被動(dòng)解調，這是因為主動(dòng)調變比較容易受到影響，而且有能量消耗，藉此減少從主動(dòng)解調部分產(chǎn)生的噪聲[3][4] [5]。本文所設計的基于虛擬儀器技術(shù)的光纖電流是一種新型電流測量系統，它把虛擬儀器技術(shù)應用到光纖式電流互感器中，可用于測量母線(xiàn)電流，實(shí)時(shí)顯示測量信號的參數和波形，可對測量數據進(jìn)行分析、存儲。

　　2. 光纖電流感測系統的硬件組成

　　圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測系統

　　如圖1所示是整個(gè)硬件系統的方框圖。光纖電流感測系統輸出的光纖干涉信號經(jīng)過(guò)光電轉換電路變成電信號，再由數據采集卡收集信號數據傳輸到虛擬儀器的軟件系統。

　　2.1光纖電流感測基本原理

　　在本文光纖電流感測系統中，是利用法拉第（Faraday）效應來(lái)感測電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度。所謂法拉第效應就是電磁波經(jīng)過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向平行，電磁波會(huì )因為磁場(chǎng)的影響，產(chǎn)生出射的線(xiàn)偏振光的偏振平面相對入射偏振光的偏振平面的旋轉，而且此偏振光的偏振平面的旋轉量與磁場(chǎng)強度和電磁波在磁場(chǎng)中行進(jìn)距離成正比。而磁場(chǎng)對電磁波的這種影響稱(chēng)為法拉第效應，這種影響是電磁場(chǎng)固有的特性，由物理學(xué)家法拉第發(fā)現，并由此命名。

　　因此在系統中，我們將光纖纏繞在待測電流上，使光纖與磁場(chǎng)方向互相平行，使有效的法拉第效應最大，由于光也是電磁波，所以光在磁場(chǎng)中會(huì )受法拉第效應影響產(chǎn)生相位旋轉，而根據旋轉的量，可以計算待測磁場(chǎng)的大小。在此系統中，是利用電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳播的線(xiàn)偏振光的偏振方向所發(fā)生的總的偏轉角為：

　（1）

　　這里V為光纖的費爾猿Ｊ，l為受法拉第效應影響的光纖長(cháng)度，而Hl為平行光纖行進(jìn)方向的磁場(chǎng)分量。根據安培定律以光纖環(huán)狀纏繞待測電流，公式（1）經(jīng)過(guò)環(huán)積分運算為

（2）

　　N為光纖纏繞圈數，i為待測電流強度，因此θF為光纖纏繞圈數與待測電流的函數。

　　從上面分析可知，在閉合光路的條件下，通過(guò)光纖并環(huán)繞截流導線(xiàn)的線(xiàn)偏振光的偏振角的變化，與光纖所圍的電流成正比。

　　2.2光纖電流感測光路系統

　　圖2 光纖電流感測光路系統

　　光纖電流感測光路如圖2所示，由激光接上光隔離器、光消偏振器、光循環(huán)器、光偏振器、四分之一波長(cháng)板、法拉第旋轉器、感測頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端，通常都會(huì )接上一個(gè)光隔離器，光隔離器是只允許光波單方向傳輸組件，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，而影響激光的正常操，甚至燒毀激光。激光輸出的光既不是純粹偏振光，也不是非偏振光，而是有殘余部分偏振狀態(tài)偏振光。由于這樣的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通過(guò)光偏振器產(chǎn)生的線(xiàn)性偏振光能量也會(huì )隨著(zhù)通過(guò)之偏振光與光偏振器之夾角而變化。為了要避免這種光能量因偏振光與光偏振器之角度變化產(chǎn)生光功率變化的情況，在系統中使用消光偏振器來(lái)消除激光的偏振狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個(gè)無(wú)偏振狀態(tài)的光源，對于各個(gè)方向都含有相同的能量，在經(jīng)過(guò)光路后光偏振器而產(chǎn)生穩定之偏振光，從而使系統響應信號的強度噪聲降低。光循環(huán)器是利用法拉第原理，使得光在光纖路徑上不會(huì )相互的耦合，具有單向傳輸的特性，并且具有隔離器的功能。系統中的光偏振器的作用是產(chǎn)生線(xiàn)性偏振光，并且產(chǎn)生四十五度角分光，使兩道光在X方向與Y方向中行進(jìn)，并且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而四分之一波長(cháng)板是將線(xiàn)性偏振光轉換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對電流的感應是在光纖感測頭部分，此系統中的感測頭為將光纖以相同距離纏繞電流上，這是希望光纖上每一點(diǎn)都對磁場(chǎng)有相同的相位變化，而且每一點(diǎn)所產(chǎn)生的彎曲損耗也都相同。最后使用法拉第反射鏡，將光予以反射，法拉第反射鏡可以將光旋轉九十度，從而對于在不同路徑上行走的光，旋轉九十度而達到交換路徑，而達到補償溫度或是振動(dòng)造成的光纖折射率之緩慢變化。

　　光經(jīng)過(guò)光隔離器，光解偏振器，光循環(huán)器，光偏振器，四分之一波長(cháng)板，感測頭，法拉第反射鏡之后在反向經(jīng)過(guò)光纖電流感測頭，四分之一波長(cháng)板，光偏振器，完成一個(gè)回路;在光偏振器的地方產(chǎn)生干涉，由光電轉換電路將干涉光轉成電信號之后，在進(jìn)行信號分析。

　　3. 光纖電流感測虛擬軟件系統

　　本光纖電流感測系統的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺，用圖形化語(yǔ)言，根據需要編寫(xiě)相關(guān)的驅動(dòng)程序使其于計算機通信，然后將相關(guān)的圖形或圖標進(jìn)行連接，選擇合理的方法及參數就可以構成一種新的虛擬儀器。軟件系統具有良好的人機界面，操作簡(jiǎn)單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它與C、Pascal、Basic等傳統編程語(yǔ)言有著(zhù)諸多相似之處如，相似的數據類(lèi)型、數據流控制結構、程序調試工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。但二者最大的區別在于：傳統編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程;而LabVIEW使用圖形語(yǔ)言（即，各種圖標、圖形符號、連線(xiàn)等）以框圖的形式編寫(xiě)程序。用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗，因為L(cháng)abVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖標，如各種旋鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等，界面非常直觀(guān)形象，因此LabVIEW對于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。

　　3.1虛擬軟件系統功能

　　本虛擬軟件將有關(guān)測試功能集成在一個(gè)面板上，這里著(zhù)重介紹LabVIEW的框圖程序設計?？驁D程序是虛擬儀器的核心部分，虛擬示波器儀器主要由它來(lái)完成數據的采集、處理和顯示。本系統框圖程序主要包括數據采集、波形顯示、參數測量、頻譜分析和波形存儲及回放等5大功能模塊，如圖3示。

　　圖3 光纖電流虛擬軟件測量系統