基于虛擬儀器的光纖電流感測系統的設計

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為光纖的費爾徳常數，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。