本发明专利技术提供一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器及其控制方法，控制所述光源的管芯在设定的工作温度以及驱动电流下工作，能解决光源的输出光功率衰减和平均波长不稳定的问题，确保对光源进行恒功率和恒波长控制；控制所述集成波片器件在设定的目标温度下工作，能降低现有λ/4波片的温度变化和温致应力导致的误差，以实现波片相位延迟角的长期稳定及波片相位延迟角与传感器系统参数的最优化适配。针对光路平均波长漂移问题，通过引入光谱采集模块，实时监测光路平均波长，对波长相关误差进行二次修正。通过以上三个层次的改进，本申请方案能对FOCS测量精度长期漂移误差进行抑制。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光纤传感测量器件，具体地，涉及一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器及其控制方法。
技术介绍
1、光纤电流传感器(fiber optical current sensor，简称为focs)具有测量精度高、频响范围宽、动态范围大、绝缘性能好等优点，目前已成为智能变电站建设的关键设备。
2、focs可分为光路部分和检测电路部分。光路部分由光源、光纤耦合器/光纤环形器、光纤起偏器、相位调制器、光电探测器、保偏光纤延时环、保偏传输光纤、λ/4波片和传感光纤组成。检测电路部分由光源控制电路、信号处理单元组成。由于采用了大量的半导体器件和光纤材料，在长期使用过程中，focs的测量精度受到内部因素和外部因素的双重影响，其中内部因素主要包括光源输出光功率衰减、光路中心波长的漂移和光路损耗变化等，外部因素主要包括环境温度变化和振动冲击等外部作用所导致的光纤折射率分布改变，进而影响到光路中关键元件的性能。作为focs的关键光学元件，λ/4波片在长期工作过程中会同时受到平均波长漂移和温度变化的影响，其中平均波长的长期漂移会改变波片光纤的传播常数，使其相位延迟角变化，这是内部因素作用的结果；温度变化不仅改变了波片光纤的传播常数，同时也会通过波片封装材料将一部分温致应力传递到波片光纤上，使其相位延迟角改变，这是内部因素和外部因素叠加作用的结果。
3、综上，focs测量精度长期漂移现象的作用机理复杂，现有的误差补偿技术未曾考虑关键光学元件在长期使用过程中因性能劣化而产生的测量误差，难以满足长期使用所带来的额外误差的修正需求。</p>
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于现有focs测量精度存在长期漂移和可靠性较低，进而提供一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器及其控制方法。
2、第一方面，本专利技术提供一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，包括：
3、光路模块，包括顺序连接的：光源、光纤耦合器、光纤起偏器和光谱采集模块、相位调制器、集成波片器件和光电探测器；其中，所述集成波片器件包括λ/4波片、热敏电阻、石英基底、半导体制冷器、热沉和壳体；所述光源发出的光进入所述光纤耦合器，所述光纤耦合器的一个输出端与所述光纤起偏器连接，所述光纤耦合器的另一输出端与所述光谱采集模块连接，所述光谱采集模块采集所述光纤耦合器输出端的光谱信息；
4、光纤传感环，包括传感光纤和反射镜，所述传感光纤的一端连接于所述集成波片器件，所述传感光纤的另一端设置所述反射镜；所述传感光纤围绕于载流导线外部，所述载流导线传输被测电流；
5、电路模块，包括第一控制单元和第二控制单元，其中：
6、所述第一控制单元与所述光电探测器连接，接收所述光电探测器输出的电信号并解析得到载流导体电流值和所述光电探测器接收的光功率值，所述光功率值用于确定所述相位调制器的调制信号；
7、所述第二控制单元包括：
8、光源控制电路，控制所述光源的管芯在设定的工作温度以及驱动电流下工作，使所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率；
9、集成波片器件控制电路，根据所述热敏电阻的阻值确定所述集成波片器件的实际温度，控制所述半导体制冷器的工作温度以使所述集成波片器件在目标温度下工作；
10、传感光纤温度采集电路，获取所述传感光纤的温度值；
11、所述光谱采集数字输出信号转换模块接收所述光谱采集模块采集的所述光谱信息并解析得到光谱数据；
12、第二信号处理子单元，根据所述载流导体电流值、所述传感光纤的温度值、所述光谱数据及所述光功率值，结合其内预置的数据对应关系列表得到修正后的解调电流值；所述数据对应关系为根据标定试验得到的载流导体电流值、传感光纤的温度值、光功率值和解调电流值的对应关系。
13、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，还包括保偏光纤延时环：
14、所述相位调制器的输出端光纤与所述保偏光纤延时环的输入端光纤采用0°对轴连接，所述保偏光纤延时环的输出端光纤与所述集成波片器件的输入端光纤采用0°对轴连接。
15、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，所述光纤起偏器的输出端光纤与所述相位调制器的输入端光纤采用45°对轴连接。
16、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，所述集成波片器件的输出端光纤与所述传感光纤采用0°对轴连接。
17、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，还包括：
18、温度传感器，所述温度传感器用于探测所述传感光纤的温度值并将其发送至所述传感光纤温度采集电路。
19、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，所述第一控制单元还包括：
20、前置放大电路，其输入端接收所述光电探测器输出的所述电信号并放大成电压信号；
21、a/d转换电路，将所述电压信号转换为数字信号；
22、第一信号处理子单元，接收所述数字信号并解析出所述载流导体电流值和所述光功率值，同时生成相位反馈信号对应的数字量数值；所述第一信号处理子单元输出所述载流导体电流值；
23、d/a转换电路，接收所述相位反馈信号对应的数字量数值，并将其转换为模拟信号，所述模拟信号作为调制信号施加于所述相位调制器。
24、第二方面，本申请技术方案提供一种第一方面任一项技术方案所述鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，包括：
25、控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率；
26、控制集成波片器件的温度在目标温度，所述目标温度使所述集成波片器件在温度下的测量误差与所述传感光纤在相同温度下的测量误差大小相等、符号相反；
27、对所述集成波片器件的波长漂移和传感光纤的波长漂移进行误差补偿修正。
28、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，所述控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率，包括：
29、建立光源控制模型，所述光源控制模型包括光源的输出光功率、平均波长以及管芯温度和驱动电流之间的对应关系；
30、根据所述光源控制模型，通过控制所述光源的管芯温度和驱动电流，使所述光源输出的平均波长恒定在所述设定平均波长，所述光源的输出光功率恒定在所述预设功率。
31、一些方案中所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，所述控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率，还包括：
32、根据光谱采集模块采集到的光谱数据，得到光源实测波长；
33、获取所述实测波长和所述设定平均波长的差值；
34、结合预设多维参数模型以及所述差值，调节所述光源的管芯温度和驱动电流，使本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，还包括保偏光纤延时环：
3.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，还包括：
6.根据权利要求1-5任一项所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，所述第一控制单元还包括：
7.一种权利要求1-6任一项所述鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率，包括：
9.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率，还包括：
10.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述控制集成波片器件的温度在目标温度，所述目标温度使所述集成波片器件的测量误差与所述传感光纤的测量误差大小相等、符号相反，包括：
11.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述对所述集成波片器件的波长漂移和传感光纤的波长漂移进行误差补偿修正，包括：
12.根据权利要求11所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述对所述集成波片器件的波长漂移和传感光纤的波长漂移进行误差补偿修正，还包括：
13.一种权利要求1-6任一项所述鲁棒增强型高精度光纤电流传感器中的集成波片器件的封装工艺，其特征在于，包括：
14.根据权利要求13所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器中的集成波片器件的封装工艺，其特征在于：
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【技术特征摘要】
1.一种鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，还包括保偏光纤延时环：
3.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，还包括：
6.根据权利要求1-5任一项所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器，其特征在于，所述第一控制单元还包括：
7.一种权利要求1-6任一项所述鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特征在于，所述控制光源的管芯温度和驱动电流，以确保所述光源的平均波长保持在设定平均波长，光源的输出光功率恒定在预设功率，包括：
9.根据权利要求7所述的鲁棒增强型高精度光纤电流传感器的控制方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：常晓月，李建光，李雨辰，王强龙，刘东伟，肖浩，
申请(专利权)人：北京世维通光智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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