基于虚拟仪器光纤电流感测系统的设计

摘要：  虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，仪器模块中的数据采集卡、GPIB卡、 VXI模块等用于信号的输入输出。

关键字：  虚拟仪器，  传感器，  光纤

1.引言

虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，仪器模块中的数据采集卡、GPIB卡、 VXI模块等用于信号的输入输出。

虚拟仪器具有很强的分析处理能力，随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大，同一台虚拟仪器可在更多的场合使用。LabVIEW是美国NI公司开发的虚拟仪器开发平台软件。 LabVIEW有丰富的库函数和功能模块，并且可以方便地与Matlab、C等通用编程语言进行通信，以满足各种需求[1][2]。

光纤电流传感器，是为了提供电力工业等使用高电压电流之企业与工厂，对于持续运作设备需要高度可靠性之需求而发展出来的。光纤电流传感器从早期使用检偏器来测量线偏振光对磁场的相位变化量;之后提出使用光纤作为感测电流磁场的组件，但是由于光纤本身对于磁场产生相位变化之系数(费尔德常数)很小，所以直接量测并不够准确，进而改用干涉式来将相位变化量转成为光能量变化，从而通过观察光能量的变化来推算相位变化与电流大小。使用干涉方式将相位信号转换为光能量变化，而相位变化也从主动解调转为被动解调，这是因为主动调变比较容易受到影响，而且有能量消耗，藉此减少从主动解调部分产生的噪声[3][4] [5]。本文所设计的基于虚拟仪器技术的光纤电流是一种新型电流测量系统，它把虚拟仪器技术应用到光纤式电流互感器中，可用于测量母线电流，实时显示测量信号的参数和波形，可对测量数据进行分析、存储。

2. 光纤电流感测系统的硬件组成

图1 基于虚拟仪器的光纤电流感测系统

如图1所示是整个硬件系统的方框图。光纤电流感测系统输出的光纤干涉信号经过光电转换电路变成电信号，再由数据采集卡收集信号数据传输到虚拟仪器的软件系统。

2.1光纤电流感测基本原理

在本文光纤电流感测系统中，是利用法拉第(Faraday)效应来感测电流所产生的磁场强度。所谓法拉第效应就是电磁波经过一个磁场时，若磁场方向与光的传播方向平行，电磁波会因为磁场的影响，产生出射的线偏振光的偏振平面相对入射偏振光的偏振平面的旋转，而且此偏振光的偏振平面的旋转量与磁场强度和电磁波在磁场中行进距离成正比。而磁场对电磁波的这种影响称为法拉第效应，这种影响是电磁场固有的特性，由物理学家法拉第发现，并由此命名。

因此在系统中，我们将光纤缠绕在待测电流上，使光纤与磁场方向互相平行，使有效的法拉第效应最大，由于光也是电磁波，所以光在磁场中会受法拉第效应影响产生相位旋转，而根据旋转的量，可以计算待测磁场的大小。在此系统中，是利用电流来产生磁场，传播的线偏振光的偏振方向所发生的总的偏转角为：

(1)

这里V为光纤的费尔徳常数，l为受法拉第效应影响的光纤长度，而Hl为平行光纤行进方向的磁场分量。根据安培定律以光纤环状缠绕待测电流，公式(1)经过环积分运算为

(2)

N为光纤缠绕圈数，i为待测电流强度，因此θF为光纤缠绕圈数与待测电流的函数。

从上面分析可知，在闭合光路的条件下，通过光纤并环绕截流导线的线偏振光的偏振角的变化，与光纤所围的电流成正比。

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2.2光纤电流感测光路系统

图2 光纤电流感测光路系统

光纤电流感测光路如图2所示，由激光接上光隔离器、光消偏振器、光循环器、光偏振器、四分之一波长板、法拉第旋转器、感测头、法拉第反射镜组合而成。在激光输出端，通常都会接上一个光隔离器，光隔离器是只允许光波单方向传输组件，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，而影响激光的正常操，甚至烧毁激光。激光输出的光既不是纯粹偏振光，也不是非偏振光，而是有残余部分偏振状态偏振光。由于这样的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通过光偏振器产生的线性偏振光能量也会随着通过之偏振光与光偏振器之夹角而变化。

为了要避免这种光能量因偏振光与光偏振器之角度变化产生光功率变化的情况，在系统中使用消光偏振器来消除激光的偏振状态，从而产生一个无偏振状态的光源，对于各个方向都含有相同的能量，在经过光路后光偏振器而产生稳定之偏振光，从而使系统响应信号的强度噪声降低。光循环器是利用法拉第原理，使得光在光纤路径上不会相互的耦合，具有单向传输的特性，并且具有隔离器的功能。系统中的光偏振器的作用是产生线性偏振光，并且产生四十五度角分光，使两道光在X方向与Y方向中行进，并且在偏振保持光纤中X方向与Y方向具有相同光能量;而四分之一波长板是将线性偏振光转换成左旋圆偏振光与右旋偏振化光。对电流的感应是在光纤感测头部分，此系统中的感测头为将光纤以相同距离缠绕电流上，这是希望光纤上每一点都对磁场有相同的相位变化，而且每一点所产生的弯曲损耗也都相同。

最后使用法拉第反射镜，将光予以反射，法拉第反射镜可以将光旋转九十度，从而对于在不同路径上行走的光，旋转九十度而达到交换路径，而达到补偿温度或是振动造成的光纤折射率之缓慢变化。

光经过光隔离器，光解偏振器，光循环器，光偏振器，四分之一波长板，感测头，法拉第反射镜之后在反向经过光纤电流感测头，四分之一波长板，光偏振器，完成一个回路;在光偏振器的地方产生干涉，由光电转换电路将干涉光转成电信号之后，在进行信号分析。

3. 光纤电流感测虚拟软件系统

本光纤电流感测系统的虚拟软件采用NI公司的LabVIEW开发平台，用图形化语言，根据需要编写相关的驱动程序使其于计算机通信，然后将相关的图形或图标进行连接，选择合理的方法及参数就可以构成一种新的虚拟仪器。软件系统具有良好的人机界面，操作简单方便。LabVIEW是一种基于图形编程语言(G语言)的开发环境。它与C、Pascal、Basic等传统编程语言有着诸多相似之处如，相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程;而LabVIEW使用图形语言(即，各种图标、图形符号、连线等)以框图的形式编写程序。用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此LabVIEW对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。

3.1虚拟软件系统功能

本虚拟软件将有关测试功能集成在一个面板上，这里着重介绍LabVIEW的框图程序设计。框图程序是虚拟仪器的核心部分，虚拟示波器仪器主要由它来完成数据的采集、处理和显示。本系统框图程序主要包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析和波形存储及回放等5大功能模块，如图3示。

图3 光纤电流虚拟软件测量系统

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3.1.1 数据采集模块

LabVIEW完整地集成了与GPIB、VXI、RS-232、RS-485和内插式数据采集卡等硬件的通信内置程序库，提供了大量的连接机制，通过 DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码或软件系统的连接。本系统直接调用LabVIEW的端口操作图标InPortvi和 OutPort.vi进行编程。 这两个函数存放在功能模块的Advanced子模板的下一级模板Memor模板中，分别完成从设备的物理地址直接读取和输出数据的功能。只要清楚数据采集卡每个信道的物理地址，通过对InPort.vi和OutPort.vi的端口参数设置，可以很方便地实现 LabVIEW驱动控制数据采集卡进行数据采集。这里我们采用PCI21200数据采集卡。该模块采样频率可以在1Hz到250MHz之间调节，时基即水平方向每格代表的时间可以在每格4ns (4ns/Division) 到每格20000s (20000s / Division)之间变化。

3.1.2 波形显示模块

软件提供了波形显示方式是通过显示通道选择按钮“A”和“B”，可以任意显示某一通道或两通道输入信号一起显示的波形。

3.1.3 参数测量模块

参数测量模块包括电流、电压参数和频率、周期等时间参数的测量并显示其测量结果。

3.1.4 频谱分析模块

频谱分析模块采用快速FFT算法，完成频域信号分析。频谱分析功能：(1)提供了9种加窗的分析窗口;(2)完成了被测信号的幅值谱分析和功率谱分析。

3.1.5 数据存储模块

主面板“储存”与“读取”按键，能将有关数据储存到软盘或硬盘;或者从软盘或硬盘上读取的数据，自动显示波形并保留在显示窗口。

3.2 电流比差实验结果

在系统中，我们设计光纤部分电流测试的额定电流为500A，额定电压为50kV，用该虚拟仪器系统对光纤感应电流进行测量。用变压器模拟大电流，通过虚拟仪器进行数据处理，得到的比差数据见表1：

表1 比差试验数据

从比差实验结果来看，测试精度较高，能够满足实际要求。

4. 结束语

本文工作创新之处在于：

1.功能扩充。本光纤电流虚拟软件测试系统比传统的校验仪在功能上大大扩充了，这不仅给使用带来方便，而且从总体性能上也得到提高。可以通过具有储存示波器功能的波形显示得到直观、实时显示测量信号的参数和波形，可对测量数据进行分析、存储等处理，这是传统校验仪不能做到的。

2.可靠性高，运行稳定。大电流感测需要长期在室外运行，环境恶劣，信号处理部分的电子电路易受电磁干扰，而且还要受到温度的影响，所以运行不稳定。本光纤式电流感测系统具有绝缘结构简单、体积小、重量轻、无铁磁饱和、可行性高、灵敏度高、测量范围大、频带宽。引入虚拟仪器技术后，光纤产生的电流信号处理部分由LabVIEW软件程序完成，可靠性高，运行稳定。

3.灵活的开放性。根据用户的要求，可以随时修改 VI 程序，显示不同点的测量值，修改前面板的样式，调整程序的功能等。本VI程序可以作为一个子 VI被其他VI调用，与其他部分共同组成一个更复杂的VI程序，实现更加完善的测量功能。LabVIEW软件还能与matlab、C语言接口，通过 matlab和C语言程序加强数值分析处理能力。

光纤式电流感测技术是现代电流测量研究的热点，具有广泛的发展前景。在信息化要求不断提高的今天，将虚拟仪器应用到电流感测中是感测技术发展的趋势。