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我国自主研发新型光纤电流传感系统
佚名
【期刊名称】《《军民两用技术与产品》》
【年(卷),期】2012(000)004
【摘要】由湖北迅迪科技有限公司自主研发完成的“XDGDL-1光纤电流传感系统”通过了湖北省科技成果鉴定。
该项目总体技术处于国际先进水平，项目产品填补了国内空白，对我国冶金、化工等电解行业的大电流直流测量具有重大意义。
【总页数】1页(P39-39)
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.用于煤矿井下电流检测的新型光纤电流传感器设计 [J], 马天兵;杜菲;赵耀军
2.基于谐波检测的新型光纤甲烷传感系统 [J], 宋鹏;李奉泽;刘鉴
3.新型光纤光栅温度传感系统在电力测温中的应用 [J], 魏玉宾;侯培虎;刘统玉;王
昌
4.新型光纤pH传感系统的研制 [J], 范世福;陈莉
5.华工激光推出自主研发的新型光纤激光打标机 [J],
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![一种温度应变补偿型光纤电流传感器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/5d88990eb5daa58da0116c175f0e7cd18425189c.png)
专利名称：一种温度应变补偿型光纤电流传感器专利类型：发明专利
发明人：赵茗,袁宇波,刘森浩,戴锋,庞福滨
申请号：CN202111255179.1
申请日：20211027
公开号：CN114002473A
公开日：
20220201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种温度应变补偿型光纤电流传感器，首次将少模探测方法和扭转光纤结合应用于反射型光纤电流传感器，进一步优化光纤电流传感系统；采用匀速率扭转光纤代替普通的传感光纤，消除了光纤中线性双折射造成的误差，降低了其温度敏感性，提升了其抗应力作用，能够减小传感光纤受温度和应变的影响。
使用变速率扭转光纤代替四分之一波片，消除了四分之一波片的熔接误差和延迟误差，提高了系统的测量精度。
通过引入少模探测和扭转光纤的综合方案可以实现对温度和应变的准确测量和补偿，消除温度和应变误差对光纤电流传感器的影响，提高电流的测量精度。
此外，系统采用相干检测的方案，能够降低噪声对系统的影响。
申请人：华中科技大学,国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,国网江苏省电力有限公司
地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍：CN
代理机构：华中科技大学专利中心
代理人：夏倩
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物联网技术 2023年 / 第11期240 引 言温度作为反映系统状态的重要特征，是监测系统运行状况和工业生产情况的重要指标[1]，但是目前常用的温度监测系统在实际应用中还存在着诸多问题。
一是传统测温设备大多存在可靠性差、准确度低的缺点，并难以在腐蚀、高压、狭窄空间和强电磁干扰的环境中使用[2]。
应用最为广泛的热电偶、热电阻接触式测温技术，通过电信号获得温度值，但在强电磁干扰环境中使用受限[3]；红外测温等非接触式测温技术基于红外线在不同温度下的折射光线强度不同进行测温，但对工作环境有较高要求[4]。
二是目前常见的监测方案存在信息滞后、通信不便的“信息孤岛”问题，缺乏远距离实时多源监测的手段。
三是多数监测系统应用场景单一，智能化程度低。
传统的系统监控及运行一般以集中式或者分布式的SCADA 系统应用为主，在区域广、布线困难的区段，数据的获取会变得困难。
针对以上关键问题，本文基于光纤荧光测温技术，设计一种光纤荧光温度传感器，利用其耐腐蚀、强绝缘、免维护、抗电磁干扰和稳定性较好等特点[5]，提高测温的精度和准度，并解决其恶劣环境应用受限问题；通过无线桥接的方法，利用WiFi 模块对传感器进行组网，并基于“一套系统+N 个场景”的智慧系统设计框架，从感知层、传输层和应用层三方面进行创新，设计出一种使用范围广、集成化程度高的温度监测云平台系统。
1 系统总体设计基于光纤荧光技术的温度监测系统总体架构如图1所示，包括感知层、网络层和应用层。
感知层采用优化设计的光纤荧光测温传感器；网络层由网络管理系统、有线或无线数据网络组成，将传感器采集的温度信息通过网络传输给应用层；应用层由PC 端和云平台构成。
图1 温度监测系统总体架构1.1 感知层基于荧光光纤测温技术，优化设计一种小体积测温传感器，温度检测范围为-50～150 ℃，检测精度为±0.5 ℃。
着重进行光路和电路两方面设计，前者包括探头、光路耦合和光电探测器的选型和设计，后者着重对光源驱动电路和光电转换电路进行设计。
全光纤电流互感器中的TEC温控模块电路设计郭震; 宋一丁; 闫志辉【期刊名称】《《自动化仪表》》【年(卷),期】2019(040)012【总页数】5页(P41-45)【关键词】半导体激光器; 半导体热电制冷器; 温度控制; PID; ADN8834【作者】郭震; 宋一丁; 闫志辉【作者单位】许继电气技术中心河南许昌 461000【正文语种】中文【中图分类】TH710 引言随着电力系统的快速发展，电网电压等级大幅提高、传输功率的不断增大，传统的电磁式电流互感器由于其易饱和、故障响应时间慢、动态范围及频响范围小等缺点，在继电保护中的局限性日益凸显。
一种新型的全光纤电流互感器以其体积小、质量轻、测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰性能强等优点，将成为电子式电流互感器发展的重要方向。
全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应进行电流测量的。
其中，半导体激光器(laser diode,LD)是全光纤电流互感器中的核心器件。
其工作温度的稳定性与否对于光输出至关重要，将直接影响一次侧电流的采样精度。
因此，必须设计对LD进行温度控制的硬件电路模块，以保证全光纤电流互感器的正常工作。
1 激光器温度控制原理本文中用于温控的半导体激光器，采用的是北京世维通公司生产的型号为SPF0400的光器件。
该光器件内部集成了激光二极管、半导体热电制冷器(thermoelectric cooler，TEC)和负温度系数的热敏电阻。
其中：TEC是电流驱动型器件，可由压控电流源驱动。
该光器件上的压控引脚为温控电路模块提供专用的硬件接口。
TEC的工作原理是利用半导体材料的帕尔贴效应[1-2]，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，电偶的两端会出现一端吸热、一端放热的现象。
LD内部热电制冷器结构如图1所示。
图1 LD内部热电制冷器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the thermoelectric cooler in LDTEC的电偶臂为重参杂碲化铋的P型和N型半导体材料，使用导电和导热性都比较好的导电基片使之串联成一个单体。
中科院西安光机所荧光光纤温度传感器及测量系统项目取得新
进展
Scott
【摘要】@@ 由中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室研制、具有完全自主知识产权的荧光光纤温度传感器及测量系统近日完成小批量生产研究,并已提供给智能电网、生物医疗、石油化工、工业微波,电源管理、科学研究和军事国防等领域十多家单位应用,受到用户好评.
【期刊名称】《今日电子》
【年(卷),期】2010(000)011
【总页数】1页(P21)
【作者】Scott
【作者单位】
【正文语种】中文
由中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室研制、具有完全自主知识产权的荧光光纤温度传感器及测量系统近日完成小批量生产研究，并已提供给智能电网、生物医疗、石油化工、工业微波、电源管理、科学研究和军事国防等领域十多家单位应用，受到用户好评。
荧光光纤温度传感器及测量系统具有抗电磁干扰、高压绝缘、稳定可靠、高精度、高灵敏度、微小尺寸、长寿命及耐腐蚀、适应性好等特点，既可以采用接触式的测量方式，也可以采用非接触式的测量方式，非常适合应用于电力、医疗、石油化
工、工业微波、食品安全、科学研究和军事国防等领域的温度监测，是目前光纤单点测温领域成本最低、精度最高、稳定性最好、互换性最佳、可使用寿命最长的产品。
此次成功研制的荧光光纤温度传感器及测量系统具有完全自主知识产权，测温范围达到-50～500℃，最高测温精度达到±0.05℃，探头最小直径达到0.1mm，其技术指标达到国内领先、国外先进水平。
一种全光纤电流传感器温度补偿方法熊显名;闵旺;秦祖军【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2014(000)006【摘要】为了解决传感光纤的弯曲、扭转以及外界工作环境的变化导致全光纤电流传感器测量精度降低的问题，提出了一种基于输出椭圆偏振光长轴斜率的全光纤电流传感器温度补偿方法。
论证了椭圆偏振光长轴斜率能够反应输出椭圆偏振光的光椭率的大小，利用TMS320F28335和对应算法求出斜率，实验中使用输出椭圆偏振光长轴斜率对传感器进行修正并进行了实际测量。
结果表明，基于该修正方法的测量系统，实现了在单次变温条件20℃～60℃内变化时测量结果偏差满足0．2s。
这一结果对全光纤实用化研究是有帮助的。
%In order to solve the low measurement precision of all optical fiber current sensors induced by the bend and twist of sensor fiber and the change of external environment , a new method was proposed to realize the temperature compensation based on the longer axis slope of elliptic polarized light .It was demonstrated that elliptical polarized light long axis slope can response the change of the output light elasticity .The slope was calculated by TMS320F28335 and some algorithms.The sensor was modified by the elliptical polarized light long axis slope and some actual measurements was done.The experiment results show that the measurement system based on the revised method can meet the required precision of 0.2s in asingle temperature change of 20℃~60℃.The result is helpful fo r the research of all optical fiber current sensors .【总页数】5页(P759-763)【作者】熊显名;闵旺;秦祖军【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TP212.4【相关文献】1.基于Matlab的光纤电流传感器温度补偿研究 [J], 马天兵;赵耀军;张辉;杨元慧2.光纤电流传感器温度补偿算法研究 [J], 王来龙;赵晓辉;肖浩;郝鹏3.基于温度补偿的电能表全温度范围计量\r精度优化方法 [J], 袁瑞铭;吕言国;李文文;叶雪荣;鲁观娜;姜振宇4.基于温度补偿的电能表全温度范围计量精度优化方法 [J], 冯译德5.一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法 [J], 田青林;陈红亮;陈洪敏;李粮;闫文吉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第43卷第3期红外与激光工程2014年3月Vol.43No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2014用于光纤电流传感器SLD光源的温度控制系统曹辉1,2，杨一凤1，刘尚波1，徐金涛1，赵卫1(1.中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安710119；2.中国科学院大学，北京100049)摘要：为减小高压电网中光纤电流传感器超辐射发光二极管(super luminescent diode，SLD)光源温度特性对测量准确度的影响，提出了一种模拟温度控制系统对光源温度进行恒温控制。
根据设计要求，介绍了各重要环节的设计过程。
分析了通过搭建合适的温度采集电桥，可以得到与温度近似成线性关系的输出差分信号。
在频域上建立了系统的数学模型，计算了系统的传递函数，得到了比例-积分-微分(proportional鄄integral鄄derivative，PID)控制器各参数对时域上输出的影响。
在实验室中搭建了用于光纤电流传感器SLD光源的温控系统，对温控系统进行了定温与温度循环实验，实验结果表明：该控制系统可以实现对温度的实时控制，使光纤电流传感器测量准确度满足0.2级工业要求。
关键词：光纤电流传感器；超辐射发光二极管光源；实时温度控制；传递函数；PID控制器中图分类号：TN21文献标志码：A文章编号：1007-2276(2014)03-0920-07Temperature control system for SLD optical source of FOCSCao Hui1,2,Yang Yifeng1,Liu Shangbo1,Xu Jintao1,Zhao Wei1(1.State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academyof Sciences,Xi′an710119,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)Abstract:To lower the influence of optical source temperature property on the precision of fiber optic current sensor(FOCS)in high voltage grid,an analog temperature control system was proposed to control the optical source working temperature.According to the designed goal,design process of each key section was introduced.A proper temperature signal bridge was analyzed which could obtain a linear relationship between the output differential voltage and temperature.The mathematical model of the system was established in the frequency domain;the transfer function of the system was calculated;and the parameters of proportional鄄integral鄄derivative(PID)controller were analyzed in the time domain.A temperature controller used for FOCS super luminescent diode(SLD)optical source was designed,which was verified by fixed temperature test and temperature cycle test.The results show that by means of the real time temperature control,the accuracy of FOCS is up to0.2level which reaches industry requirements.Key words:fiber optic current sensor(FOCS);super luminescent diode(SLD)optical source;real time temperature control;transfer function;PID controller收稿日期：2013-07-09；修订日期：2013-08-23作者简介：曹辉(1989-)，男，硕士生，主要从事光电测量技术及其在电力系统中的应用。
Email:caohui@导师简介：徐金涛（1979-），男，副研究员，硕士，主要从事光纤电流互传感器的研制及其在智能电网中的应用研究。
Email:xujintao@第3期0引言随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，基于Faraday效应测量电流的光纤电流传感器(fiber optic current sensor，FOCS)以其绝缘性好、测量范围大、动态响应性能好、与现代数字控制和保护系统兼容等优点成为了传统电流传感器的替代品[1-5]。
光纤电流传感器是通过受Faraday效应作用的两束偏振光的干涉并检测其相位差的变化来测量电流，其工作原理如图1所示。
光源发出的光经过耦合图1反射式光纤电流传感器Fig.1In鄄line Sagnac interferometer current sensor器后有光纤偏振器起偏，形成线偏振光。
线偏振光以45°注入保偏光纤，被平均注入保偏光纤的X轴和Y 轴传输。
当这两束正交模式的光经过λ/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。
由于待测电流会在其周围产生感应磁场，根据偏振光束的法拉第磁场效应，这两束圆偏振光以不同的速度传输。
经过光纤端面的镜面反射后，传播方向变反，同时两束圆偏振光的偏振模式互换，即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光。
由于传播方向与旋向都发生变化，反向传输的两束圆偏振光依然保持其原来的速度。
这两束光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在偏振器处发生干涉。
最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进探测器。
由于发生干涉的两束光在光路的传输过程中，分别都通过了保偏光纤的X轴和Y轴与传感光纤的左旋和右旋模式，因此返回探测器的光只携带了由法拉第效应产生的非互易相位差。
其表达式为：I out=I in12+12cos(4VNII )(1)式中：V为Verdet常数；I为待测电流；N为传感光纤的线圈扎数。
由公式(1)可以看出，通过检测探测器的光强信息就可以解调出待测电流的大小，从而达到测量电流的目的。
根据光纤陀螺的应用原理，通常在45°熔接点后加入相位调制器，使两束线偏振光之间产生一个固定的相位差，来提高传感器的电流敏感性，并且实现正负电流的测量。
目前，光纤电流传感器普遍采用半导体超辐射发光二极管(super luminescent diode，SLD)作光源，它具有输出光功率高、相干长度短、光谱宽等特点，能够显著降低偏振交叉耦合引起的相干误差，提高系统的信噪比。
但是，SLD光源是对温度敏感的器件，光纤电流传感器的测量结果与光源输出光功率和光波长有关[6-8]，因此测量的电流值将随温度的变化产生漂移。
科研人员采用了大量技术手段克服传感器的温度敏感性[9-10]，但光源的传统温度控制系统在高压复杂环境下的温度稳定性却并不理想[11-13]，因此需要设计更为可靠的温控系统。
为保证光纤电流传感器在高压环境下测量的实时性和准确性，提高运行可靠性，文中采用模拟器件电路驱动半导体制冷器(thermo electric cooler，TEC)对SLD光源进行温度控制。
该电路利用比例-积分-微分(proportion鄄integral鄄derivative，PID)补偿网络对温度进行模拟线性控制，纹波小，避免了开关噪声问题；响应速度快，实现了对温度的实时控制。
在室温范围15℃~30℃内对光源进行25℃的恒温控制，控制精度可以达到±0.03℃，满足实际的应用需要。
1系统设计为实现对光纤电流传感器SLD光源的温度控制，采用的系统方案如图2所示。
图2温控系统整体设计方案图Fig.2Schematic of temperature controller系统采用的SLD光源模块包含SLD光源、半导体热制冷器TEC和负温度系数(negativetemperature 曹辉等：用于光纤电流传感器SLD光源的温度控制系统921红外与激光工程第43卷图3温控电路设计Fig.3Circuit design of temperature control systemcoefficient ，NTC)热敏电阻，TEC 和NTC 热敏电阻附着在SLD 光源两侧，分别实现对SLD 光源模块温度的控制和测量[14]。
系统通过温度电桥将光源模块的实时温度转化为电压信号，这个实时测量的温度电压信号与设定的温度电压信号由差分电路得到温度误差信号，然后经过PID 补偿网络和TEC 的驱动电路就可以驱动TEC ，准确地对SLD 光源进行温度控制。
为了保证系统对温度控制的精度，必须满足以下两点要求：(1)电路的噪声不能淹没能分辨的最小温度误差信号，并且采用的运算放大器的输入失调电压必须小于最小温度误差信号；(2)TEC 的驱动电路不能存在交越失真，否则，在PID 补偿网络中就会放大电路中的噪声，从而影响到温度控制系统的精度。
同时，在全温范围-40~60℃内，为了保证TEC 的正常工作，采用了稳压电路，使温度误差信号维持在一定范围内，避免损坏TEC 。
2系统各环节的设计及实现2.1温度信号采集系统选用的SLD 光源模块集成有NTC 热敏电阻，其阻值随着温度的升高而减小。
温控电路设计如图3所示。
通过标定，热敏电阻在全温范围-40~60℃的阻值范围是252.96~2.64k 赘，因此可以通过对热敏电阻搭建电桥的方法将温度转换为电信号，如图3(a)所示。
