一種基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.引言

　　虛擬儀器是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計(jì)、定義的儀器。它通常由計(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成，儀器模塊中的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、 VXI模塊等用于信號(hào)的輸入輸出。虛擬儀器具有很強(qiáng)的分析處理能力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設(shè)計(jì)、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同一臺(tái)虛擬儀器可在更多的場(chǎng)合使用。LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。 LabVIEW有豐富的庫(kù)函數(shù)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，對(duì)于持續(xù)運(yùn)作設(shè)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(cè)量線偏振光對(duì)磁場(chǎng)的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測(cè)電流磁場(chǎng)的組件，但是由于光纖本身對(duì)于磁場(chǎng)產(chǎn)生相位變化之系數(shù)（費(fèi)爾德常數(shù)）很小，所以直接量測(cè)并不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而改用干涉式來(lái)將相位變化量轉(zhuǎn)成為光能量變化，從而通過(guò)觀察光能量的變化來(lái)推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號(hào)轉(zhuǎn)換為光能量變化，而相位變化也從主動(dòng)解調(diào)轉(zhuǎn)為被動(dòng)解調(diào)，這是因?yàn)橹鲃?dòng)調(diào)變比較容易受到影響，而且有能量消耗，藉此減少?gòu)闹鲃?dòng)解調(diào)部分產(chǎn)生的噪聲[3][4] [5]。本文所設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的光纖電流是一種新型電流測(cè)量系統(tǒng)，它把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到光纖式電流互感器中，可用于測(cè)量母線電流，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)的參數(shù)和波形，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)。

　　2. 光纖電流感測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

　　圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)

　　如圖1所示是整個(gè)硬件系統(tǒng)的方框圖。光纖電流感測(cè)系統(tǒng)輸出的光纖干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集卡收集信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M儀器的軟件系統(tǒng)。

　　2.1光纖電流感測(cè)基本原理

　　在本文光纖電流感測(cè)系統(tǒng)中，是利用法拉第（Faraday）效應(yīng)來(lái)感測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。所謂法拉第效應(yīng)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?yàn)榇艌?chǎng)的影響，產(chǎn)生出射的線偏振光的偏振平面相對(duì)入射偏振光的偏振平面的旋轉(zhuǎn)，而且此偏振光的偏振平面的旋轉(zhuǎn)量與磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁波在磁場(chǎng)中行進(jìn)距離成正比。而磁場(chǎng)對(duì)電磁波的這種影響稱為法拉第效應(yīng)，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(xiàn)，并由此命名。

　　因此在系統(tǒng)中，我們將光纖纏繞在待測(cè)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(yīng)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(yīng)影響產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)，而根據(jù)旋轉(zhuǎn)的量，可以計(jì)算待測(cè)磁場(chǎng)的大小。在此系統(tǒng)中，是利用電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳播的線偏振光的偏振方向所發(fā)生的總的偏轉(zhuǎn)角為：

　　（1）

　　這里V為光纖的費(fèi)爾徳常數(shù)，l為受法拉第效應(yīng)影響的光纖長(zhǎng)度，而Hl為平行光纖行進(jìn)方向的磁場(chǎng)分量。根據(jù)安培定律以光纖環(huán)狀纏繞待測(cè)電流，公式（1）經(jīng)過(guò)環(huán)積分運(yùn)算為

　　（2）

　　N為光纖纏繞圈數(shù)，i為待測(cè)電流強(qiáng)度，因此θF為光纖纏繞圈數(shù)與待測(cè)電流的函數(shù)。

　　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(dǎo)線的線偏振光的偏振角的變化，與光纖所圍的電流成正比。