基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)

　　摘 要：利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，提出了基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)。該光纖電流感測(cè)系統(tǒng)利用法拉第效應(yīng)來(lái)感測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有無(wú)磁滯、飽和之限制，性能足以滿(mǎn)足電流感測(cè)系統(tǒng)，適用于大范圍電流變化值之測(cè)量。通過(guò)虛擬技術(shù)對(duì)待測(cè)電流的波形亦可直接觀(guān)察，并可讀出，可方便進(jìn)行波形顯示、電流分析、儲(chǔ)存及處理。

　　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(hù)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(hù)只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀(guān)念正在改變，而用戶(hù)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(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(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(xiàn)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(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(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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)偏振光的偏振方向所發(fā)生的總的偏轉(zhuǎn)角為：

?。?）

　　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(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。

　　2.2光纖電流感測(cè)光路系統(tǒng)

　　圖2 光纖電流感測(cè)光路系統(tǒng)

　　光纖電流感測(cè)光路如圖2所示，由激光接上光隔離器、光消偏振器、光循環(huán)器、光偏振器、四分之一波長(zhǎng)板、法拉第旋轉(zhuǎn)器、感測(cè)頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端，通常都會(huì)接上一個(gè)光隔離器，光隔離器是只允許光波單方向傳輸組件，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，而影響激光的正常操，甚至燒毀激光。激光輸出的光既不是純粹偏振光，也不是非偏振光，而是有殘余部分偏振狀態(tài)偏振光。由于這樣的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通過(guò)光偏振器產(chǎn)生的線(xiàn)性偏振光能量也會(huì)隨著通過(guò)之偏振光與光偏振器之夾角而變化。為了要避免這種光能量因偏振光與光偏振器之角度變化產(chǎn)生光功率變化的情況，在系統(tǒng)中使用消光偏振器來(lái)消除激光的偏振狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個(gè)無(wú)偏振狀態(tài)的光源，對(duì)于各個(gè)方向都含有相同的能量，在經(jīng)過(guò)光路后光偏振器而產(chǎn)生穩(wěn)定之偏振光，從而使系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度噪聲降低。光循環(huán)器是利用法拉第原理，使得光在光纖路徑上不會(huì)相互的耦合，具有單向傳輸?shù)奶匦裕⑶揖哂懈綦x器的功能。系統(tǒng)中的光偏振器的作用是產(chǎn)生線(xiàn)性偏振光，并且產(chǎn)生四十五度角分光，使兩道光在X方向與Y方向中行進(jìn)，并且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而四分之一波長(zhǎng)板是將線(xiàn)性偏振光轉(zhuǎn)換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對(duì)電流的感應(yīng)是在光纖感測(cè)頭部分，此系統(tǒng)中的感測(cè)頭為將光纖以相同距離纏繞電流上，這是希望光纖上每一點(diǎn)都對(duì)磁場(chǎng)有相同的相位變化，而且每一點(diǎn)所產(chǎn)生的彎曲損耗也都相同。最后使用法拉第反射鏡，將光予以反射，法拉第反射鏡可以將光旋轉(zhuǎn)九十度，從而對(duì)于在不同路徑上行走的光，旋轉(zhuǎn)九十度而達(dá)到交換路徑，而達(dá)到補(bǔ)償溫度或是振動(dòng)造成的光纖折射率之緩慢變化。

　　光經(jīng)過(guò)光隔離器，光解偏振器，光循環(huán)器，光偏振器，四分之一波長(zhǎng)板，感測(cè)頭，法拉第反射鏡之后在反向經(jīng)過(guò)光纖電流感測(cè)頭，四分之一波長(zhǎng)板，光偏振器，完成一個(gè)回路;在光偏振器的地方產(chǎn)生干涉，由光電轉(zhuǎn)換電路將干涉光轉(zhuǎn)成電信號(hào)之后，在進(jìn)行信號(hào)分析。

　　3. 光纖電流感測(cè)虛擬軟件系統(tǒng)

　　本光纖電流感測(cè)系統(tǒng)的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用圖形化語(yǔ)言，根據(jù)需要編寫(xiě)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序使其于計(jì)算機(jī)通信，然后將相關(guān)的圖形或圖標(biāo)進(jìn)行連接，選擇合理的方法及參數(shù)就可以構(gòu)成一種新的虛擬儀器。軟件系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它與C、Pascal、Basic等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著諸多相似之處如，相似的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程;而LabVIEW使用圖形語(yǔ)言（即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線(xiàn)等）以框圖的形式編寫(xiě)程序。用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖標(biāo)，如各種旋鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等，界面非常直觀(guān)形象，因此LabVIEW對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。

　　3.1虛擬軟件系統(tǒng)功能

　　本虛擬軟件將有關(guān)測(cè)試功能集成在一個(gè)面板上，這里著重介紹LabVIEW的框圖程序設(shè)計(jì)?？驁D程序是虛擬儀器的核心部分，虛擬示波器儀器主要由它來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。本系統(tǒng)框圖程序主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析和波形存儲(chǔ)及回放等5大功能模塊，如圖3示。

　　圖3 光纖電流虛擬軟件測(cè)量系統(tǒng)

　　3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　LabVIEW完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通信內(nèi)置程序庫(kù)，提供了大量的連接機(jī)制，通過(guò) DLLs、共享庫(kù)、OLE等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)直接調(diào)用LabVIEW的端口操作圖標(biāo)InPortvi和 OutPort.vi進(jìn)行編程。 這兩個(gè)函數(shù)存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級(jí)模板Memor模板中，分別完成從設(shè)備的物理地址直接讀取和輸出數(shù)據(jù)的功能。只要清楚數(shù)據(jù)采集卡每個(gè)信道的物理地址，通過(guò)對(duì)InPort.vi和OutPort.vi的端口參數(shù)設(shè)置，可以很方便地實(shí)現(xiàn) LabVIEW驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這里我們采用PCI21200數(shù)據(jù)采集卡。該模塊采樣頻率可以在1Hz到250MHz之間調(diào)節(jié)，時(shí)基即水平方向每格代表的時(shí)間可以在每格4ns （4ns/Division） 到每格20000s （20000s / Division）之間變化。

　　3.1.2 波形顯示模塊

　　軟件提供了波形顯示方式是通過(guò)顯示通道選擇按鈕“A”和“B”，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號(hào)一起顯示的波形。

　　3.1.3 參數(shù)測(cè)量模塊

　　參數(shù)測(cè)量模塊包括電流、電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示其測(cè)量結(jié)果。

　　3.1.4 頻譜分析模塊

　　頻譜分析模塊采用快速FFT算法，完成頻域信號(hào)分析。頻譜分析功能：（1）提供了9種加窗的分析窗口;（2）完成了被測(cè)信號(hào)的幅值譜分析和功率譜分析。

　　3.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　主面板“儲(chǔ)存”與“讀取”按鍵，能將有關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到軟盤(pán)或硬盤(pán);或者從軟盤(pán)或硬盤(pán)上讀取的數(shù)據(jù)，自動(dòng)顯示波形并保留在顯示窗口。

　　3.2 電流比差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)光纖部分電流測(cè)試的額定電流為500A，額定電壓為50kV，用該虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)光纖感應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量。用變壓器模擬大電流，通過(guò)虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的比差數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

　　表1 比差試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　從比差實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，測(cè)試精度較高，能夠滿(mǎn)足實(shí)際要求。

　　4. 結(jié)束語(yǔ)

　　本文工作創(chuàng)新之處在于：

　　1.功能擴(kuò)充。本光纖電流虛擬軟件測(cè)試系統(tǒng)比傳統(tǒng)的校驗(yàn)儀在功能上大大擴(kuò)充了，這不僅給使用帶來(lái)方便，而且從總體性能上也得到提高。可以通過(guò)具有儲(chǔ)存示波器功能的波形顯示得到直觀(guān)、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)等處理，這是傳統(tǒng)校驗(yàn)儀不能做到的。

　　2.可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。大電流感測(cè)需要長(zhǎng)期在室外運(yùn)行，環(huán)境惡劣，信號(hào)處理部分的電子電路易受電磁干擾，而且還要受到溫度的影響，所以運(yùn)行不穩(wěn)定。本光纖式電流感測(cè)系統(tǒng)具有絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、無(wú)鐵磁飽和、可行性高、靈敏度高、測(cè)量范圍大、頻帶寬。引入虛擬儀器技術(shù)后，光纖產(chǎn)生的電流信號(hào)處理部分由LabVIEW軟件程序完成，可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。

　　3.靈活的開(kāi)放性。根據(jù)用戶(hù)的要求，可以隨時(shí)修改 VI 程序，顯示不同點(diǎn)的測(cè)量值，修改前面板的樣式，調(diào)整程序的功能等。本VI程序可以作為一個(gè)子 VI被其他VI調(diào)用，與其他部分共同組成一個(gè)更復(fù)雜的VI程序，實(shí)現(xiàn)更加完善的測(cè)量功能。LabVIEW軟件還能與matlab、C語(yǔ)言接口，通過(guò) matlab和C語(yǔ)言程序加強(qiáng)數(shù)值分析處理能力。

　　光纖式電流感測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代電流測(cè)量研究的熱點(diǎn)，具有廣泛的發(fā)展前景。在信息化要求不斷提高的今天，將虛擬儀器應(yīng)用到電流感測(cè)中是感測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。