基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)

　　摘 要：利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計平臺，提出了基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)。該光纖電流感測系統(tǒng)利用法拉第效應(yīng)來感測電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，具有無磁滯、飽和之限制，性能足以滿足電流感測系統(tǒng)，適用于大范圍電流變化值之測量。通過虛擬技術(shù)對待測電流的波形亦可直接觀察，并可讀出，可方便進(jìn)行波形顯示、電流分析、儲存及處理。

　　1.引言

　　虛擬儀器是充分利用計算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計、定義的儀器。它通常由計算機(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模塊等用于信號的輸入輸出。虛擬儀器具有很強(qiáng)的分析處理能力，隨著計算機(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、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同一臺虛擬儀器可在更多的場合使用。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數(shù)和功能模塊，并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語言進(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)展出來的。光纖電流傳感器從早期使用檢偏器來測量線偏振光對磁場的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測電流磁場的組件，但是由于光纖本身對于磁場產(chǎn)生相位變化之系數(shù)（費(fèi)爾德常數(shù)）很小，所以直接量測并不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而改用干涉式來將相位變化量轉(zhuǎn)成為光能量變化，從而通過觀察光能量的變化來推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號轉(zhuǎn)換為光能量變化，而相位變化也從主動解調(diào)轉(zhuǎn)為被動解調(diào)，這是因為主動調(diào)變比較容易受到影響，而且有能量消耗，藉此減少從主動解調(diào)部分產(chǎn)生的噪聲[3][4] [5]。本文所設(shè)計的基于虛擬儀器技術(shù)的光纖電流是一種新型電流測量系統(tǒng)，它把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到光纖式電流互感器中，可用于測量母線電流，實時顯示測量信號的參數(shù)和波形，可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲。

　　2. 光纖電流感測系統(tǒng)的硬件組成

　　圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)

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

　　2.1光纖電流感測基本原理

　　在本文光纖電流感測系統(tǒng)中，是利用法拉第（Faraday）效應(yīng)來感測電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。所謂法拉第效應(yīng)就是電磁波經(jīng)過一個磁場時，若磁場方向與光的傳播方向平行，電磁波會因為磁場的影響，產(chǎn)生出射的線偏振光的偏振平面相對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)量與磁場強(qiáng)度和電磁波在磁場中行進(jìn)距離成正比。而磁場對電磁波的這種影響稱為法拉第效應(yīng)，這種影響是電磁場固有的特性，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電流上，使光纖與磁場方向互相平行，使有效的法拉第效應(yīng)最大，由于光也是電磁波，所以光在磁場中會受法拉第效應(yīng)影響產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)，而根據(jù)旋轉(zhuǎn)的量，可以計算待測磁場的大小。在此系統(tǒng)中，是利用電流來產(chǎn)生磁場，傳播的線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)影響的光纖長度，而Hl為平行光纖行進(jìn)方向的磁場分量。根據(jù)安培定律以光纖環(huán)狀纏繞待測電流，公式（1）經(jīng)過環(huán)積分運(yùn)算為

（2）

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

　　從上面分析可知，在閉合光路的條件下，通過光纖并環(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。

　　2.2光纖電流感測光路系統(tǒng)

　　圖2 光纖電流感測光路系統(tǒng)

　　光纖電流感測光路如圖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、四分之一波長板、法拉第旋轉(zhuǎn)器、感測頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端，通常都會接上一個光隔離器，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，因此直接通過光偏振器產(chǎn)生的線性偏振光能量也會隨著通過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消除激光的偏振狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個無偏振狀態(tài)的光源，對于各個方向都含有相同的能量，在經(jīng)過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相互的耦合，具有單向傳輸?shù)奶匦?，并且具有隔離器的功能。系統(tǒng)中的光偏振器的作用是產(chǎn)生線性偏振光，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;而四分之一波長板是將線性偏振光轉(zhuǎn)換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對電流的感應(yīng)是在光纖感測頭部分，此系統(tǒng)中的感測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)都對磁場有相同的相位變化，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)償溫度或是振動造成的光纖折射率之緩慢變化。

　　光經(jīng)過光隔離器，光解偏振器，光循環(huán)器，光偏振器，四分之一波長板，感測頭，法拉第反射鏡之后在反向經(jīng)過光纖電流感測頭，四分之一波長板，光偏振器，完成一個回路;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)成電信號之后，在進(jìn)行信號分析。

　　3. 光纖電流感測虛擬軟件系統(tǒng)

　　本光纖電流感測系統(tǒng)的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺，用圖形化語言，根據(jù)需要編寫相關(guān)的驅(qū)動程序使其于計算機(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，操作簡單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境。它與C、Pascal、Basic等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處如，相似的數(shù)據(jù)類型、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)編程語言用文本語言編程;而LabVIEW使用圖形語言（即，各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等）以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種旋鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。

　　3.1虛擬軟件系統(tǒng)功能

　　本虛擬軟件將有關(guān)測試功能集成在一個面板上，這里著重介紹LabVIEW的框圖程序設(shè)計?？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)測量、頻譜分析和波形存儲及回放等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，提供了大量的連接機(jī)制，通過 DLLs、共享庫、OLE等途徑實現(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。 這兩個函數(shù)存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級模板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)采集卡每個信道的物理地址，通過對InPort.vi和OutPort.vi的端口參數(shù)設(shè)置，可以很方便地實現(xiàn) LabVIEW驅(qū)動控制數(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)，時基即水平方向每格代表的時間可以在每格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一起顯示的波形。

　　3.1.3 參數(shù)測量模塊

　　參數(shù)測量模塊包括電流、電壓參數(shù)和頻率、周期等時間參數(shù)的測量并顯示其測量結(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）完成了被測信號的幅值譜分析和功率譜分析。

　　3.1.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

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

　　3.2 電流比差實驗結(jié)果

　　在系統(tǒng)中，我們設(shè)計光纖部分電流測試的額定電流為500A，額定電壓為50kV，用該虛擬儀器系統(tǒng)對光纖感應(yīng)電流進(jìn)行測量。用變壓器模擬大電流，通過虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的比差數(shù)據(jù)見表1：

　　表1 比差試驗數(shù)據(jù)

　　從比差實驗結(jié)果來看，測試精度較高，能夠滿足實際要求。

　　4. 結(jié)束語

　　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試系統(tǒng)比傳統(tǒng)的校驗儀在功能上大大擴(kuò)充了，這不僅給使用帶來方便，而且從總體性能上也得到提高?？梢酝ㄟ^具有儲存示波器功能的波形顯示得到直觀、實時顯示測量信號的參數(shù)和波形，可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲等處理，這是傳統(tǒng)校驗儀不能做到的。

　　2.可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。大電流感測需要長期在室外運(yùn)行，環(huán)境惡劣，信號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。本光纖式電流感測系統(tǒng)具有絕緣結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、無鐵磁飽和、可行性高、靈敏度高、測量范圍大、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.靈活的開放性。根據(jù)用戶的要求，可以隨時修改 VI 程序，顯示不同點(diǎn)的測量值，修改前面板的樣式，調(diào)整程序的功能等。本VI程序可以作為一個子 VI被其他VI調(diào)用，與其他部分共同組成一個更復(fù)雜的VI程序，實現(xiàn)更加完善的測量功能。LabVIEW軟件還能與matlab、C語言接口，通過 matlab和C語言程序加強(qiáng)數(shù)值分析處理能力。

　　光纖式電流感測技術(shù)是現(xiàn)代電流測量研究的熱點(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)用到電流感測中是感測技術(shù)發(fā)展的趨勢。