基于虛擬儀器的光纖電流感測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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合使用。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)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(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，藉此減少從主動(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(shí)時(shí)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(chǔ)。

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(gè)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(gè)磁場時(shí)，若磁場方向與光的傳播方向平行，電磁波會(huì)因?yàn)榇艌龅挠绊?，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(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：

（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。