光纖電流感測係統的中心議題：

• 光纖電流感測係統的硬件組成
• 光纖電流感測虛擬軟件係統

光纖電流感測係統的解決方案：

• 光纖電流測量係統基於虛擬儀器技術

1.引言

虛擬儀器是充分利用計算機技術，並可由用戶自己設計
、定義的儀器。它通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成
，儀器模塊中的數據采集卡
、GPIB卡、 VXI模mo塊kuai等deng用yong於yu信xin號hao的de輸shu入ru輸shu出chu。虛xu擬ni儀yi器qi具ju有you很hen強qiang的de分fen析xi處chu理li能neng力li，隨sui著zhe計ji算suan機ji技ji術shu和he虛xu擬ni儀yi器qi技ji術shu的de發fa展zhan
，用yong戶hu隻zhi能neng使shi用yong製zhi造zao商shang提ti供gong的de儀yi器qi功gong能neng的de傳chuan統tong觀guan念nian正zheng在zai改gai變bian，而er用yong戶hu自zi己ji設she計ji、定義的範圍進一步擴大，同一台虛擬儀器可在更多的場合使用。LabVIEW是美國NI公司開發的虛擬儀器開發平台軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數和功能模塊
，並且可以方便地與Matlab、C等通用編程語言進行通信

，以滿足各種需求。

光(guang)纖(xian)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，是(shi)為(wei)了(le)提(ti)供(gong)電(dian)力(li)工(gong)業(ye)等(deng)使(shi)用(yong)高(gao)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)之(zhi)企(qi)業(ye)與(yu)工(gong)廠(chang)
，對(dui)於(yu)持(chi)續(xu)運(yun)作(zuo)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)高(gao)度(du)可(ke)靠(kao)性(xing)之(zhi)需(xu)求(qiu)而(er)發(fa)展(zhan)出(chu)來(lai)的(de)。光(guang)纖(xian)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)從(cong)早(zao)期(qi)使(shi)用(yong)檢(jian)偏(pian)器(qi)來(lai)測(ce)量(liang)線(xian)偏(pian)振(zhen)光(guang)對(dui)磁(ci)場(chang)的(de)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)量(liang);之後提出使用光纖作為感測電流磁場的組件，但是由於光纖本身對於磁場產生相位變化之係數（費爾德常數）henxiao，suoyizhijieliangcebingbugouzhunque，jinergaiyonggansheshilaijiangxiangweibianhualiangzhuanchengweiguangnengliangbianhua

，congertongguoguanchaguangnengliangdebianhualaituisuanxiangweibianhuayudianliudaxiao。shiyongganshefangshijiangxiangweixinhaozhuanhuanweiguangnengliangbianhua
，erxiangweibianhuayecongzhudongjietiaozhuanweibeidongjietiao，zheshiyinweizhudongtiaobianbijiaorongyishoudaoyingxiang，erqieyounengliangxiaohao，jicijianshaocongzhudongjietiaobufenchanshengdezaosheng。benwensuoshejidejiyuxuniyiqijishudeguangxiandianliushiyizhongxinxingdianliuceliangxitong
，tabaxuniyiqijishuyingyongdaoguangxianshidianliuhuganqizhong
，keyongyuceliangmuxiandianliu，shishixianshiceliangxinhaodecanshuheboxing，keduiceliangshujujinxingfenxi
、存儲。

2. 光纖電流感測係統的硬件組成

圖1 基於虛擬儀器的光纖電流感測係統

如圖1所suo示shi是shi整zheng個ge硬ying件jian係xi統tong的de方fang框kuang圖tu。光guang纖xian電dian流liu感gan測ce係xi統tong輸shu出chu的de光guang纖xian幹gan涉she信xin號hao經jing過guo光guang電dian轉zhuan換huan電dian路lu變bian成cheng電dian信xin號hao，再zai由you數shu據ju采cai集ji卡ka收shou集ji信xin號hao數shu據ju傳chuan輸shu到dao虛xu擬ni儀yi器qi的de軟ruan件jian係xi統tong。

2.1光纖電流感測基本原理

在本文光纖電流感測係統中，是利用法拉第（Faraday）效(xiao)應(ying)來(lai)感(gan)測(ce)電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)。所(suo)謂(wei)法(fa)拉(la)第(di)效(xiao)應(ying)就(jiu)是(shi)電(dian)磁(ci)波(bo)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)磁(ci)場(chang)時(shi)
，若(ruo)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)與(yu)光(guang)的(de)傳(chuan)播(bo)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)，電(dian)磁(ci)波(bo)會(hui)因(yin)為(wei)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)，產(chan)生(sheng)出(chu)射(she)的(de)線(xian)偏(pian)振(zhen)光(guang)的(de)偏(pian)振(zhen)平(ping)麵(mian)相(xiang)對(dui)入(ru)射(she)偏(pian)振(zhen)光(guang)的(de)偏(pian)振(zhen)平(ping)麵(mian)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)
，而(er)且(qie)此(ci)偏(pian)振(zhen)光(guang)的(de)偏(pian)振(zhen)平(ping)麵(mian)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)量(liang)與(yu)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)和(he)電(dian)磁(ci)波(bo)在(zai)磁(ci)場(chang)中(zhong)行(xing)進(jin)距(ju)離(li)成(cheng)正(zheng)比(bi)。而(er)磁(ci)場(chang)對(dui)電(dian)磁(ci)波(bo)的(de)這(zhe)種(zhong)影(ying)響(xiang)稱(cheng)為(wei)法(fa)拉(la)第(di)效(xiao)應(ying)
，這(zhe)種(zhong)影(ying)響(xiang)是(shi)電(dian)磁(ci)場(chang)固(gu)有(you)的(de)特(te)性(xing)，由(you)物(wu)理(li)學(xue)家(jia)法(fa)拉(la)第(di)發(fa)現(xian)，並(bing)由(you)此(ci)命(ming)名(ming)。

因yin此ci在zai係xi統tong中zhong
，我wo們men將jiang光guang纖xian纏chan繞rao在zai待dai測ce電dian流liu上shang，使shi光guang纖xian與yu磁ci場chang方fang向xiang互hu相xiang平ping行xing，使shi有you效xiao的de法fa拉la第di效xiao應ying最zui大da，由you於yu光guang也ye是shi電dian磁ci波bo，所suo以yi光guang在zai磁ci場chang中zhong會hui受shou法fa拉la第di效xiao應ying影ying響xiang產chan生sheng相xiang位wei旋xuan轉zhuan
，而er根gen據ju旋xuan轉zhuan的de量liang，可ke以yi計ji算suan待dai測ce磁ci場chang的de大da小xiao。在zai此ci係xi統tong中zhong，是shi利li用yong電dian流liu來lai產chan生sheng磁ci場chang
，傳chuan播bo的de線xian偏pian振zhen光guang的de偏pian振zhen方fang向xiang所suo發fa生sheng的de總zong的de偏pian轉zhuan角jiao為wei：

（1）

這裏V為光纖的費爾徳常數，l為受法拉第效應影響的光纖長度，而Hl為平行光纖行進方向的磁場分量。根據安培定律以光纖環狀纏繞待測電流
，公式（1）經過環積分運算為

 （2）

N為光纖纏繞圈數，i為待測電流強度，因此θF為光纖纏繞圈數與待測電流的函數。

從上麵分析可知，在閉合光路的條件下，通過光纖並環繞截流導線的線偏振光的偏振角的變化，與光纖所圍的電流成正比。
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2.2光纖電流感測光路係統

圖2 光纖電流感測光路係統

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、光循環器

、光偏振器、四分之一波長板、法拉第旋轉器、感測頭
、法(fa)拉(la)第(di)反(fan)射(she)鏡(jing)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)。在(zai)激(ji)光(guang)輸(shu)出(chu)端(duan)

，通(tong)常(chang)都(dou)會(hui)接(jie)上(shang)一(yi)個(ge)光(guang)隔(ge)離(li)器(qi)，光(guang)隔(ge)離(li)器(qi)是(shi)隻(zhi)允(yun)許(xu)光(guang)波(bo)單(dan)方(fang)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)組(zu)件(jian)，常(chang)使(shi)用(yong)在(zai)光(guang)源(yuan)後(hou)麵(mian)，其(qi)功(gong)能(neng)是(shi)避(bi)免(mian)反(fan)射(she)的(de)光(guang)波(bo)回(hui)到(dao)激(ji)光(guang)的(de)共(gong)振(zhen)腔(qiang)，而(er)影(ying)響(xiang)激(ji)光(guang)的(de)正(zheng)常(chang)操(cao)，甚(shen)至(zhi)燒(shao)毀(hui)激(ji)光(guang)。激(ji)光(guang)輸(shu)出(chu)的(de)光(guang)既(ji)不(bu)是(shi)純(chun)粹(cui)偏(pian)振(zhen)光(guang)，也(ye)不(bu)是(shi)非(fei)偏(pian)振(zhen)光(guang)，而(er)是(shi)有(you)殘(can)餘(yu)部(bu)分(fen)偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態(tai)偏(pian)振(zhen)光(guang)。由(you)於(yu)這(zhe)樣(yang)的(de)偏(pian)振(zhen)光(guang)偏(pian)振(zhen)方(fang)向(xiang)並(bing)不(bu)固(gu)定(ding)，因(yin)此(ci)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)線(xian)性(xing)偏(pian)振(zhen)光(guang)能(neng)量(liang)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)通(tong)過(guo)之(zhi)偏(pian)振(zhen)光(guang)與(yu)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)之(zhi)夾(jia)角(jiao)而(er)變(bian)化(hua)。為(wei)了(le)要(yao)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)光(guang)能(neng)量(liang)因(yin)偏(pian)振(zhen)光(guang)與(yu)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)之(zhi)角(jiao)度(du)變(bian)化(hua)產(chan)生(sheng)光(guang)功(gong)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)情(qing)況(kuang)，在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)消(xiao)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)來(lai)消(xiao)除(chu)激(ji)光(guang)的(de)偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態(tai)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)無(wu)偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態(tai)的(de)光(guang)源(yuan)，對(dui)於(yu)各(ge)個(ge)方(fang)向(xiang)都(dou)含(han)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)能(neng)量(liang)，在(zai)經(jing)過(guo)光(guang)路(lu)後(hou)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)而(er)產(chan)生(sheng)穩(wen)定(ding)之(zhi)偏(pian)振(zhen)光(guang)，從(cong)而(er)使(shi)係(xi)統(tong)響(xiang)應(ying)信(xin)號(hao)的(de)強(qiang)度(du)噪(zao)聲(sheng)降(jiang)低(di)。光(guang)循(xun)環(huan)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)法(fa)拉(la)第(di)原(yuan)理(li)，使(shi)得(de)光(guang)在(zai)光(guang)纖(xian)路(lu)徑(jing)上(shang)不(bu)會(hui)相(xiang)互(hu)的(de)耦(ou)合(he)，具(ju)有(you)單(dan)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)的(de)特(te)性(xing)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)。係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)產(chan)生(sheng)線(xian)性(xing)偏(pian)振(zhen)光(guang)
，並(bing)且(qie)產(chan)生(sheng)四(si)十(shi)五(wu)度(du)角(jiao)分(fen)光(guang)，使(shi)兩(liang)道(dao)光(guang)在(zai)X方向與Y方向中行進，並且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而er四si分fen之zhi一yi波bo長chang板ban是shi將jiang線xian性xing偏pian振zhen光guang轉zhuan換huan成cheng左zuo旋xuan圓yuan偏pian振zhen光guang與yu右you旋xuan偏pian振zhen化hua光guang。對dui電dian流liu的de感gan應ying是shi在zai光guang纖xian感gan測ce頭tou部bu分fen，此ci係xi統tong中zhong的de感gan測ce頭tou為wei將jiang光guang纖xian以yi相xiang同tong距ju離li纏chan繞rao電dian流liu上shang，這zhe是shi希xi望wang光guang纖xian上shang每mei一yi點dian都dou對dui磁ci場chang有you相xiang同tong的de相xiang位wei變bian化hua，而er且qie每mei一yi點dian所suo產chan生sheng的de彎wan曲qu損sun耗hao也ye都dou相xiang同tong。最zui後hou使shi用yong法fa拉la第di反fan射she鏡jing，將jiang光guang予yu以yi反fan射she
，法fa拉la第di反fan射she鏡jing可ke以yi將jiang光guang旋xuan轉zhuan九jiu十shi度du，從cong而er對dui於yu在zai不bu同tong路lu徑jing上shang行xing走zou的de光guang，旋xuan轉zhuan九jiu十shi度du而er達da到dao交jiao換huan路lu徑jing
，而er達da到dao補bu償chang溫wen度du或huo是shi振zhen動dong造zao成cheng的de光guang纖xian折zhe射she率lv之zhi緩huan慢man變bian化hua。

光(guang)經(jing)過(guo)光(guang)隔(ge)離(li)器(qi)，光(guang)解(jie)偏(pian)振(zhen)器(qi)
，光(guang)循(xun)環(huan)器(qi)，光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)
，四(si)分(fen)之(zhi)一(yi)波(bo)長(chang)板(ban)，感(gan)測(ce)頭(tou)
，法(fa)拉(la)第(di)反(fan)射(she)鏡(jing)之(zhi)後(hou)在(zai)反(fan)向(xiang)經(jing)過(guo)光(guang)纖(xian)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)頭(tou)
，四(si)分(fen)之(zhi)一(yi)波(bo)長(chang)板(ban)，光(guang)偏(pian)振(zhen)器(qi)，完(wan)成(cheng)一(yi)個(ge)回(hui)路(lu);在光偏振器的地方產生幹涉
，由光電轉換電路將幹涉光轉成電信號之後
，在進行信號分析。
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3. 光纖電流感測虛擬軟件係統

本光纖電流感測係統的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開(kai)發(fa)平(ping)台(tai)，用(yong)圖(tu)形(xing)化(hua)語(yu)言(yan)，根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)編(bian)寫(xie)相(xiang)關(guan)的(de)驅(qu)動(dong)程(cheng)序(xu)使(shi)其(qi)於(yu)計(ji)算(suan)機(ji)通(tong)信(xin)，然(ran)後(hou)將(jiang)相(xiang)關(guan)的(de)圖(tu)形(xing)或(huo)圖(tu)標(biao)進(jin)行(xing)連(lian)接(jie)，選(xuan)擇(ze)合(he)理(li)的(de)方(fang)法(fa)及(ji)參(can)數(shu)就(jiu)可(ke)以(yi)構(gou)成(cheng)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)。軟(ruan)件(jian)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)，操(cao)作(zuo)簡(jian)單(dan)方(fang)便(bian)。LabVIEW是一種基於圖形編程語言（G語言）的開發環境。它與C
、Pascal

、Basic等傳統編程語言有著諸多相似之處如，相似的數據類型、數據流控製結構
、程序調試工具，以及層次化、模塊化的編程特點等。但二者最大的區別在於：傳統編程語言用文本語言編程;而LabVIEW使用圖形語言（即，各種圖標、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驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標
，如各種旋鈕
、開關、波形圖等，界麵非常直觀形象

，因此LabVIEW對於沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。

3.1虛擬軟件係統功能

本虛擬軟件將有關測試功能集成在一個麵板上
，這裏著重介紹LabVIEW的框圖程序設計。框圖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據的采集
、處理和顯示。本係統框圖程序主要包括數據采集、波形顯示、參數測量

、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係統

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3.1.1 數據采集模塊

LabVIEW完整地集成了與GPIB
、VXI、RS-232、RS-485和內插式數據采集卡等硬件的通信內置程序庫，提供了大量的連接機製，通過 DLLs、共享庫
、OLE等途徑實現與外部程序代碼或軟件係統的連接。本係統直接調用LabVIEW的端口操作圖標InPortvi和 OutPort.vi進行編程。 這兩個函數存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級模板Memor模板中，分別完成從設備的物理地址直接讀取和輸出數據的功能。隻要清楚數據采集卡每個信道的物理地址，通過對InPort.vi和OutPort.vi的端口參數設置
，可以很方便地實現 LabVIEW驅動控製數據采集卡進行數據采集。這裏我們采用PCI21200數據采集卡。該模塊采樣頻率可以在1Hz到250MHz之間調節
，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 參數測量模塊

參數測量模塊包括電流、電壓參數和頻率、周期等時間參數的測量並顯示其測量結果。

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 數據存儲模塊

主麵板“儲存”與“讀取”按鍵，能將有關數據儲存到軟盤或硬盤;或者從軟盤或硬盤上讀取的數據，自動顯示波形並保留在顯示窗口。

3.2 電流比差實驗結果

在係統中，我們設計光纖部分電流測試的額定電流為500A，額定電壓為50kV，用該虛擬儀器係統對光纖感應電流進行測量。用變壓器模擬大電流
，通過虛擬儀器進行數據處理，得到的比差數據見表1：

表1 比差試驗數據

從比差實驗結果來看，測試精度較高，能夠滿足實際要求。

4. 結束語

本文工作創新之處在於：

1.功gong能neng擴kuo充chong。本ben光guang纖xian電dian流liu虛xu擬ni軟ruan件jian測ce試shi係xi統tong比bi傳chuan統tong的de校xiao驗yan儀yi在zai功gong能neng上shang大da大da擴kuo充chong了le，這zhe不bu僅jin給gei使shi用yong帶dai來lai方fang便bian，而er且qie從cong總zong體ti性xing能neng上shang也ye得de到dao提ti高gao。可ke以yi通tong過guo具ju有you儲chu存cun示shi波bo器qi功gong能neng的de波bo形xing顯xian示shi得de到dao直zhi觀guan、實時顯示測量信號的參數和波形，可對測量數據進行分析
、存儲等處理，這是傳統校驗儀不能做到的。

2.可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)，運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)。大(da)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)需(xu)要(yao)長(chang)期(qi)在(zai)室(shi)外(wai)運(yun)行(xing)，環(huan)境(jing)惡(e)劣(lie)
，信(xin)號(hao)處(chu)理(li)部(bu)分(fen)的(de)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)易(yi)受(shou)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)，而(er)且(qie)還(hai)要(yao)受(shou)到(dao)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)
，所(suo)以(yi)運(yun)行(xing)不(bu)穩(wen)定(ding)。本(ben)光(guang)纖(xian)式(shi)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)絕(jue)緣(yuan)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)、體積小、重量輕、無鐵磁飽和
、可行性高、靈敏度高


、測量範圍大、頻帶寬。引入虛擬儀器技術後，光纖產生的電流信號處理部分由LabVIEW軟件程序完成，可靠性高，運行穩定。

3.靈活的開放性。根據用戶的要求，可以隨時修改 VI 程序，顯示不同點的測量值，修改前麵板的樣式，調整程序的功能等。本VI程序可以作為一個子 VI被其他VI調用，與其他部分共同組成一個更複雜的VI程序
，實現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語言程序加強數值分析處理能力。

光(guang)纖(xian)式(shi)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)技(ji)術(shu)是(shi)現(xian)代(dai)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)，具(ju)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)發(fa)展(zhan)前(qian)景(jing)。在(zai)信(xin)息(xi)化(hua)要(yao)求(qiu)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)的(de)今(jin)天(tian)，將(jiang)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)應(ying)用(yong)到(dao)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)中(zhong)是(shi)感(gan)測(ce)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)趨(qu)勢(shi)。