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）很(hen)小(xiao)，所(suo)以(yi)直(zhi)接(jie)量(liang)測(ce)並(bing)不(bu)夠(gou)準(zhun)確(que)，進(jin)而(er)改(gai)用(yong)幹(gan)涉(she)式(shi)來(lai)將(jiang)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)量(liang)轉(zhuan)成(cheng)為(wei)光(guang)能(neng)量(liang)變(bian)化(hua)
，從(cong)而(er)通(tong)過(guo)觀(guan)察(cha)光(guang)能(neng)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)來(lai)推(tui)算(suan)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)與(yu)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)。使(shi)用(yong)幹(gan)涉(she)方(fang)式(shi)將(jiang)相(xiang)位(wei)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)光(guang)能(neng)量(liang)變(bian)化(hua)，而(er)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)也(ye)從(cong)主(zhu)動(dong)解(jie)調(tiao)轉(zhuan)為(wei)被(bei)動(dong)解(jie)調(tiao)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)主(zhu)動(dong)調(tiao)變(bian)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)影(ying)響(xiang)，而(er)且(qie)有(you)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)

，藉(ji)此(ci)減(jian)少(shao)從(cong)主(zhu)動(dong)解(jie)調(tiao)部(bu)分(fen)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)。本(ben)文(wen)所(suo)設(she)計(ji)的(de)基(ji)於(yu)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)光(guang)纖(xian)電(dian)流(liu)是(shi)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)，它(ta)把(ba)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)到(dao)光(guang)纖(xian)式(shi)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)中(zhong)，可(ke)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)母(mu)線(xian)電(dian)流(liu)，實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)的(de)參(can)數(shu)和(he)波(bo)形(xing)
，可(ke)對(dui)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)
、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1suoshishizhenggeyingjianxitongdefangkuangtu。guangxiandianliugancexitongshuchudeguangxianganshexinhaojingguoguangdianzhuanhuandianlubianchengdianxinhao，zaiyoushujucaijikashoujixinhaoshujuchuanshudaoxuniyiqideruanjianxitong。

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)。

guangjingguoguanggeliqi，guangjiepianzhenqi，guangxunhuanqi，guangpianzhenqi
，sifenzhiyibochangban
，gancetou
，faladifanshejingzhihouzaifanxiangjingguoguangxiandianliugancetou，sifenzhiyibochangban，guangpianzhenqi，wanchengyigehuilu;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LabVIEWkaifapingtai，yongtuxinghuayuyan
，genjuxuyaobianxiexiangguandequdongchengxushiqiyujisuanjitongxin
，ranhoujiangxiangguandetuxinghuotubiaojinxinglianjie，xuanzehelidefangfajicanshujiukeyigouchengyizhongxindexuniyiqi。ruanjianxitongjuyoulianghaoderenjijiemian，caozuojiandanfangbian。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.kekaoxinggao
，yunxingwending。dadianliugancexuyaochangqizaishiwaiyunxing，huanjingelie，xinhaochulibufendedianzidianluyishoudianciganrao

，erqiehaiyaoshoudaowendudeyingxiang，suoyiyunxingbuwending。benguangxianshidianliugancexitongjuyoujueyuanjiegoujiandan
、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。