全光纤电流互感器光源控制

吴韬+李晓+方兵+崔新友

摘 要： 随着智能电网建设的不断深入，全光纤电流互感器日益成为研究重点，其稳定性问题也逐渐受到人们关注。通过研究全光纤电流互感器中的光源稳定性问题，针对影响其稳定性的温度和驱动电流这2个主要因素设计了不同的解决方案。在温度控制方面，提出2种温控电路设计方案，最后根据实际需求采用数字式温控电路。在驱动电流控制方面，基于传统控制方案，设计了一种基于光源光功率调节驱动电流的方案，并对两者进行了实验论证。实验结果表明新的方案提高了互感器光源的可靠性和稳定性。

关键词： 互感器； 光源； 温控电路； 驱动电流

中图分类号： TN709?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）20?0142?04

Light source control of fiber?optical current transducer

WU Tao1， LI Xiao2， FANG Bing2， CUI Xinyou2

（1. Wuhan Research Institute of Post &Telecommunications， Wuhan 430074， China；2. Wuhan FiberHome FuHua Electric Power Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China）

Abstract： With the deepening development of the smart electric grid construction， fiber?optical current transducer （FOCT） has become the research focus， and its stability has been concerned gradually. The light source stability of FOCT is studied emphatically in this article. The different solutions were designed according to the two main factors of temperature and drive current affecting on the stability. In the aspect of temperature control， two design schemes of temperature control circuit are put forward. Finally， the digital temperature control circuit was adopted according to the actual demands. In the aspect of drive current control， based on the traditional scheme， the scheme of adjusting the drive current according to light source and light power was designed. The two schemes were verified in experiments. The experimental results show that the new scheme can improve the light source reliability and stability of the transducer.

Keywords： transducer； light source； temperature control circuit； drive current

全光纤电流互感器（Fiber Optical Current Transducer，FOCT）拥有传统电磁式电流互感器和有源型电子式电流互感器所没有的诸多优良特性，目前已成为国际上电子式互感器产品研发的主流方向，其稳定性和可靠性问题也受到相关技术人员的重视。若想让全光纤互感器能够稳定且精确地测量电流，互感器系统光源必须能够输出稳定的光信号。

基于此，本文主要研究全光纤互感器中光源的驱动控制方式。首先概述全光纤互感器的基本结构和工作原理，分别针对影响光源光功率的两个因素即温度和驱动电流进行控制调节。首先对光源的数字式和模拟式温度控制电路进行设计和对比，比较两者优劣和取舍，再对两种具体光源驱动方式进行论述和研究，分析其稳定性和精确度，最后分别对两种驱动方式进行实验，分析实验数据，确定最佳的驱动控制方案。

1 全光纤电流互感器基本原理

全光纤电流互感器的系统结构如图1所示。其主要由SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、相位调制器、光纤延时环、[λ4]光纤波片、传感光纤环、金属反射膜、探测器以及电信号处理与控制单元组成[1]。其中光纤偏振器的输出端与相位调制器输入端轴向成45°熔接。

SLED光源发出的光信号经过一个光纤耦合器分光，输出光经过光纤偏振器得到线偏振光，然后其偏振方向与双折射相位调制器的轴向成45°角进入调制器，形成两束正交偏振光，两者相位差可由调制器进行调制，从调制器发出的光经过一个保偏光纤延时环后进入传感环。经过[λ4]波片后，两个正交的线偏振光分别被转化为左旋和右旋圆偏振光进入到传感光纤中。在电流产生的磁场作用下，由于法拉第效应圆偏振光的相位会发生变化。它们在反射膜端面处反射后，偏振模式互换再次穿过传感光纤，导致相位差加倍，获得的相位差[Δ?]=4NVI，其中N为传感线圈匝数，V为光纤传感头维德尔常数，I为被测电流。反射的两束光通过λ/4光纤波片后，恢复为线偏振光在光纤偏振器处发生干涉，通过干涉光的强度提取法拉第相移来达到检测电流的目的，最终获得光的干涉强度可表示为：[S=12LS0[1+cos（φM+Δφ）]] （1）endprint

式中：L为光路线路损耗；[S0]为光源发光效率；[φM]为调制器调制信号。电气信号处理控制单元主要功能有探测干涉信号、解调电流信号、产生并控制调制器信号以及处理输出信号等[2]。光源处有专门的光源控制电路，通过互连排线实时地将光源各种状态信息传入信号处理控制单元，并上传至后端上位机方便监控和查看。

图1 全光纤电流互感器系统结构图

2 光源模块温度控制电路设计

SLED模块光源对工作温度敏感，温度变化会引起发光功率变化和中心波长漂移，造成传输光信号不稳定，进而对传感性能产生较大的影响。因此稳定控制SLED模块的驱动电流以及管芯温度是至关重要的[3]。

在设计相关温度控制电路时，尝试了2种设计方案：

（1） 第一种是数字式控制电路，其基本原理如下：采用TI的 DSP芯片作为电路的主控制单元，收集光源状态信息并根据状态来控制光源。利用SLED模块内部集成的热敏电阻作为温度传感器，将被控的环境温度信号转换为电压信号，然后将此电压信号与设定的目标温度所对应电压值进行对比，产生误差信号，其目标温度点可通过改变接入运放的标准电压值来进行设置，此信号经过后续积分放大，再通过一个脉宽调制线性放大器输出信号推动三极功率管，由此产生了一个闭环控制回路[4]，SLED模块温度过高时，TEC控制电路控制制冷芯片加热，SLED模块温度过低时，TEC控制电路控制制冷芯片制冷，始终确保SLED模块工作在目标温度值下这个过程是不间断地进行着，此即为TEC部分的闭环控制模块，具体电路如图2所示。TEC控制电路产生的制冷电流控制信号IN+l由二极管电路进行保护，防止制冷/加热电流过大损害制冷芯片。制冷电流控制信号IN+l经TI的DRV系列驱动芯片转化为电流对制冷芯片进行驱动。该方案的优势在于能够实时上传光源状态信息，方便后续对光源进行相应的控制。

图2 TEC闭环控制电路

（2） 另一种设计方案为模拟式电路。相对于数字式而言，主要的区别在于没有数字芯片作为主控制单元，恒定的驱动电流源也不再是由DSP芯片提供，而是交由标准电源芯片提供。另外不再采用TEC的闭环控制电路，而是将热敏电阻转换电压值经放大转换后直接与SLED模块的TEC管脚相连，省略了闭环反馈控制部分，做到了直接温度调控。这样做的好处是减少了回环过程中相关信号的时延，减少了温度反馈的滞后时间，从而能够实时控制光源光信号，使其保持稳定。但模拟式方案的缺陷在于没有主控制部分收集相关状态数据，因此该电路不能实时监测并上传光源信号的状态，从而不能及时排查系统运行过程中可能出现的问题。基于这些方面的考量，本系统最终选择数字式光源控制电路。

3 光源模块驱动电流控制

由激光二极管相关发光原理可知，在驱动电流和温度变化时，SLED的输出功率会发生变化。温控部分电路解决后，就需要控制光源驱动电流值。由光源技术手册可知，在恒温状态下，驱动电流的改变会影响到光功率从而影响后续的测量。

在数字式光源温度控制电路的基础上，开始采用传统“恒流源?温控”方案，即给光源一个恒定驱动电流，其值大小由DSP自带D/A模块设定，本系统在DSP程序中设置值为100，即能得到100 mA的工作电流。这样便能够保证光源恒流驱动，温度控制则交由前面章节所述的温控反馈调节电路来进行调控。

该方案将易于控制的驱动电流保持恒定，将多变难以稳定温度通过相关控制电路进行动态调控，从而保证光功率维持不变。在随后进行的相关实验中，发现此方案的确在一定程度上保证了光源的稳定性[3，5]。但之后在试验中模拟环境温度突变的极端环境时，发现SLED光源光功率恢复稳定的时间过长。后续进行对比实验后发现主要原因是集成的热敏电阻测得温度变化后，后面的反馈调节光源温度过程存在滞后效应，不能很快地将光源结温调回去，从而对互感器的快速校正有很大影响[6?7]。由光源技术手册中光功率和驱动电流曲线关系可知，当驱动电流超过20 mA后，其与SLED光功率呈线性关系。因而后面在传统方案基础上，又重新构思了另外一种方案，即不管环境温度变化，根据光源光功率值变化情况，通过实时控制调节DSP程序中设定的驱动电流值来促使光功率回归稳定。由于光源光功率无法通过电路元器件实时测量，因此在光源控制电路中设计了一个光电采集模块，通过在电路中放置一个光电探测器将不易测量的光源光功率值转换成可被监测的电压值，将模拟电压值传入DSP自带A/D模块中，即可根据对比传入的电压值与标准光功率下的电压值变化来调节程序中的驱动电流值。

根据光电探测器技术手册，其响应度1.01 mA/mW，即采集电流I=1.01P，P为光源光功率。采集电流经后面的积分运放放大，得到输出电压V=20 000 I。当V的值相对发生变化时即可认为光功率在改变，DSP收到采集电压值之后与标准电压值比对，若变化则在程序中对设定驱动电流值进行微调，直到采集电压值趋近标准值为止。这种方案较传统方案而言，最大限度避免了温度调节的滞后效应，通过改变驱动电流值来保持光电探测器的电压值不变，从而确保SLED光功率尽快回稳，不再依赖于光源模块温度的稳定，加强了互感器系统的稳定性。

4 实验测试

对于上一节所述2种方案来说，其主要差别在于DSP中的控制程序有所不同，因而在实验时先对旧程序的系统进行测试，再将修改后的程序烧录，进行试验。

针对全光纤电流互感器本身的精度、线性度、温度性能的测试平台的基本原理如图3所示。

图3 测试平台原理图

互感器测得的电流值转换为以光为载体的数字量传输到合并单元中，进行通信协议转换后发送给标准互感器校验仪中的校验程序。同时，标准电流互感器测量的电流值经过校验仪中的采集卡转化后发送给校验程序。函数发生器每1 s发生1次脉冲，同时刻分别对全光纤互感器与标准电流互感器采样多个点计算的有效值进行比对，从而校验全光纤电流互感器所测电流的幅值与相位的误差。其中传感器的测量数据率为10 000次/s，经合并单元从采样为4 000次/s后发送给校验仪。测量幅度的误差定义为比差，描述为：

[ε（%）=kFOCSIFOCS-krefIrefkrefIref×100] （2）

式中：[IFOCS]为全光纤电流互感器的测量值；[Iref]为标准电流互感器测量的参考值；[kFOCS]为全光纤电流互感器的变比（等效比例系数）；[kref]标准电流互感器的变比。

相位差表述为：

[φ=φFOCS-φref] （3）

式中：[φFOCS]是[IFOCS]值的相位值；[φref]是同[Iref]一个时刻的相位值[8?9]。

本次测试也是基于此平台，但考虑文章所述范围，这次主要针对温度特性，即模拟温度变化环境，分别针对2种方案进行测量，比较二者精度情况。因此需要将光源控制部分放入可调控的温、湿度环境控制室内对其进行大温度范围性能测试，根据国标规定，环境控制室温度设定范围为-40～70 ℃，互感器系统其他部分则保持常温不变。 实验过程如下：先从室内常温逐步升温到70 ℃，再将温度降回室温，然后将温度从室温降至-40 ℃，在校验仪上每秒采样1个记录点，记录实时比差变化。2种方案比差变化对比如图4所示。在图4中，横坐标为记录的点数，图表分别为改进前后的比差和对应的环境温度变化。通过对比2种方案的比差变化，可以明显发现，两者测量采样相同数目的点，相对传统控制方案而言，改进后的方案采集点更加集中，比差变化幅度更小，曲线更加平稳，并且所有测量点比差均满足国标0.2 s的精度要求[10]，证明该方案对光源稳定性的控制更好，更有利于互感器系统的可靠性。

图4 两种方案比差变化对比图

5 结 语

本文通过对全光纤电流互感器的光源模块控制进行研究，针对影响光功率稳定的两个因素，分别探讨并设计了光源温度反馈调节电路和光源驱动电流反馈调节方案，对不同方案进行比对选择，通过实验来判别方案的优劣。实验结果表明，通过实时调节驱动电流来稳定光源光功率的方案精度更高且稳定性更好。最后，确定了最终光源控制方案，采用数字式温度调节电路，利用动态调节驱动电流保持光源稳定。

参考文献

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[4] 黄志伟，李月华.嵌入式系统中的模拟电路设计[M].北京：电子工业出版社，2014.

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[7] 熊显名，闵旺，秦祖军.一种全光纤电流传感器温度补偿方法[J].激光技术，2014（6）：759?763.

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[10] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20840.8?2007 互感器 第8部分：电子式电流互感器[S].北京：中国标准出版社，2007.