基于虛擬儀器的光纖電流感測系統的設計

虛擬儀器是充分利用計算機技術，并可由用戶自己設計、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模塊等用于信號的輸入輸出。虛擬儀器具有很強的分析處理能力，隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統觀念正在改變，而用戶自己設計、定義的范圍進一步擴大，同一臺虛擬儀器可在更多的場合使用。LabVIEW是美國NI公司開發的虛擬儀器開發平臺軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數和功能模塊，并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語言進行通信，以滿足各種需求[1][2]。

光纖電流傳感器，是為了提供電力工業等使用高電壓電流之企業與工廠，對于持續運作設備需要高度可靠性之需求而發展出來的。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生相位變化之系數（費爾德常數）很小，所以直接量測并不夠準確，進而改用干涉式來將相位變化量轉成為光能量變化，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換為光能量變化，而相位變化也從主動解調轉為被動解調，這是因為主動調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部分產生的噪聲[3][4] [5]。本文所設計的基于虛擬儀器技術的光纖電流是一種新型電流測量系統，它把虛擬儀器技術應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和波形，可對測量數據進行分析、存儲。

2. 光纖電流感測系統的硬件組成

圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測系統

如圖1所示是整個硬件系統的方框圖。光纖電流感測系統輸出的光纖干涉信號經過光電轉換電路變成電信號，再由數據采集卡收集信號數據傳輸到虛擬儀器的軟件系統。

2.1光纖電流感測基本原理

在本文光纖電流感測系統中，是利用法拉第（Faraday）效應來感測電流所產生的磁場強度。所謂法拉第效應就是電磁波經過一個磁場時，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，而且此偏振光的偏振平面的旋轉量與磁場強度和電磁波在磁場中行進距離成正比。而磁場對電磁波的這種影響稱為法拉第效應，這種影響是電磁場固有的特性，由物理學家法拉第發現，并由此命名。

因此在系統中，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最大，由于光也是電磁波，所以光在磁場中會受法拉第效應影響產生相位旋轉，而根據旋轉的量，可以計算待測磁場的大小。在此系統中，是利用電流來產生磁場，傳播的線偏振光的偏振方向所發生的總的偏轉角為：

（1）

這里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。

從上面分析可知，在閉合光路的條件下，通過光纖并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。