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)。

yincizaixitongzhong，womenjiangguangxianchanraozaidaicedianliushang，shiguangxianyucichangfangxianghuxiangpingxing
，shiyouxiaodefaladixiaoyingzuida，youyuguangyeshidiancibo
，suoyiguangzaicichangzhonghuishoufaladixiaoyingyingxiangchanshengxiangweixuanzhuan，ergenjuxuanzhuandeliang，keyijisuandaicecichangdedaxiao。zaicixitongzhong，shiliyongdianliulaichanshengcichang，chuanbodexianpianzhenguangdepianzhenfangxiangsuofashengdezongdepianzhuanjiaowei：

（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zaiX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)。