本申请涉及电流测量技术领域，尤其是涉及一种组合式全光纤电流测量系统。
背景技术：
在柔性直流输电系统中，电流测量装置是重要的传感装置，其给出的电流信号是控制保护系统做出正确动作的基础。在某些测量点，要求测量装置具有较大的测量范围，以及在整个测量范围内都具有较高的测量精度。应用于科研实验的电流大小可达数十千安甚至更高，传统的测量装置已无法满足需求。
传统的电磁式电流互感器是基于法拉第电磁感应原理，仅能用于交流电流的测量，且存在饱和特性。分流电阻型电流互感器可同时测量交流电流与直流电流，但分流电阻的选择与额定电流有关，过大的冲击电流会使选型困难，小电流的测量精度也无法保证。
全光纤电流测量装置基于法拉第磁光效应，具有测量范围广测量精度高的特点，且无饱和特性，是一种较好的电流测量装置，其结构如图1所示。在对小电流进行测量时，容易受环境干扰以及其特性的影响，测量精度会变得较低，因此通常需配相位调制器。
现有电流测量装置的测量精度与测量范围很难同时兼顾，在其量程的不同区间，测量精度也存在区别。
技术实现要素：
本申请的目的是提供一种组合式全光纤电流测量系统，以解决现有电流测量装置的测量精度与测量范围很难同时兼顾的技术问题。
本申请的目的，可以通过如下技术方案实现：
一种组合式全光纤电流测量系统，包括：数据处理装置和两个或两个以上的全光纤电流测量装置，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同，所述全光纤电流测量装置连接至所述数据处理装置；
其中，所述全光纤电流测量装置用于测量电流，包括光源、耦合器、线偏振光转换模块、光纤延时环、圆偏振光转换模块、检测器和数据处理模块；
所述线偏振光转换模块的一端经所述耦合器与所述光源、所述检测器连接，另一端经所述光纤延时环与所述圆偏振光转换模块连接，所述检测器还与所述数据处理模块连接；
所述线偏振光转换模块用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光；
所述光纤延时环用于延长所述线偏振光或所述圆偏振光的光路；
所述圆偏振光转换模块用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转；
所述检测器用于对经过所述耦合器进入的所述线偏振光进行检测；
所述数据处理模块用于对所述检测器得到的数据进行处理，得到电流数据；
所述数据处理装置对所述电流数据进行处理并输出结果。
可选地，所述线偏振光转换模块包括：起偏器和45度熔接点，所述起偏器与所述45度熔接点连接，所述起偏器将非线偏振光转换为线偏振光，所述45度熔接点将所述线偏振光分解为两束相互垂直的所述线偏振光。
可选地，所述圆偏振光转换模块包括：1/4波片、传感光纤环和反光镜，所述传感光纤环的一端与所述1/4波片连接，另一端与所述反光镜连接。
可选地，所述光源为超辐射发光二极管。
可选地，所述耦合器的分光比为1:1。
可选地，所述线偏振光转换模块用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光进一步包括：所述非线偏振光包括所述光源发出的光或所述圆偏振光转换模块得到的圆偏振光。
可选地，所述圆偏振光转换模块用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转进一步包括：所述线偏振光经1/4波片得到左、右旋圆偏振光并传输给所述传感光纤环，所述传感光纤环中的所述左、右旋圆偏振光因法拉第磁光效应产生相反方向的偏转；经所述反光镜反射后，所述左、右旋圆偏振光的偏振模式互换，所述左、右旋圆偏振光在所述传感光纤环中因法拉第磁光效应再次发生偏转。
可选地，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同具体为：所述全光纤电流测量装置之间的传感光纤环的匝数比为整数。
可选地，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同具体为：所述全光纤电流测量装置之间的传感光纤环的匝数比为非整数。
可选地，所述系统的测量范围由传感光纤环匝数较少的所述全光纤电流测量装置决定，所述系统在小电流下的灵敏度与精度由传感光纤环匝数较多的所述全光纤电流测量装置决定。
本申请提供了一种组合式全光纤电流测量系统，包括：数据处理装置和两个或两个以上的全光纤电流测量装置，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同，所述全光纤电流测量装置连接至所述数据处理装置；
其中，所述全光纤电流测量装置用于测量电流，包括光源、耦合器、线偏振光转换模块、光纤延时环、圆偏振光转换模块、检测器和数据处理模块；所述线偏振光转换模块的一端经所述耦合器与所述光源、所述检测器连接，另一端经所述光纤延时环与所述圆偏振光转换模块连接，所述检测器还与所述数据处理模块连接；所述线偏振光转换模块用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光；所述光纤延时环用于延长所述线偏振光或所述圆偏振光的光路；所述圆偏振光转换模块用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转；所述检测器用于对经过所述耦合器进入的所述线偏振光进行检测；所述数据处理模块用于对所述检测器得到的数据进行处理，得到电流数据；所述数据处理装置对所述电流数据进行处理并输出结果。
本申请的技术方案带来的有益效果是：
采用组合式的全光纤电流测量装置对电流进行测量，由传感光纤匝数较少的电流测量装置决定电流测量的范围，由传感光纤匝数较多的电流测量装置决定在小电流下的电流测试的灵敏度与精度。
采用组合式全光纤电流测量系统，既能实现测量装置量程的扩展，又能在测量范围的不同区间内均能保证较好的测量精度。同时，可根据被测电流大小，对组合式的全光纤电流测量装置的输出进行处理，从而保证在整个量程范围能都有较好的测量灵敏度与测量精度。
附图说明
图1为全光纤电流测量装置的结构示意图；
图2为本申请一种组合式全光纤电流测量装置的结构示意图。
其中，1表示光源，2表示耦合器，3表示线偏振光转换模块3，31表示起偏器，32表示45度熔接点，4表示圆偏振光转换模块4，41表示1/4波片，42表示传感光纤环，43表示反光镜，5表示检测器，6表示数据处理模块，7表示光纤延时环，8表示数据处理装置，9表示相位调制器，10表示被测电流。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种组合式全光纤电流测量系统，以解决现有电流测量装置的测量精度与测量范围很难同时兼顾的技术问题。
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
现有电流测量装置的测量精度与测量范围很难同时兼顾，在其量程的不同区间，测量精度也存在区别。本申请针对上述问题，提出了一种组合式全光纤电流测量系统，能够实现测量装置量程的扩展，并且在测量范围的不同区间均能保证较好的测量精度。
现有测量装置多为单一结构，其传感部分的设计参数需根据被测电流大小进行调整，满足在额定量程范围附近具有规定的精度。当电流过大时会超出量程范围会造成传感部分饱和或烧毁，或是数字处理部分的饱和，当电流远小于额定量程时，传感部分的相对误差通常会变大，难以满足同时测量范围大与测量精度高的要求。
以现有全光纤电流互感器为例，虽然传感光纤为非接触式，过大的电流不会使其损坏，但根据偏振光旋转相位角与被测电流值的关系，光强与旋转相位角的关系可知，光强随电流大小将呈周期性变化，大电流将使输出饱和进入下一周期。此外，被测电流产生的光强变化需要由数据处理模块进行信号的处理，将其转换为电流的大小并以符合要求的通信协议传送给用户。例如当用1个字节的数字量来描述电流大小时，当输出数据的精度不变时(如1个二进制表示0.01a电流)，测量范围越大，要求的数字量越大，同理在测量范围一定时，要求精度更高，则需输出更大数字量。然而在现有的协议与常用的程序设计中，对数字量位数与大小都有统一的要求，改变数字量信号的位数将涉及到一系列后续应用的变更，不容易实现。
本申请实施例利用光纤匝数与偏振光旋转相位角的关系，通过多个不同匝数光纤合理的搭配，可满足在不同量程范围内至少有一套传感光纤不会出现偏振光旋转相位角的饱和。另外在数字量输出上，通过最后数据处理装置8可综合多套全光纤电流测量的测量信息，选取合适的值进行标准的输出。
本申请实施例提供了一种组合式全光纤电流测量系统，包括：数据处理装置8和两个或两个以上的全光纤电流测量装置，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同，所述全光纤电流测量装置连接至所述数据处理装置8；
其中，所述全光纤电流测量装置用于测量电流，包括光源1、耦合器2、线偏振光转换模块3、光纤延时环7、圆偏振光转换模块4、检测器5和数据处理模块6；
所述线偏振光转换模块3的一端经所述耦合器2与所述光源1、所述检测器5连接，另一端经所述光纤延时环7与所述圆偏振光转换模块4连接，所述检测器5还与所述数据处理模块6连接；
所述线偏振光转换模块3用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光；
所述光纤延时环7用于延长所述线偏振光或所述圆偏振光的光路；
所述圆偏振光转换模块4用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转；
所述检测器5用于对经过所述耦合器2进入的所述线偏振光进行检测；
所述数据处理模块6用于对所述检测器5得到的数据进行处理，得到电流数据；
所述数据处理装置8对所述电流数据进行处理并输出结果。
线偏振光转换模块3包括：起偏器31和45度熔接点32，起偏器31与45度熔接点32电连接，起偏器31将非线偏振光转换为线偏振光，线偏振光经45度熔接点32以后分解成为两束相互垂直的所述线偏振光。
圆偏振光转换模块4包括：1/4波片41、传感光纤环42和反光镜43，传感光纤环42的一端与所述1/4波片41连接，另一端与反光镜43连接。
请参阅图1至图2，本申请实施例提供的组合式全光纤电流测量系统中，光源1发出的光经耦合器2一半进入起偏器31，一半进入检测器5。经过起偏器31后，光变为线偏振光，再经过45度熔接点32，变为两束相互垂直的线偏振光。两束相互垂直的线偏振光经过1/4波片41后形成左、右旋圆偏振光，并进入围绕被测电流10的传感光纤环42。被测电流10激发的磁场在传感光纤环42中产生法拉第磁光效应，两束圆偏振光发生相反方向的偏转。经反光镜43反射后，两束偏振光的偏振模式互换，在传感光纤环42中再次因法拉第磁光效应发生偏转。这两束偏振光再次经过1/4波片41，被转换回线偏振光，最后在起偏器31处与入射光发生干涉，并由耦合器2进入检测器5。
偏振光旋转相位角与被测电流10值关系如下：
式中，
检测到的光强与旋转相位角的关系如下：
式中，
为了同时兼顾兼顾测量范围与测量精度的要求，本申请实施例提供了一种组合式全光纤电流测量系统，其结构如图2所示。光源1采用波长稳定的超辐射发光二极管(sld)，耦合器2分光比为1：1，光源1发出的光一半进入起偏器31，一半进入检测器5。经过起偏器31后，光变为线偏振光，再经过45度熔接点32，变为两束相互垂直的线偏振光。两束相互垂直的线偏振光经过1/4波片41后形成左、右旋圆偏振光，并进入围绕被测电流10的传感光纤环42。
被测电流10激发的磁场在传感光纤环42中产生法拉第磁光效应，两束圆偏振光发生相反方向的偏转；经反光镜43反射后，两束偏振光偏振模式互换，在传感光纤中再次因法拉第磁光效应发生偏转。这两束偏振光再次经过1/4波片41，被转换回线偏振光，最后在起偏器31处与入射光发生干涉，并由耦合器2进入检测器5。该结构光路中没有增加相位调制器9。
当被测电流10较小时，φ值较小，余弦函数变化较小，
式中，φa为由相位调制器引入的角度偏置。这样工作点附近响应的斜率不为零，可增加灵敏度。
增加传感光纤环42的匝数，可使被测电流产生的φ值增加，在电流较小时也能获得较高的灵敏度。
全光纤电流测量装置还可以包括：光纤延时环7，用于延长线偏振光或圆偏振光的光路。光信号通过光纤延时环7不仅可以实现信号的传输，还可得到经延迟的光信号。光纤延时环7的延时由光纤长度和光在光纤中的传播速度决定。
本申请实施例将传感光纤环42的匝数设计为x*n匝(x＝2，3，4...)，增加光纤匝数以提高小电流时的灵敏度与精度。同时为扩大测量范围，增加一个n匝的光纤电流测量装置。根据被测电流10的大小，对两套测量装置的输出进行处理，从而在全测量范围内得到较为精确的结果。对组合式全光纤电流测量系统，匝数较少的测量装置决定其测量范围，匝数较多的测量装置决定其小电流下的灵敏度与精度。
本申请实施例中，对匝数n的确定是由被测电流10大小决定的，保证额定量程电流下的偏振光旋转相位角在(-π，π)之间，且绝对值尽可能的接近π以充分利用设备量程。x则根据实际需求确定，x越大，在小电流下的测量灵敏度越高。
请参阅图2，图2中的数据处理装置10可根据被测电流10大小选择组合式测量装置的输出，从而保证在整个量程范围能都有较好的测量灵敏度与测量精度。
以图2中的组合式全光纤电流测量系统为例，当被测电流10在0-0.2p.u.时，选用2*n匝光纤电流测量装置输出作为整体的输出，可获得较高的测量灵敏度与测量精度；当被测电流10在0.2p.u.-0.5p.u.时，两套光纤电流测量装置输出均可作为整体的输出；当被测电流10在0.5p.u.-1p.u.时，2*n匝光纤电流测量装置超过量程，此时选用n匝光纤电流测量装置输出作为整体的输出。当电流在小范围波动时，如在0.7p.u.至0.8p.u.之间波动，则可参考2*n匝光纤电流测量装置输出使整体输出结果具有更高的灵敏度。
更进一步地，组合式全光纤电流测量系统可由两个及以上的不同匝数的传感光纤环组成，它们之间的匝数可为整数倍或非整数倍。通过多个全光纤电流测量装置的组合，可保证测量范围内不同区间的测量精度与灵敏度。
本申请实施例提供的组合式全光纤电流测量系统，采用组合式的全光纤电流测量装置对电流进行测量，由传感光纤匝数较少的电流测量装置决定电流测量的范围，由传感光纤匝数较多的电流测量装置决定在小电流下的电流测试的灵敏度与精度；能够实现测量装置量程的扩展，并且在测量范围的不同区间均能保证较好的测量精度。
本申请实施例提供的组合式全光纤电流测量系统，既能实现测量装置量程的扩展，又能在测量范围的不同区间内均能保证较好的测量精度。同时，可根据被测电流10的大小，利用数据处理装置8对组合式的全光纤电流测量装置的输出进行处理，从而保证在整个量程范围能都有较好的测量灵敏度与测量精度。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，包括：数据处理装置和两个或两个以上的全光纤电流测量装置，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同，所述全光纤电流测量装置连接至所述数据处理装置；
其中，所述全光纤电流测量装置用于测量电流，包括光源、耦合器、线偏振光转换模块、光纤延时环、圆偏振光转换模块、检测器和数据处理模块；
所述线偏振光转换模块的一端经所述耦合器与所述光源、所述检测器连接，另一端经所述光纤延时环与所述圆偏振光转换模块连接，所述检测器还与所述数据处理模块连接；
所述线偏振光转换模块用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光；
所述光纤延时环用于延长所述线偏振光或所述圆偏振光的光路；
所述圆偏振光转换模块用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转；
所述检测器用于对经过所述耦合器进入的所述线偏振光进行检测；
所述数据处理模块用于对所述检测器得到的数据进行处理，得到电流数据；
所述数据处理装置对所述电流数据进行处理并输出结果。
2.根据权利要求1所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述线偏振光转换模块包括：起偏器和45度熔接点，所述起偏器与所述45度熔接点连接，所述起偏器将非线偏振光转换为线偏振光，所述45度熔接点将所述线偏振光分解为两束相互垂直的所述线偏振光。
3.根据权利要求2所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述圆偏振光转换模块包括：1/4波片、传感光纤环和反光镜，所述传感光纤环的一端与所述1/4波片连接，另一端与所述反光镜连接。
4.根据权利要求3所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述光源为超辐射发光二极管。
5.根据权利要求4所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述耦合器的分光比为1:1。
6.根据权利要求5所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述线偏振光转换模块用于将非线偏振光转换为所需的线偏振光进一步包括：所述非线偏振光包括所述光源发出的光或所述圆偏振光转换模块得到的圆偏振光。
7.根据权利要求6所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述圆偏振光转换模块用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，并对所述圆偏振光进行偏转进一步包括：所述线偏振光经1/4波片得到左、右旋圆偏振光并传输给所述传感光纤环，所述传感光纤环中的所述左、右旋圆偏振光因法拉第磁光效应产生相反方向的偏转；经所述反光镜反射后，所述左、右旋圆偏振光的偏振模式互换，所述左、右旋圆偏振光在所述传感光纤环中因法拉第磁光效应再次发生偏转。
8.根据权利要求3所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同具体为：所述全光纤电流测量装置之间的传感光纤环的匝数比为整数。
9.根据权利要求3所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述全光纤电流测量装置的测量范围不同具体为：所述全光纤电流测量装置之间的传感光纤环的匝数比为非整数。
10.根据权利要求1所述的组合式全光纤电流测量系统，其特征在于，所述系统的测量范围由传感光纤环匝数较少的所述全光纤电流测量装置决定，所述系统在小电流下的灵敏度与精度由传感光纤环匝数较多的所述全光纤电流测量装置决定。
技术总结