摘 要：利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，提出了基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)。該光纖電流感測(cè)系統(tǒng)利用法拉第效應(yīng)來(lái)感測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有無(wú)磁滯、飽和之限制，性能足以滿足電流感測(cè)系統(tǒng)，適用于大范圍電流變化值之測(cè)量。通過(guò)虛擬技術(shù)對(duì)待測(cè)電流的波形亦可直接觀察，并可讀出，可方便進(jìn)行波形顯示、電流分析、儲(chǔ)存及處理。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器;光纖電流感測(cè);法拉第效應(yīng)

Measurement System of Fiber-current Sensor Base on VI

Abstract: VI measure system of fiber-current sensor was brought forward using VI designed platform of LabVIEW. This system is used to measure magnetic field of current in virtue of Faraday Effect. It possesses advantages of non-hysteresis, non-saturation and large-scale current measurement. Wave form of current could be observed directly by virtue of virtual-instrument technology. Measure data could be displayed, analyzed, stored and disposed easily. Key words: VI; fiber-current sensor; Faraday Effect 1.引言 　　虛擬儀器是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計(jì)、定義的儀器。它通常由計(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成，儀器模塊中的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、VXI模塊等用于信號(hào)的輸入輸出。虛擬儀器具有很強(qiáng)的分析處理能力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設(shè)計(jì)、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同一臺(tái)虛擬儀器可在更多的場(chǎng)合使用。LabVIEW是美國(guó)NI公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件。LabVIEW有豐富的庫(kù)函數(shù)和功能模塊，并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語(yǔ)言進(jìn)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(yè)等使用高電壓電流之企業(yè)與工廠，對(duì)于持續(xù)運(yùn)作設(shè)備需要高度可靠性之需求而發(fā)展出來(lái)的。光纖電流傳感器從早期使用檢偏器來(lái)測(cè)量線偏振光對(duì)磁場(chǎng)的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測(cè)電流磁場(chǎng)的組件，但是由于光纖本身對(duì)于磁場(chǎng)產(chǎn)生相位變化之系數(shù)（費(fèi)爾德常數(shù)）很小，所以直接量測(cè)并不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而改用干涉式來(lái)將相位變化量轉(zhuǎn)成為光能量變化，從而通過(guò)觀察光能量的變化來(lái)推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號(hào)轉(zhuǎn)換為光能量變化，而相位變化也從主動(dòng)解調(diào)轉(zhuǎn)為被動(dòng)解調(diào)，這是因?yàn)橹鲃?dòng)調(diào)變比較容易受到影響，而且有能量消耗，藉此減少?gòu)闹鲃?dòng)解調(diào)部分產(chǎn)生的噪聲[3][4][5]。本文所設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的光纖電流是一種新型電流測(cè)量系統(tǒng)，它把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到光纖式電流互感器中，可用于測(cè)量母線電流，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)的參數(shù)和波形，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)。 2. 光纖電流感測(cè)系統(tǒng)的硬件組成 [align=center] 圖1 基于虛擬儀器的光纖電流感測(cè)系統(tǒng)[/align] 　　如圖1所示是整個(gè)硬件系統(tǒng)的方框圖。光纖電流感測(cè)系統(tǒng)輸出的光纖干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集卡收集信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M儀器的軟件系統(tǒng)。 　　2.1光纖電流感測(cè)基本原理 　　在本文光纖電流感測(cè)系統(tǒng)中，是利用法拉第（Faraday）效應(yīng)來(lái)感測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。所謂法拉第效應(yīng)就是電磁波經(jīng)過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向平行，電磁波會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的影響，產(chǎn)生出射的線偏振光的偏振平面相對(duì)入射偏振光的偏振平面的旋轉(zhuǎn)，而且此偏振光的偏振平面的旋轉(zhuǎn)量與磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁波在磁場(chǎng)中行進(jìn)距離成正比。而磁場(chǎng)對(duì)電磁波的這種影響稱為法拉第效應(yīng)，這種影響是電磁場(chǎng)固有的特性，由物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)，并由此命名。 　　因此在系統(tǒng)中，我們將光纖纏繞在待測(cè)電流上，使光纖與磁場(chǎng)方向互相平行，使有效的法拉第效應(yīng)最大，由于光也是電磁波，所以光在磁場(chǎng)中會(huì)受法拉第效應(yīng)影響產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)，而根據(jù)旋轉(zhuǎn)的量，可以計(jì)算待測(cè)磁場(chǎng)的大小。在此系統(tǒng)中，是利用電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳播的線偏振光的偏振方向所發(fā)生的總的偏轉(zhuǎn)角為： 　　（1） 　　這里V為光纖的費(fèi)爾徳常數(shù)，l為受法拉第效應(yīng)影響的光纖長(zhǎng)度，而H[sub]l[/sub]為平行光纖行進(jìn)方向的磁場(chǎng)分量。根據(jù)安培定律以光纖環(huán)狀纏繞待測(cè)電流，公式（1）經(jīng)過(guò)環(huán)積分運(yùn)算為 　　（2） 　　N為光纖纏繞圈數(shù)，i為待測(cè)電流強(qiáng)度，因此θ[sub]F[/sub]為光纖纏繞圈數(shù)與待測(cè)電流的函數(shù)。 　　從上面分析可知，在閉合光路的條件下，通過(guò)光纖并環(huán)繞截流導(dǎo)線的線偏振光的偏振角的變化，與光纖所圍的電流成正比。 　　2.2光纖電流感測(cè)光路系統(tǒng) [align=center] 圖2 光纖電流感測(cè)光路系統(tǒng)[/align] 　　光纖電流感測(cè)光路如圖2所示，由激光接上光隔離器、光消偏振器、光循環(huán)器、光偏振器、四分之一波長(zhǎng)板、法拉第旋轉(zhuǎn)器、感測(cè)頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端，通常都會(huì)接上一個(gè)光隔離器，光隔離器是只允許光波單方向傳輸組件，常使用在光源后面，其功能是避免反射的光波回到激光的共振腔，而影響激光的正常操，甚至燒毀激光。激光輸出的光既不是純粹偏振光，也不是非偏振光，而是有殘余部分偏振狀態(tài)偏振光。由于這樣的偏振光偏振方向并不固定，因此直接通過(guò)光偏振器產(chǎn)生的線性偏振光能量也會(huì)隨著通過(guò)之偏振光與光偏振器之夾角而變化。為了要避免這種光能量因偏振光與光偏振器之角度變化產(chǎn)生光功率變化的情況，在系統(tǒng)中使用消光偏振器來(lái)消除激光的偏振狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個(gè)無(wú)偏振狀態(tài)的光源，對(duì)于各個(gè)方向都含有相同的能量，在經(jīng)過(guò)光路后光偏振器而產(chǎn)生穩(wěn)定之偏振光，從而使系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度噪聲降低。光循環(huán)器是利用法拉第原理，使得光在光纖路徑上不會(huì)相互的耦合，具有單向傳輸?shù)奶匦裕⑶揖哂懈綦x器的功能。系統(tǒng)中的光偏振器的作用是產(chǎn)生線性偏振光，并且產(chǎn)生四十五度角分光，使兩道光在X方向與Y方向中行進(jìn)，并且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而四分之一波長(zhǎng)板是將線性偏振光轉(zhuǎn)換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對(duì)電流的感應(yīng)是在光纖感測(cè)頭部分，此系統(tǒng)中的感測(cè)頭為將光纖以相同距離纏繞電流上，這是希望光纖上每一點(diǎn)都對(duì)磁場(chǎng)有相同的相位變化，而且每一點(diǎn)所產(chǎn)生的彎曲損耗也都相同。最后使用法拉第反射鏡，將光予以反射，法拉第反射鏡可以將光旋轉(zhuǎn)九十度，從而對(duì)于在不同路徑上行走的光，旋轉(zhuǎn)九十度而達(dá)到交換路徑，而達(dá)到補(bǔ)償溫度或是振動(dòng)造成的光纖折射率之緩慢變化。 　　光經(jīng)過(guò)光隔離器，光解偏振器，光循環(huán)器，光偏振器，四分之一波長(zhǎng)板，感測(cè)頭，法拉第反射鏡之后在反向經(jīng)過(guò)光纖電流感測(cè)頭，四分之一波長(zhǎng)板，光偏振器，完成一個(gè)回路;在光偏振器的地方產(chǎn)生干涉，由光電轉(zhuǎn)換電路將干涉光轉(zhuǎn)成電信號(hào)之后，在進(jìn)行信號(hào)分析。 3. 光纖電流感測(cè)虛擬軟件系統(tǒng) 　　本光纖電流感測(cè)系統(tǒng)的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，用圖形化語(yǔ)言，根據(jù)需要編寫相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序使其于計(jì)算機(jī)通信，然后將相關(guān)的圖形或圖標(biāo)進(jìn)行連接，選擇合理的方法及參數(shù)就可以構(gòu)成一種新的虛擬儀器。軟件系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）的開發(fā)環(huán)境。它與C、Pascal、Basic等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著諸多相似之處如，相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程;而LabVIEW使用圖形語(yǔ)言（即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等）以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖標(biāo)，如各種旋鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此LabVIEW對(duì)于沒有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。 　　3.1虛擬軟件系統(tǒng)功能 　　本虛擬軟件將有關(guān)測(cè)試功能集成在一個(gè)面板上，這里著重介紹LabVIEW的框圖程序設(shè)計(jì)?？驁D程序是虛擬儀器的核心部分，虛擬示波器儀器主要由它來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。本系統(tǒng)框圖程序主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析和波形存儲(chǔ)及回放等5大功能模塊，如圖3示。 [align=center] 圖3 光纖電流虛擬軟件測(cè)量系統(tǒng)[/align] 　　3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊 　　LabVIEW完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通信內(nèi)置程序庫(kù)，提供了大量的連接機(jī)制，通過(guò)DLLs、共享庫(kù)、OLE等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)直接調(diào)用LabVIEW的端口操作圖標(biāo)InPortvi和OutPort.vi進(jìn)行編程。 這兩個(gè)函數(shù)存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級(jí)模板Memor模板中，分別完成從設(shè)備的物理地址直接讀取和輸出數(shù)據(jù)的功能。只要清楚數(shù)據(jù)采集卡每個(gè)信道的物理地址，通過(guò)對(duì)InPort.vi和OutPort.vi的端口參數(shù)設(shè)置，可以很方便地實(shí)現(xiàn)LabVIEW驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這里我們采用PCI21200數(shù)據(jù)采集卡。該模塊采樣頻率可以在1Hz到250MHz之間調(diào)節(jié)，時(shí)基即水平方向每格代表的時(shí)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(guò)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(hào)一起顯示的波形。 　　3.1.3 參數(shù)測(cè)量模塊 　　參數(shù)測(cè)量模塊包括電流、電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示其測(cè)量結(jié)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(hào)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(cè)信號(hào)的幅值譜分析和功率譜分析。 　　3.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 　　主面板“儲(chǔ)存”與“讀取”按鍵，能將有關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到軟盤或硬盤;或者從軟盤或硬盤上讀取的數(shù)據(jù)，自動(dòng)顯示波形并保留在顯示窗口。 　　3.2 電流比差實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　在系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)光纖部分電流測(cè)試的額定電流為500A，額定電壓為50kV，用該虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)光纖感應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量。用變壓器模擬大電流，通過(guò)虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的比差數(shù)據(jù)見表1： 　　表1 比差試驗(yàn)數(shù)據(jù) 　　從比差實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，測(cè)試精度較高，能夠滿足實(shí)際要求。 4. 結(jié)束語(yǔ) 　　本文工作創(chuàng)新之處在于： 　　1.功能擴(kuò)充。本光纖電流虛擬軟件測(cè)試系統(tǒng)比傳統(tǒng)的校驗(yàn)儀在功能上大大擴(kuò)充了，這不僅給使用帶來(lái)方便，而且從總體性能上也得到提高?？梢酝ㄟ^(guò)具有儲(chǔ)存示波器功能的波形顯示得到直觀、實(shí)時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)的參數(shù)和波形，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)等處理，這是傳統(tǒng)校驗(yàn)儀不能做到的。 　　2.可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。大電流感測(cè)需要長(zhǎng)期在室外運(yùn)行，環(huán)境惡劣，信號(hào)處理部分的電子電路易受電磁干擾，而且還要受到溫度的影響，所以運(yùn)行不穩(wěn)定。本光纖式電流感測(cè)系統(tǒng)具有絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、無(wú)鐵磁飽和、可行性高、靈敏度高、測(cè)量范圍大、頻帶寬。引入虛擬儀器技術(shù)后，光纖產(chǎn)生的電流信號(hào)處理部分由LabVIEW軟件程序完成，可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。 　　3.靈活的開放性。根據(jù)用戶的要求，可以隨時(shí)修改 VI 程序，顯示不同點(diǎn)的測(cè)量值，修改前面板的樣式，調(diào)整程序的功能等。本VI程序可以作為一個(gè)子VI被其他VI調(diào)用，與其他部分共同組成一個(gè)更復(fù)雜的VI程序，實(shí)現(xiàn)更加完善的測(cè)量功能。LabVIEW軟件還能與matlab、C語(yǔ)言接口，通過(guò)matlab和C語(yǔ)言程序加強(qiáng)數(shù)值分析處理能力。 　　光纖式電流感測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代電流測(cè)量研究的熱點(diǎn)，具有廣泛的發(fā)展前景。在信息化要求不斷提高的今天，將虛擬儀器應(yīng)用到電流感測(cè)中是感測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 廖開俊，劉志飛. 虛擬儀器技術(shù)綜述. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，02：6-8 　　[2] 雷振山，張鳳梅，劉兆妮. 基于光纖光柵和虛擬儀器的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)研究. 微計(jì)算機(jī)信息，2005, 15: 128-130 　　[3] 劉霞忠，劉會(huì)金，鄭小敏，楊柳. 基于虛擬儀器技術(shù)的混合式電流互感器設(shè)計(jì). 繼電器，2004， 23：44-48 　　[4] 趙晶晶，馮麗爽. 一種新型的光纖電流互感器. 微計(jì)算機(jī)信息，2005, 09: 135-136 　　[5] 謝玉冰，游大海，黃上游. 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