[发明专利]用于光纤电流互感器中半导体光源的温度控制方法及装置

说明书

本发明公开了用于光纤电流互感器中半导体光源的温度控制方法及装置，该方法包括：采集热敏电阻运行温度，基于热敏电阻运行温度值与预设运行温度值分别确定运行温度偏差量和运行温度偏差变化率；获取控制器对应的控制参数表，并基于运行温度偏差量、运行温度偏差变化率和控制参数表确定控制器运行参数；基于所述控制器运行参数控制半导体光源的温度。本方法实现了对半导体光源温度的实时调整控制，保障了半导体光源温度控制的实时性和稳定性，以及全光纤电流互感器的安全稳定工作。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及用于光纤电流互感器中半导体光源的温度控制方法及装置。

背景技术

随着特高压电网和智能电网的建设，对交直流大电流传感量测技术提出更高的要求；全光纤电流互感器是一种基于法拉第磁光效应和数字闭环检测技术的光纤传感器，具有可测量交直流电流、高精度、宽频带、绝缘性能好等优点，目前已经逐步得到应用，相比于传统的电磁式电流互感器，全光纤电流互感器的光电模块结构复杂，受电力系统复杂环境的影响，全光纤电流互感器的长期运行可靠性、稳定性尚需提升。

全光纤电流互感器的原理来源于光纤陀螺技术，属于反射式的光纤干涉仪；从半导体光源发出的光经起偏器形成线偏光，经过光纤传输到达高压导体周围的传感光纤环，导体周围空间产生磁场，在传感光纤中产生磁光效应，线偏光的光波偏振面发生旋转，经过耦合透镜进入检偏器后到达光电探测器，通过信号处理检测干涉光的强度来实现对电流的测量，因此电流测量精度和光源关系极为密切，光源输出功率的稳定性直接影响测量结果。

半导体激光器具备独特的高单色性、高能量密度，其输出的精准性和稳定性主要受温度、电流两个物理量的影响，由于激光器内部存在多种不可避免的损耗，热量在器件内部沉积，升温会导致阈值电流增大、中心波长漂移，影响全光纤电流互感器的性能，还会缩短光源的使用寿命，因此，必须对半导体光源的工作温度进行精确控制，并提供稳定的电流；常用的方法是使用主动制冷装置，如热电制冷器(TEC，Thermo Electric Cooler)，利用帕尔帖原理，当TEC流过电流时，制冷器的两个面将产生温度差，其热响应时间较短，操作具有可逆性，改变工作电流方向即可实现制冷和制热模式的切换，再将负温度系数(NTC，Negative Temperature Coefficient)型热敏电阻用于温度控制的反馈测量，随着工艺进步，TEC和NTC元件都可以封装于光源模块内部。

目前，针对半导体光源的温度控制已进行了很多研究，例如，提出了一种激光器温度反馈调节控制电路及方法，采用STM32芯片控制ADN8830温控芯片，STM32芯片通过调节输出到ADN8830温控芯片的电压，控制输出到激光器TEC端的电流，通过旋钮控制输入端设置激光器TEC电流的高电流值、低电流值和判定温度到达设定值的界限，通过ADN8830温控芯片反馈激光器的温度信号，当激光器温度未达到设定值时，电流输出按照设定高电流进行控制，增大温度调节速度；当激光器达温度到设定值时，电流输出按照设定的低电流进行控制，增大调节稳定度。

上述过程是一种比例控制方式，而比例控制会存在一定稳态误差；目前普遍采用PID(比例-积分-微分)算法克服稳态误差，实现半导体光源的恒温控制，例如，针对高精度电流控制、温度控制和磁场干扰问题，提出了一种激光器恒流源驱动和交流控温系统，基于功放的高精度激光器恒流源驱动系统，以及交流温度调制解调检测和交流加热驱动系统，并采用STM32控制器，结合温度模糊自适应PID控制算法进行高精度温度控制。

在不同温度、不同温差下，TEC的电气特性和工作效率存在差异，在控制过程中把温度作为单一的反馈参数，对温度控制的精度和控温范围存在影响，目前半导体光源温度控制中，引入双闭环控制策略提高性能，例如，将TEC的工作特性与光学晶体中热量传递规律相结合，将被控温度和TEC的自身电气特性变化因素同时纳入控制环节中，建立了温度-电流双闭环温度控制模型，内环是电流反馈环，惯性小、调整快，采用PI控制，外环是温度反馈环，采用PID控制。