畢業(yè)設計（論文）_反射式光纖電流傳感器設計

1、畢業(yè)設計（論文）摘 要隨著電壓和電流等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器不能滿足測量的要求，光纖電流傳感器以其特有的優(yōu)勢，受到廣泛的關注。本文對國內外的光纖電流傳感器的研究狀況進行了綜合的概述，針對現行光纖電流傳感器的不足，改進了相位調制型光纖電流傳感器，利用jones矩陣分析法建立了反射式光纖電流傳感器的理論模型。并針對反射式光纖電流傳感器進行了器件的選擇。根據傳感器的輸出信號的特點，設計了信號處理電路。對信號進行了光電轉換和前置放大，然后使用相關檢測技術，將一次諧波的幅值轉變成直流信號。然后設計低通濾波器分離直流信號，最后設計了處理器電路完成信號的ad轉換，用于信號的數字處理和輸出顯示。關鍵

2、詞:光纖電流傳感器，法拉第效應，相關檢測，信號仿真abstractas the increase of the current and voltage，the traditional electromagnetic current transformer could not satisfy the requirements of the measurement. the fiber-optic current sensor was investigated for its unique advantages.the research achievements of the fiber-opti

3、c current sensor have been summarized in the paper. the reflective fiber-optic current sensor has been designed basing on the phase modulated type fiber-optic current sensor. the theory current sensor has been established using jones matrix devices have been chose model of the reflective fiber-optic

4、 analyzing method and the proper device have been chose.according to the characteristics of the sensors output, signal processing circuits including photoelectric translating circuit, preamplifier, correlation detector, low-pass filter and arivi processor have been designed. the fundamental wave was

5、 changed into direct-current component through correlation detector, and then the direct-current component was separated by low-pass filter. at last, the ad conversion was completed by arm processor to do signal processing and output display.the simulation mode was established in the matlab environm

6、ent. the simulation analysis as well as the noise analysis was carried out. finally, the analysis of the relationship between sensors input and output was analyzed by using function-fitting method. the fitting coefficients and error were given and quadratic or quartic curve fitting was proposed. key

7、words: fiber-optic sensor, faraday effect, correlation detection, signal simulation前 言作為信息時代的今天，傳感技術、通信技術和計算機技術在產業(yè)信息中起著非常重要的作用，成為現代信息產業(yè)的三大支柱，分別承擔著信息的采集、傳輸、處理和儲存等任務。其中傳感器作為采集信息的部件，占有非常重要的地位。傳感技術已成為現代技術競爭的核心技術之一，它引起了世界各國的廣泛關注和重視，將其列為各國重點發(fā)展的關鍵技術之一。 根據中華人民共和國國家標準（gb765.87）(傳感器通用術語)，傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照

8、一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。光纖傳感技術是伴隨著光導纖維以及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，他已廣為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術。光纖傳感器相比于其他類型的傳感器而言有很多優(yōu)點，如：電絕緣性、抗電磁干擾、抗腐蝕性等，受到了廣泛的關注和應用。從光纖傳感器問世以來，經過幾十年的發(fā)展，現在的光纖傳感器已經應用用到測量電流、電壓、商業(yè)、醫(yī)學、工業(yè)控制各個領域。作為一種新型傳感器，光纖傳感器將隨著技術信息的發(fā)展，與光通信一起走進千家萬戶，深入到軍事和民用的各個方面。目錄第一章 緒 論11.1 光纖電流傳感器研究背景及意義11.2

9、光纖電流傳感器的發(fā)展情況21.2.1 國外發(fā)展情況31.2.2國內發(fā)展情況41.3本論文的主要內容5第二章 反射式光纖電流傳感器模型建立72.1光纖電流傳感器的理論基礎72.1.1偏振光72.1.2faraday效應92.2光纖電流傳感器對比研究112.2.1塊狀玻璃型光纖電流傳感器112.2.2混合型光纖電流傳感器122.3反射式光纖電流傳感器模型設計132.3.1結構設計142.3.2反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析152.3本章小結17第三章 反射式光纖電流傳感器設計183.1光源183.2 延遲器的設計203.3相位調制器233.4光電探測器253.5本章小結25第四章 信號處理電路設

10、計264.1信號處理總體方案264.2光電轉換和前置放大電路284.4低通濾波器設計34.5本章小結3第五章 結論3參考文獻342第一章 緒 論1.1 光纖電流傳感器研究背景及意義 電流是電力系統(tǒng)主要參數之一，對電流的測量是基本而且非常重要的任務，根據測量的結果，可以為電力系統(tǒng)提供用于計量、控制和繼電保護等所必需的信息，因此對測量工具有很高的要求，如必須具備很高的準確度和穩(wěn)定性?，F在對電流的測量主要采用的是以電磁感應原理為基礎的電流互感器，這種傳統(tǒng)的電磁感應式電流互感器在應用過程中，積累了豐富的實踐經驗，它的各種技術性能、指標均還保持著一定的優(yōu)勢，同時電磁感應原理簡單，可靠性高，不易損壞，上述

11、這些優(yōu)點，是其的已普遍應用的原因之一。但是由于電磁式電流互感器結構原理的特性，使得它存在以下幾個致命缺點：（1）存在絕緣問題，沖油的電磁式電流互感器使用在高壓環(huán)境時，有可能發(fā)生絕緣擊穿，從而引起對地斷路或者突然爆炸的危險；（2）出現磁飽和的問題，電流互感器鐵芯在被測量電流異常增大的時候，將出現磁飽和，這嚴重的影響了電流互感器的測量精確度；（3）存在電磁干擾問題，在高壓環(huán)境中，電磁式電流互感器信號通過導線傳輸時將受到嚴重的電磁干擾，影響測量準確度；（4）成本問題，電磁式電流互感器的成本隨著被測量電流等級的增大，成指數增加這些電磁式電流互感器的缺點是由其基本結構造成的，是無法改變的。因此，在這種情

12、況下研究新型的電流傳感器，光纖電流傳感器就孕育而生了。光纖電流傳感器真是為了克服電磁式電流傳感器的缺點而研制的，自七十年代為史以來，受到各國廣泛關注。與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點：（1）絕緣性能非常好，從材料來說，光纖電流傳感器所用的材料主要是石英光纖，它自身就是很好的絕緣體;（2）光纖電流傳感器的結構中不含鐵芯，因此不存在飽和、鐵磁諧振等問題，測量準確度得到提高。（3）抗電磁干擾能力強，光纖電流傳感器的信號由光來傳輸，具有抗電磁干擾性，這樣測量精度也能增大。（4）光纖電流傳感器的低壓側不會有因開路而產生的高壓危險，從而消除了傳統(tǒng)的電磁式電流互感器易燃易爆的問題。(5

13、) 光纖電流傳感器的體積小，重量輕，光纖電流傳感器的傳感頭，重量小于一公斤。據美國西屋公司公布的磁光式345kv光纖電流互感器，其高度為2.7米，重量為100公斤，而同等電壓等級的沖油式電磁式電流互感器，高為6.1米，重達7718公斤。(6)適應了電力保護和計量數字化、智能化以及光通信的發(fā)展趨勢。（7）測量的動態(tài)范圍大，可在相當寬的電流范圍內保持良好的線性特性。（8）測量的頻帶寬。1.2光纖電流傳感器的發(fā)展情況隨著微電子與光電子技術的快速發(fā)展，特別是半導體激光器及低損耗光纖的出現，促進了各國對新型互感器的研究。國外早在60年代就已經開始對光纖電流傳感器進行研究了，到現在從事光纖電流傳感器研究的

14、單位有：美國國家標準技術研究所。abb跨國公司、法國的althom公司，加拿大的nxtphase公司、日本的東電、住友公司等等。在國內，從80年代起，也開始投入了大量的人力和財力從事光纖電流傳感器的研究開發(fā)，主要是：清華大學、華中科技大學、西安交通大學、北方交通大學、燕山大學等，并且取得較好成果。1.2.1 國外發(fā)展情況20世紀60年代，在1963年安裝在美國俄勒岡州bonneville電力局（bpa）的230kv電網上裝置traser，它通過玻璃波導實現了信號傳輸，這是光纖電流傳感器得最初形式。同時，ghmoulton等人設計了一套高壓保護裝置，采用了脈沖傳輸原理。s.saito等人進行了超

15、高壓電力電流測量研究，他們采用的是慈光效應原理。可以看出，這一時期的研究維權光纖電流傳感器的發(fā)展打下了初步理論和技術基礎，是光纖電流傳感器的興起階段，光線電流傳感理論、方法的試驗期。20世紀70年代，光導纖維制造技術逐步完善，光纖電流傳感器因此也得到迅速發(fā)展。人們發(fā)現：全光型光纖電流傳感器因為結構簡單、重量輕、形狀隨意等優(yōu)點，它一被提出，就成了研究者們追求的目標。1977年英國電力研究所中心的aj rogers和am smith等人從原理方面對全光型光纖電流傳感器進行了大量研究在實驗室對實驗裝置進行試驗并獲得成功。在1979年成功安裝在發(fā)電站上，開始運行，并獲得成功。在此之后，德國apapp等

16、人對全光纖式光纖電流傳感器的原理、結構、特性、測量及信號處理等方面，進行了系統(tǒng)專題研究，取得了較大成果。他們的研究為光纖電流傳感器的進一步發(fā)展做出了巨大貢獻。90年代起，各國對光纖電流傳感器的研究進一步深入。在1995年，abb公司研發(fā)出多種電壓等級的交流、直流數字光電式光纖電流傳感器。nxtphase公司采用相位調制原理研制出了全光纖電流傳感器，由230kv和138kv兩個電壓等級在正常計量范圍準確度高達0.2%段，在1998年，光纖電流傳感器通過各種工業(yè)性試驗，開始商業(yè)生產。2000年5月12號，nxtphase公司在英國的lngledow變電站安裝了額定電壓為230kv的三相式傳感器，第

17、二年10月29日該公司又在rolls royce燃氣輪發(fā)電站安裝了一個138kv的三相試制系統(tǒng)，改三相nxvct系統(tǒng)的光學器件性能與傳統(tǒng)設備的性能相比：能夠提供從三個高壓測量vct、三個低壓測量ct和三個保護ct接受的所有信息。nxtphase公司的3個可以代替9個原有裝置。nxtphase公司計劃在今后將安裝更多的電壓電流傳感器，電壓等級將擴展到765kv。1.2.2國內發(fā)展情況相對于國外的情況，國內的研究比較晚，開始于20實際80年代，無論從技術上和研究成果來看，都相對于落后。開始是主要集中在國內一些著名高校，如清華、華中科技大學等，他們首先做大量的理論研究和實踐工作，為推動國內的光纖電流

18、傳感器的發(fā)展奠定了基礎。隨著理論技術的成熟和市場需求的增加，國內一些有實力的集團和廠家開始和高校合作，共同研制。如沈陽互感器廠、保定天威集團、浙江上互公司等，這些廠家在生產互感方面有著豐富的經驗，并且具有很強大的經濟實力和專門的優(yōu)秀人才，在自主研發(fā)和引進國外先進技術相結合的基礎上，對光纖電流傳感器進行專門研制和研發(fā)。這一時期，推動了我國光纖電流傳感器事業(yè)的發(fā)展。但是，國內的研究工作還是主要集中在原理性實驗性樣機的實現上，一般是從檢測方案、信號處理方面來進行研究，還沒有觸及到如何保持光纖傳感頭性能的環(huán)境穩(wěn)定性問題上，在全光纖電流傳感器的研究上落后于國外回。從整體的發(fā)展來說，現在光纖電流傳感器不僅

19、能用于電力系統(tǒng)中電流的測量，同時被用于導彈、飛機、有人工智能裝置的小型炸彈等的導航系，而且與電機制造廠、測量儀器儀表廠結合，還可研制開發(fā)出線路事故點的標定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測量、診斷裝置。對光纖電流傳感器的研究不僅具有重要的科研意義，而且在軍事、工業(yè)應用上也非常的重要，隨著光電技術及其相關技術的迅速發(fā)展，光纖電流傳感器的應用前景將日益廣闊。1.3本論文的主要內容本文主要研究光纖電流傳感器技術以及傳感器信號的處理，在深入研究了光纖電流傳感器技術的基礎之上，重點研究了反射式光纖電流傳感技術以及輸出信號的處理。本論文的主要工作如下:第一章，分析了研究光纖電流傳感器的背景和意義

20、，總結了光纖電流傳感器在國內外的發(fā)展狀況。第二章，首先深入地研究了光纖電流傳感技術的理論基礎，對現今的光纖電流傳感器以及其信號處理進行了深入研究，為了提高敏感度，提出了改進方案，即反射式光纖電流傳感器模型，分析了光的偏振變化，并利用jones矩陣分析法對反射式電流傳感器進行了數學建模。第三章，考慮反射式光纖電流傳感器的特性和應用的環(huán)境等因素，針對性的對反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的光源、光電探測器、相位延遲器、相位調制器等各個部件進行了詳細的設計，完成了反射式光纖電流傳感器器件的選擇。第四章，根據傳感器的輸出信號的特點，設計了信號處理電路。對信號進行了光電轉換和前置放大，然后使用相關檢測技術，將一

21、次諧波的幅值轉變成直流信號。然后設計低通濾波器分離直流信號，最后設計了處理器電路完成信號的ad轉換，用于信號的數字處理和輸出顯示。最后進行了總結和展望。第二章 反射式光纖電流傳感器模型建立2.1光纖電流傳感器的理論基礎光纖電流傳感器是基于faraday效應來檢測電流大小的光學傳感器件。faraday效應是指線性偏振光沿外加磁場方向通過介質時其偏振面發(fā)生旋轉的現象。jones矩陣是研究光的偏振及偏振系統(tǒng)的有效方法。2.1.1偏振光光是頻率極高的一種電磁波，它的電矢量和磁矢量的方向均垂直于波傳播的方向。光的擾動實際上是光波的電場強度與磁場強度的變化。當光與物質相互作用時，理論和實驗表明，對光檢測器

22、起作用的是電矢量而不是磁矢量，所以只需考慮電場的作用，因此用電矢量來表示光矢量。光波是橫波，因此光波具有偏振性。就偏振性而言，光一般可以分為偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光稱為偏振光。線偏振光是指在傳播過程中，光矢量的方向不變，其大小隨相位變化的光，這時在垂直于傳播方向的平面上，光矢量端點的軌跡是一直線。圓偏振光是指在傳播過程中，其光矢量的大小不變、方向規(guī)則變化，其端點的軌跡是一個圓。橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均規(guī)則變化，光矢量端點沿橢圓軌跡轉動。任一偏振光都可以用兩個振動方向互相垂直、相位有關聯的線偏振光來表示24。設光波沿z軸傳播，則光矢量必然在

23、垂直于z軸的xy平面上振動，則光波可以表示為: (2-1)式中: 為初相位。用分量的形式可以表示為 (2-2)其中和、分別為x、y分量的初相位，不同的取值可表示不同的偏振態(tài)，令初相位差，化簡公式可以得到: (2-3)由式(2.3)可知:當為線偏振光; 當 時，為左旋圓偏振光;當時，為左旋圓偏振光，其他情況為橢圓偏振光2.1.2faraday效應1864年，法拉第發(fā)現，當線偏振光沿磁場方向通過置于磁場中的磁光介質時，其偏振面發(fā)生旋轉，這種現象稱為磁致旋光效應，通常又稱為法拉第效應。其原理示意圖如圖2.1所示。 圖2-1法拉第效應原理圖法拉第效應的本質為磁致圓雙折射27，即圓偏振光經過法拉第效應后

24、相位發(fā)生變化。因為線偏振光可以表示為正交的兩束左旋和右旋的圓偏振光的疊加，則立方晶體或各向同性材料的法拉第效應，其旋轉角取決于沿磁場方向傳播的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的折射率之差。采用瓊斯矩陣分析如下:入射的線偏振光表示為左、右旋圓偏振光之和: (2-10)這兩束圓偏振光經過材料后出射，光程為l，相對于入射光來說，光波有一個相移 ，因此，出射光波為 (2-11) 其中，: 為左旋圓偏振光的折射率，為右旋圓偏振光的折射率。式 (2.11)可以改寫為 (2-12)當 (2-13)則將、代入式（2.1.2）并化簡得 (2-14)由式（2.1.4）可知出射光仍然為線偏振光，只是偏振角旋轉了而又法拉第

25、效應可知：旋轉角與外磁場符合以下關系 (2-15)其中v為費爾德(verdet)常數，它的大小受光源波長和環(huán)境溫度的影響;h為磁場強度;l為光束在介質中通過的距離。當光行進的路線圍繞載流導體閉合時，根據安培環(huán)路定律式 (2.15)可變?yōu)橐画h(huán)路積分: (2-16)若線圈為n圈時，其結果為: (2-17)由此可以知道，積分的結果只和電流有關。需要注意的是:式(2.17)成立的條件:(1)線偏振光的偏振態(tài)能夠保持不受磁場以外的外界條件影響，即保持線偏振而不蛻變?yōu)闄E圓偏振光;(2)線偏振光行進的路線為閉合環(huán)路。只有同時滿足這兩個條件，式(2.17)才成立。2.2光纖電流傳感器對比研究光纖電流傳感器從出

26、現以來，就被受到重視?，F有的光纖電流傳感器按照它的傳感頭的不同，可以分為全光型光纖電流傳感器、塊狀玻璃型光纖電流傳感器和混合型光纖電流傳感器。2.2.1塊狀玻璃型光纖電流傳感器塊狀玻璃型光纖電流傳感器基本原理是:利用全反射，使線性偏振光通過玻璃材料內部多次反射，形成環(huán)繞通電導體的閉合光路，其結構如圖2.2所示。圖2-2狀玻璃型光纖電流傳感器的傳感頭結構通過測量線偏振光的法拉第旋轉角，從而間接的測量電流。這種電流傳感器具有線性范圍寬、穩(wěn)定性好、精度較高、受光纖線性雙折射影響較小等優(yōu)點;但是存在加工難度大、傳感頭易碎、成本高等缺點，且在光反射過程中不可避免的引入了反射相移，使兩兩正交的線偏光變成橢

27、圓偏振光，從而影響系統(tǒng)的性能。2.2.2混合型光纖電流傳感器混合型光纖電流傳感器是利用電磁感應原理制作成傳感頭，將其信號通過光纖傳輸到控制室，這就是混合式電流互感器，既可以解決高壓隔離問題又使系統(tǒng)簡單緊湊。這類互感器大多采用rogwski線圈將被測電流轉換成電壓信號，再將電壓信號轉換成光信號傳輸，對光信號的調制可以采用相位調制、波長調制及強度調制等多種方法?；旌闲凸饫w電流傳感器的傳感頭側都要有偏置電源，給電子或光電元件供電，光纖在混合型光纖電流傳感器中僅僅起到傳輸光信號的作用，對于光纖而言，這種混合型光纖電流傳感器屬于非功能性傳感器。2.2.3全光型電流傳感器全光型電流傳感器(afocs)是將

28、光纖纏繞在通電導體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中的法拉第旋轉角間接的測量出通電導體中電流的大小，它的傳光與傳感部分均采用光纖，是典型的功能型光學電流傳感器。這種全光型電流傳感器的特點有:測量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結構簡單、靈敏度高等。但是由于光纖內部存在線性雙折射，從而影響測量精度和長期穩(wěn)定性。按照它信號檢測方法的不同，可分為偏振調制型和相位調制型兩種。2.3反射式光纖電流傳感器模型設計前面介紹的相位調制型光纖電流傳感器的主要的缺點有:光纖固有雙折射引起的光偏振態(tài)的改變傾向于淹沒法拉第旋轉角，因此測量的精度就降低。針對這樣的情況，主要有兩中解決方式:一是改善光纖的固有雙折射，二是設法

29、增大法拉第轉角。改善光纖的固有折射率上節(jié)中已經提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第轉角。當光波通過置于磁場中的法拉第旋轉器時，迎著外加磁場磁感應強度方向觀察，光波的偏振方向總是沿與磁場(h)方向構成右手螺旋的方向旋轉，而與光波的傳播方向無關。當光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋轉器時，其偏振方向旋轉角將是迭加而不是抵消，此即法拉第效應的旋向不可逆性，稱之為非互易旋光性。利用法拉第效應的非互易性，對上述結構作出改進，即反射式光纖電流傳感器模型。2.3.1結構設計圖2.6為反射式光纖電流傳感器的基本結構，光源發(fā)出的光經單模光纖傳輸后被送至起偏器，成為線偏振光，通過45度熔接點分成偏振方向相互垂直

30、的兩束光，再經入/4波片入射光轉換為兩個旋向相反(左旋和右旋)的圓偏振光，進入傳感區(qū)域，經過一次法拉第效應后，到達反射鏡，發(fā)生反射，它們的偏振態(tài)在反射時發(fā)生了交換，即原左旋光變成了右旋光，原右旋光變成了左旋光。經過反射后的圓偏振光按原路返回，再次經法拉第效應，然后通過入/4波片轉換回線偏振光，經過反射的光攜帶了相位差信息經過禍合器被傳送至光電探測器。在整個過程中，兩束光都經歷了保偏光纖的兩個軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。相位差取決于在傳感區(qū)域的磁場大小。又由于兩束光都經歷了兩次法拉第效應，因此其相位差為4倍的法拉第相移。這種結構的光纖電流傳感器，在其他同等條件下，靈敏度是

31、前面介紹的偏轉型光纖電流傳感器的4倍，相位調制型光纖電流傳感器的2倍。圖2-3反射式全光纖電流傳感器的基本結構反射結構的返回光波在經反射鏡返回至線圈時，偏轉光旋轉了90。，使正反通過光纖線圈的偏振光相互正交，從而使得光纖中的附加線雙折射相互抵消，而法拉第效應是非互易的，所以光波正反兩次通過光纖圈時，法拉第旋轉效應不會相互抵消，反而加倍了，所以這種結構不但能夠減少光纖線性雙折射的影響，還能夠使法拉第效應加倍;反射結構的兩束干涉光在同一根光纖中傳輸，因此能夠降低外界因素(如溫度、壓力等)的干擾，且不受sganac效應的影響。另外反射結構使用的器件相對較少、容易搭建，因此與偏振旋轉型和相位調制型結構

32、相比反射結構具有靈敏度高、抗干擾能力更強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是反射結構在實際應用中，由于兩束正交偏振光波在同一根光纖中傳輸且同時受到調制，因此必需使用雙軸調制器，通?？蓪⒈Ｆ饫w繞在壓電陶瓷筒 (pzt)上制成相位調制器，當pzt加上調制信號時，沿保偏光纖兩個正交軸傳播的線偏振光將引入與調制信號變化規(guī)律相同的相位差。2.3.2反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析為了更進一步的分析反射式光纖電流傳感器的原理，對通過其的光信號的偏振態(tài)的變化進行分析，如圖2.7所示。圖2-4反射式光纖電流傳感器中光的偏振態(tài)變化 光源發(fā)出的光通過起偏器p后變?yōu)榫€偏振光，經過45度熔接點后分解成偏振方垂直的兩束光，這兩束光

33、經法拉第效應后產生了一定的相位差，返回時再次被45度熔接點分光，使得到達起偏器p有四束光，因此可以把第一次通過p的光看成是1、2、3、4四束光波的合成，經過45度熔接點時1、3路光沿光纖快軸傳播(x偏振)，2、4路沿光纖慢軸傳播(y偏振)，它們同時經過相位調制器，因此1、3路和2、4路光相位分別受到和的相位調制，其中為光路傳輸時間。經反射，1、3和2、4交換快慢軸，因此受到的調制分別為和。輸出時1、2路光的相位差為: (2-2-1)2.3本章小結本章首先對光纖電流傳感器的理論基礎進行了全面的分析，然后對現有的光纖電流傳感器及信號處理方案進行了深入研究，并在此基礎上改進了相位調制型光纖電流傳感器

34、，設計了反射式光纖電流傳感器模型，提高了光纖電流傳感器的靈敏度，并從偏振態(tài)的角度詳細的分析每個物理過程，然后利用瓊斯矩陣，針對反射式光纖電流傳感器進行了理論上的分析計算，得出了反射式電流傳感器的數學模型。第三章 反射式光纖電流傳感器設計反射式電流傳感器具有靈敏度高、受外界干擾影響小、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。在第二章中對反射式光纖電流傳感器進行了建模。本章將針對反射式電流傳感器模型中的各個器件進行設計和選擇。3.1光源光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的技術指標。光源的作用是將電信號轉換為光信號功率，實現電光的轉換，以便在光纖中傳輸。由于光纖傳感器的工作環(huán)境特殊，要

35、求光源的體積小，便于和光纖禍合等。光源發(fā)出的光波長應適合要求，以減少在光纖中的能量損失。光源要有足夠的亮度。在相當多的光纖傳感器中還對光源的相干性有要求。此外要求光源的穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長期穩(wěn)定地工作，還要求光源的噪聲小、使用方便等。同時對于全光纖電流傳感器，其信號通常要通過通信光纖傳輸至控制室遙測或監(jiān)視，所以傳輸的信號要調制在通信光纖的低損耗窗口波長上在選擇光源的時候，只有清楚地知道了各種光源的特性，才能從中選出適合反射式光纖電流傳感器的光源。目前光纖傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有:半導體激光器ld、半導體發(fā)光二極管led、放大自發(fā)輻射ase光源和半導體分布式反饋激光器dfb等。如表3-1

36、，常用光源及特性，其中前面兩種白熾光源和發(fā)光二極管屬于非相干光源，后面的六種屬于相干光源。表3-1光纖傳感系統(tǒng)中常用光源及特性名稱特性描述及應用白熾光源采用某種寬帶光源譜濾波的傳感器發(fā)光二極管(led)20nm的短波相干長度，用于非相干測量傳感器可用于光纖干涉測量激光器半導體激光二極管(ld)用于大功率脈沖激光器(如光時域反射計)和相陣激光器;在能量輸運中，提高大功率準直光源dfb半導體激光器在能量輸運中，提高大功率準直光源在高速調制下有單縱模輸出，為動態(tài)單縱模激光器量子阱半導體激光器用超薄膜(20nm)形成有緣層，能呈現量量子效應的異質結半導體激光器nd:yag晶體光纖激光器未來的光纖系統(tǒng)的

37、理想光源光纖激光器摻稀土的光纖，在外部泵浦時，表現為可調激光行為氦氖氣體激光器(he-ne)頻率穩(wěn)定性允許數米的光程差從表3-1可知，每種光源其特性不同，則其使用場合也不相同。在本系統(tǒng)中，因為采用了相位調制的原理，對光源有相干要求，因此不能選擇非相干光源;主要是在氣體激光器和半導體激光器中選擇。半導體激光器尤其是可以控制激光輸出為單縱模的分布反饋式半導體激光器(dfb)性能好，具有一定的相干性，且穩(wěn)定性高，是適合反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的理想光源。dfb激光器的性能參數如表3-2，dfb的特點是:輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調制速率高，并且適合于長距離通信。表3-2 dfb激光器的性能

38、參數3.2 延遲器的設計在光纖系統(tǒng)中，相位延遲可以使用光纖偏振控制器來實現。偏振控制器是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài)的器件。光纖偏振控制器通常利用的是彈光效應來改變光纖中的雙折射，以控制光纖中光波的偏振態(tài)。如圖3.1所示，當光纖在xy平面內受到彎曲時，由于應力的作用，光纖中x軸和y軸方向(y軸垂直于圖面向外)的折射率發(fā)生變化，其變化量為： 圖3-1光纖彎曲的雙折射效應 (3-1)、(3-2)式中，為光纖半徑，r為光纖彎曲的曲率半徑，為光纖材料的彈光張量，為泊松比。以普通的石英光纖為例，n=1.46， =0.16， =0.121， =0.27，代入式(3.1)和式(3.2)可得

39、: (3-3)在圖3.1中，快軸(x軸)位于彎曲平面內快，慢軸(y軸) 直于彎曲平面。對于彎曲半徑為r的n圈線圈，選擇適當的n和r，可以得到: (3-4)根據式(3.4)，只要設置好相應的參數，就可以制作的延遲器;因此，只要適當設置n、r值，就可以制作、延遲器。從上面分析的過程可知，以入射光纖為軸，使光纖圈面轉動，可以改變光纖中雙折射軸的方向，產生的效果和轉動波片的偏振軸方向一樣，因此當線偏振光入射到這樣的一個延遲器時，通過調節(jié)光纖線圈方向，使出射光變成圓偏振光，這就是一個有光纖圈組成的偏振控制器。偏振控制器一般由和光纖圈串聯組成，適當的調節(jié)兩光纖圈的角度，可以得到任意的偏振態(tài)。雖然通用的偏振

40、控制器使用方便，但是它的結構復雜，成本較高，而且不易與系統(tǒng)集成?？疾毂Ｆ饫w是利用光纖的高雙折射特性，使得兩個偏振模之間不易禍合，維持偏振態(tài)穩(wěn)定的。也就是說，1/4拍長的保偏光纖和的波片是等價的，如果能夠保證入射線偏振光和保偏光纖的快、慢軸之間成45。角，就能夠實現線偏振光到圓偏振光的轉換，但這對保偏光纖長度的控制以及光纖連接要求較高。在反射式光纖電流傳感器中設計的延遲器采用的方案是:在保偏光纖的出射端，將一定長度的保偏光纖扭轉一定的角度，實現線偏振光到圓偏振光的轉換。這種方法的優(yōu)點是:傳輸光纖和傳感光纖之間可以采用熔接的方法直接鏈接，使得整個系統(tǒng)的結構簡單，易于調試。一個線偏振光沿保偏光纖傳

41、播時，在出射端，將1/2拍長的保偏光纖扭轉，出射光將變成圓偏振光，完成延遲器的設計。3.3相位調制器由第二章的分析，反射式光纖電流傳感器的輸出光為 (3-5) 由此可以看出傳感器的輸出是和相位的余弦函數成有關，由于值一般較小，所以傳感器處于最不敏感的區(qū)域。若能引入一個非互易的偏置相位，就能提高傳感器的靈敏度。因此加入相位調制器。 加入相位調信號后，輸出光強為: (3-6)當加入的調制信號為 (3-7) 式中: 為最佳調制深度; 為調制頻率。則輸出光強為:(3-8)由此可見， )的幅值為： (3-9)則:當相位調制器信號的最佳調制深度確定以后，一階貝塞爾函數為常數，若能從輸出電信號中得到a的值，

42、就可以求得法拉第轉角值在系統(tǒng)中采用的是壓電陶瓷(pzt)相位調制器，如圖3.2所示。 圖3-2壓電陶瓷筒的結構在調制信號的驅動下，纏繞在壓電陶瓷(pzt)筒上的光纖長度發(fā)生變化，從而實現了光相位的調制。3.4光電探測器 目前光信號強度直接進行處理還非常的困難，一般都是將光信號轉換成電信號進行處理。光電轉換的好壞直接影響到后面信號的優(yōu)劣，因此選擇一款好的光電探測器非常的重要。現在的光探測器主要分為兩種:一種是以吸收光子使器件升溫來探測入射光能的熱電器件;另一種是將入射光轉化為電流或者電壓的光電器件。在光纖傳感系統(tǒng)中，由于要求對所采用的檢測器具有波長選擇性，因此系統(tǒng)一般都會采用光電器件。將光強轉化

43、為電流，便于進一步的處理。3.5本章小結本章綜合考慮反射式光纖電流傳感器的特性和應用的環(huán)境等因素，針對性的對反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的光源、光電探測器、相位延遲器、相位調制器等各個部件進行了詳細的設計，完成了反射式光纖電流傳感器器件的選擇。第四章 信號處理電路設計4.1信號處理總體方案反射式電流傳感器的輸出信號為帶有電流信息的光強信號，信號處理就是從該光強信號中得出電流大小的信號。通過對該信號進行光電轉換，放大處理，再解調出需要的電流信號的信息。對于通常的光纖式傳感器的信號，通常需要使用特定光電探測器將其轉換為電信號，便于進一步的處理。由第二章的分析可以知道:輸出信號中一次諧波分量的幅值為:

44、（4-1）當相位調制器信號的最佳調制深度確定以后，一階貝塞爾函數為常數，若能從輸出電信號中得到a的值，就可以求的法拉第轉角值。也就是說:只要提取出輸出信號的一次諧波分量就可以得到需要的電流信息。因為處理的信號含有多次諧波并且信號的幅度很小，處理相對很困難。現在一般的處理方法是：圖4-1一般光纖電流傳感器信號處理方案這種處理方式是直接在多次諧波中先后經過高通和低通濾波器將一次諧波提取出，再將一次交流放大，最后通過其他電路設計，得到一次諧波的幅度值。這種方法中有兩次專門設計的放大，兩次濾波，并且通過了濾波后的信號還是交流信號，還需進一步的處理來提取幅值，顯得較為復雜。經過深入的研究分析，本文建立了

45、如圖4.2的信號處理的總體方案。圖4-2信號處理總體方案傳感器輸出信號經過光電探測器進行轉換后，光強信號轉換成電流信號，此時的信號還非常的微弱，因此需要經過前置放大。經過前置放大的信號，包含直流分量以及各次諧波分量，本文處理電路的目的就是檢測出一次諧波分量的幅值。提取一次諧波分量時，使用相關技術，通過使用一個與一次諧波同頻率和同相位的相關信號與前置放大后的信號進行相關，使得一次諧波的幅值和相關后的直流分量有關。同時，原有的直流分量，以及其他諧波分量都不體現在直流分量中。此時只需要檢測出直流分量的大小就得到需要的信息。所以，相關后的信號經過低通濾波得到直流分量，直流分量經過a/d轉換，轉換成數字

46、信號，經arm處理器處理后就可以顯示輸出傳感器測量的電流值。應用相關處理，不僅可以將一次諧波變?yōu)橹绷鞣至?，而且還可以對信號進行放大。使得信號處理的過程簡單明了。4.2光電轉換和前置放大電路反射式光纖電流傳感器的輸出信號是光強信號，而現在直接對光強信號進行處理還比較困難，因此需經過光電轉換將光信號轉換為電信號，再經前置放大來獲得便于后期處理的信號。本設計中使用光電二極管將光信號轉換成電流信號，然后再進行放大。圖4-3就是本文設計的采用了ingaas-pin光電二極管的光電檢測和前置放大電路。 圖4-3前置放大電路原理圖如圖4-3所示:光電二極管ingaas-pin取使用的是短路的接法，光信號照射

47、到光電二極管ingaas-pin上，ingaas-pin將接收到的光信號轉變?yōu)榕c光強成比例的電流信號，但是此時的電流信號很小，需要將其放大。再經過放大電路將微弱的電流信號放大。光電二極管ingaas-pin相當于一個電流源，當它的負載阻抗阻值為0時，輸出特性最好。而理想的運算放大器正、負輸入端正好有“虛短”(即兩端輸入端之間電壓差為零），此時ingaas-pin的輸出特性最好，這也就是選擇運輸放大器來放大ingaas-p取的輸出信號的原因。設集成運算放大器op-07-1的開環(huán)增益為a，則此時ingaas-p創(chuàng)光電二極管的負載電阻為rl/a，但是集成運算放大器op-07-1的開環(huán)增益a很大，即使

48、使用的負載電阻rl很大，rl/a的值還是非常小，幾乎可以忽略。所以利用“虛短”、“虛斷”，ingaas-p取管產生的電流信號 流過反饋電阻rl，則集成運算放大器op-07-1的輸出電壓u，為:，由此，可以看出，電流信號轉變?yōu)榕c之成比例的電壓信號u:，在經過由集成運算放大器op-07-2組成的電壓放大器，可以將前面的到的電壓信號u，放大，并可以調整到需要的電壓范圍。光電二極管ingaas-p則采用的是短路的接法，因此不必考慮暗電流的影響，則最終得到的電壓信號signal-amp的值為: （4-2）式(4-2)就是該光電轉換電路的放大公式，到此，完成了光信號到電壓信號的轉化并放大，為相關檢測等后級

49、電路的處理做好了準備。4.3相關檢測技術由一前面的分析，可知:光電流信號到電壓信號的轉化為線性的，電壓信號是的多次諧波的形式出現，輸出電壓信號可以表示為: （4-3）該信號可以通過帶通濾波器得到項，即輸出電壓的一次諧波分量。但是帶通濾波器不能設計的很窄，同時帶通濾波器往往由于電子元件的特性會使得帶通頻率發(fā)生變化。若能使用一種方法使得一次諧波分量轉化為直流分量，就可以直接使用低通濾波器將需要的信號提取出來。相關檢測就是這么一種方法，經過相關后，一次諧波信號就體現在直流分量中，可以使用低通濾波器直接濾波得到。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻帶寬度不受調制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于帶通濾波器

50、，因此本文的信號處理采用相關檢測技術。相關檢測原理：相關檢測原理基本框如圖4.4 圖4-4相關檢測原理框圖設被測量信號和參考信號分別為： （4-4） （4-5）式中，是被測量信號和參考信號的頻率，為相位差 則輸出信號u(t)為 （4-6）式（4.6）中第一項的第一項為乘積的差頻分量，第二項為乘積的和頻分量。由此可見，經過相關處理后，原來頻率為腳的信號的頻率遷移到頻率為0和2，處，頻譜遷移后形狀不變，幅值為，如圖4-5所示。圖4-5信號處理過程中頻譜遷移圖(a)原頻譜圖;(b)遷移后的頻譜圖經過乘法器后的信號再經過低通濾波器，將和頻信號濾除掉，只輸出差頻分量，輸出的信號為: （4-7）輸出信號與

51、被測量信號和參考信號相位差的余弦函數成正比。由余弦函數的性質可以知道，當時，輸出信號達到最大值因為反射式電流傳感器系統(tǒng)中的輸出電壓信號有多次諧波分量，輸出電壓信號可表示為: （4-8）設參考信號為: （4-9）則與相乘后，發(fā)生了頻譜遷移，直流分量遷移至;一次諧波分量遷移至0和2處;二次諧波分量遷移至和3處;三次諧波分量遷移2和4處依次類推，可以得到經過乘法器后的信號的頻譜分布。由此，需要的原一次諧波的振幅值只與遷移后的直流分量有關，此時的信號，僅需經過低通濾波器，得到直流分量，就可以檢測出相應的信號。4.4低通濾波器設計 濾波技術是信號處理中常采用的一種方法之一，它能克服噪聲的不利影響，提高信

52、號的信噪比等等。濾波技術的思想是將信號中的一部分不需要的頻率分量衰減掉，而讓另一部分特定的頻率通過。濾波器按照信號形式的不同可以分為:模擬濾波器和數字濾波器;按照采用的元器件的不同可以分為:有源型濾波器和無源型濾波器。無源濾波器:僅由無源元件(r、l和c)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優(yōu)點是:電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高;缺點是:通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感l(wèi)較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。圖4-6理想濾波器的頻率響應有源濾波器:由無源元件(一般用r和c)

53、和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點是:通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件);缺點是:通帶范圍受有器件(如集成運算放大器)的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。按照所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，如圖4-6。低通濾波器:它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量;高通濾波器:它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量;帶通濾波器:它允許一定頻段的信號

54、通過，抑制低于或高于該頻段的分量;帶阻濾波器:它抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過。本文中需要設計低通濾波器來完成信號的濾波處理，獲得傳感器信號經放大、相關之后的直流分量，要求低通濾波器的帶寬盡量窄，對直流的影響盡量小。為了減少其他分量的影響，得到更好的濾波效果，希望有更窄的帶寬，更陡峭的邊緣，普通一階濾波器不能滿足本設計的要求。本設計采用的是巴特沃茲濾波器(butterworth)，它比上述的簡單的低通濾波器的特性更好，邊沿更陡峭，而且隨著巴特沃茲濾波器的級數的增加，特性的截止陡度越趨于理想。一般的二次的巴特沃茲濾波器的傳遞函數為: (4-10)式(4-10)中，b為巴特沃茲濾波

55、器常數。當多個二次濾波器串聯起來就可以組成高階巴特沃茲濾波器，如圖4.8所示。圖4-8由2個二次濾波器串聯成的4階巴特沃茲濾波器本文設計的4階巴特沃茲濾波器電路圖如下圖4.9所示圖4-9 4階巴特沃茲濾波器電路圖直流信號以及各次諧波分量輸入濾波器，經兩次濾波后去除其他分量，輸出直流分量，以供數字處理器采集使用。4.5本章小結本章的主要工作內容是，根據傳感器的輸出信號的特點，設計了信號處理電路。對信號進行了光電轉換和前置放大，然后使用相關檢測技術，將一次諧波的幅值轉變成直流信號。然后設計低通濾波器分離直流信號，最后用處理器電路完成信號的ad轉換，用于信號的數字處理和輸出顯示。第五章 結論電流是電力系統(tǒng)的基本參數，對其的測量是電力系統(tǒng)的基本且重要的任務。隨著電流和電壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器逐漸暴露出其致命的缺點。光纖電流傳感器