【正文】 磁式電流互感器信號通過導(dǎo)線傳輸時將受到嚴(yán)重的電磁干擾，影響測量準(zhǔn)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(shù)增加這些電磁式電流互感器的缺點是由其基本結(jié)構(gòu)造成的，是無法改變的。從光纖傳感器問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在的光纖傳感器已經(jīng)應(yīng)用用到測量電流、電壓、商業(yè)、 醫(yī)學(xué) 、工業(yè)控制各個領(lǐng)域。 根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（ ） (傳感器通用術(shù)語 )，傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。s output, signal processing circuits including photoelectric translating circuit, preamplifier, correlation detector, lowpass filter and ARIvI processor have been designed. The fundamental wave was changed into directcurrent ponent through correlation detector, and then the directcurrent ponent was separated by lowpass filter. At last, the AD conversion was pleted by ARM processor to do signal processing and output display. The simulation mode was established in the Matlab environment. The 畢業(yè)設(shè)計（論文） III simulation analysis as well as the noise analysis was carried out. Finally, the analysis of the relationship between sensor39。 根據(jù)傳感器的輸出信號的特點，設(shè)計了信號處理電路。畢業(yè)設(shè)計（論文） I 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(guān)注。對信號進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和前置放大，然后使用相關(guān)檢測技術(shù)，將一次諧波的幅值轉(zhuǎn)變成直流信號。s input and output was analyzed by using functionfitting method. The fitting coefficients and error were given and quadratic or quartic curve fitting was proposed. KEYWORDS: fiberoptic sensor, Faraday effect, correlation detection, signal simulation 畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 前 言 作為信息時代的今天，傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)信息中起著非常重要的作用，成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，分別承擔(dān)著信息的采集、傳輸、處理和儲存等任務(wù)。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn) 換元件組成。作為一種新型傳感器，光纖傳感器將隨著技術(shù)信息的發(fā)展，與光通信一起走進(jìn)千家萬戶，深入到軍事和民用的各個方面。因此，在這種情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。（ 3）抗電磁干擾能力強(qiáng)，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。 (6)適應(yīng)了電力保護(hù)和計量數(shù)字化、智能化以及光通信的發(fā)展趨勢。國外早在 60年代就已經(jīng)開始對光纖電流傳感器進(jìn)行研究了，到現(xiàn)在從事光纖電流傳感器研究的單位有：美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所。同時， GHMoulton 等人設(shè)計了一套高壓保護(hù)裝置，采用了脈沖 傳輸原理。人們發(fā)現(xiàn)：全光型光纖電流傳感器因為結(jié)構(gòu)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(biāo)。他們的研究為光纖電流傳感器的進(jìn)一步發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。 2021 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，第二年 10 月 29 日該公司又在 Rolls Royce 燃?xì)廨啺l(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(xué)器件性能與傳統(tǒng)設(shè)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(hù) CT 接受的所有信息。開始是主要集中在國內(nèi)一些著名高校，如清華、華中科技大學(xué)等，他們首先做大量的理論研究和實踐工作，為推動國內(nèi)的光纖電流傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 但是，國內(nèi)的研究工作還是主要集中在原理性實驗性樣機(jī)的實現(xiàn)上，一般是從檢測方案、信號處理方面來進(jìn)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。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，總 結(jié)了光纖電流傳感器在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。對信號進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和前置放大，然后使用相關(guān)檢測技術(shù)，將一次諧波的幅值轉(zhuǎn)變成直流信號。Faraday 效應(yīng)是指線性偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，理論和實驗表明，對光檢測器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。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。 設(shè)光波沿 z軸傳播，則光矢量必然在垂直于 z軸的 xy平面上振動，則光波可以表示為 : 00c o s ( )EE ???? (21) 式中 : 0,t kz? ? ??? 為初相位。其原理示意圖如圖 所示。 式 ()可以改寫 為 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 2 ( ) / 2 2 ( ) / 2 2 ( ) / 20 112 l r l r i ri n n l i n n l i n n lout EE e e eii? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ??? ??? ? ? ??? ? ? ??? (212) 當(dāng) 2 ( ) ( )22 ( ) ( )2l r l rl r l rn n l n n ln n l n n l?????????????????? (213) 則將 ? 、 ? 代入式（ ）并化簡得 0c ossi nioutE E e? ??? ??? ???? (214) 由式（ ）可知 出射光仍然為線偏振光，只是偏振角旋轉(zhuǎn)了 0? 而又法拉第效應(yīng)可知：旋轉(zhuǎn)角 ? 與外磁場符合以下關(guān)系 LV H dl? ??? (215) 其中 V 為費爾德 (Verdet)常數(shù)，它的大小受光源波長和環(huán)境溫度的影響 。需要注意的是 :式 ()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 ?，F(xiàn)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。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圓偏振光，從而影響系統(tǒng)的性能。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 全光型電流傳感器 全光型電流傳感器 (AFOCS)是將光纖纏繞在通電導(dǎo)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(zhuǎn)角間接的測量出通電導(dǎo)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(xué)電流傳感器。 反射式光纖電流傳感器模型設(shè)計 前面介紹的相位調(diào)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(zhuǎn)角，因此測量的精度就降低。當(dāng)光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋轉(zhuǎn)器時，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將是迭加而不是抵消，此即法拉第效應(yīng)的旋向不可逆性，稱之為非互易旋光性。在整個過程中，兩束光都經(jīng)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。 圖 23反射式全光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 反射結(jié)構(gòu)的返回光波在經(jīng)反射鏡返回至線圈時，偏轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)了 90。 但是反射結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)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(diào)制，因此必需使用雙軸調(diào)制器，通?？蓪⒈Ｆ饫w繞在壓電陶瓷筒 (PZT)上制成相位調(diào)制器，當(dāng) PZT 加上調(diào)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(diào)制信號變化規(guī)律相同的相位差。輸出時 2路光的相位差為 : ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )x y y xtt??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? (221) 本章小結(jié) 本章首先對光纖電流傳感器的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了全面的分析，然后對現(xiàn)有的光纖電流傳感器及信號處理方案進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了相位調(diào)制型光纖電流傳感器，設(shè)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(xì)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(jìn)行了理論上的分析計算，得出了反射式電流傳感器的數(shù)學(xué)模型。 光源 光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。光源發(fā)出的光波長應(yīng)適合要求，以減少在光纖中的能量損失。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?shù)男盘栆{(diào)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。在能量輸運中，提高大功率準(zhǔn)直光源 DFB 半導(dǎo)體激光器 在能量輸運中，提高大功率準(zhǔn)直光源在高速調(diào)制下有單縱模輸出，為動態(tài)單縱模激光器 量子阱半導(dǎo)體激光器 用超薄膜 (20nm)形成有緣層，能呈現(xiàn)量量子效應(yīng)的異 質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 Nd:YAG 晶體光纖激光器 未來的光纖系統(tǒng)的理想光源 光纖激光器 摻稀土的光纖，在外部泵浦時，表現(xiàn)為可調(diào)激光行為 氦氖氣體激光器 (HeNe) 頻率穩(wěn)定性允許數(shù)米的光程差 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 從表 31 可知，每種光源其特性不同，則其使用場合也不相同。 DFB 激光器的性能參數(shù)如表 32， DFB 的特點是 :輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調(diào)制速率高，并且適合于長距離通信。如圖 所示，當(dāng)光纖在 xy平面內(nèi)受到彎曲時，由于應(yīng) 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，其變畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 化量為： 圖 31光纖彎曲的雙折射效應(yīng) 2311 122311 11 12( 2 )4()4xynan p pRnan p p pR?????? ? ???????? ? ? ????? (31)、 (32) 式中， ? 為光纖半徑， R 為光纖彎曲的曲率半徑， ijp 為光纖材料的彈光張量， ? 為泊松比。 從上面分析的過程可知，以入射光纖為軸，使光纖圈面轉(zhuǎn)動，可以改變光