【正文】 內(nèi)發(fā)展情況 相對于國外的情況，國內(nèi)的研究比較晚，開始于 20 實際 80 年代，無論從技術(shù)上和研究成果來看，都相對于落后。在此之后，德國APapp 等人對全光纖式光纖電流傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、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。 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(wǎng)上裝置 Traser，它通過玻璃波導(dǎo)實現(xiàn)了信號傳輸，這是光纖電流傳感器得最初形式。據(jù)美國西屋公司公布的磁光式 345KV 光纖電流互感器，其高度為 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 米，重達 7718公斤。但是由于電磁式電流互感器結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)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(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。 根據(jù)中華人民共和國國家標準（ ） (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。 根據(jù)傳感器的輸出信號的特點，設(shè)計了信號處理電路。對信號進行了光電轉(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。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn) 換元件組成。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。 (6)適應(yīng)了電力保護和計量數(shù)字化、智能化以及光通信的發(fā)展趨勢。同時， GHMoulton 等人設(shè)計了一套高壓保護裝置，采用了脈沖 傳輸原理。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。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)。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)展狀況。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。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。其原理示意圖如圖 所示。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 。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。 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。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。 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，通常可將保偏光纖繞在壓電陶瓷筒 (PZT)上制成相位調(diào)制器，當 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。 光源 光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。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。 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。 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，可以改變光纖中雙折射軸的方向，產(chǎn)生的效果和轉(zhuǎn)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 4? 延遲器時，通過調(diào)節(jié)光纖線圈方向，使出射光變成圓偏振光，這就是一個有 4? 光纖圈組成的偏振控制器。 一個線偏振光沿保偏光纖傳播時，在出射端，將 1/2 拍長的保偏光纖扭轉(zhuǎn)90? ，出射光將變成圓偏振光，完成 4? 延遲器的設(shè)計。 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(zhuǎn)換成電信號進行處理。通過對該信號進行光電轉(zhuǎn)換，放大處理，再解調(diào)出需要的電流信號的信息。 圖 42信號處理總體方案 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 傳感器輸出信號經(jīng)過光電探測器進行轉(zhuǎn)換后，光強信號轉(zhuǎn)換成電流信號，此時的信號還非常的微弱，因此需要經(jīng)過前置放大。 光電轉(zhuǎn)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(xiàn)在直接對光強信號進 行處理還比較困難，因此需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng) 前置放大來獲得 便于后期處理的信號。所以利用“虛畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 短 ” 、“虛斷 ” ， InGaAsP 取管產(chǎn)生的電流信號 mI? ‘流過反饋電阻 Rl，則集成運算放大器 oP071的輸出電壓 u，為 : 15mU I R?? ，由此，可以看出，電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的電壓信號 u:，在經(jīng)過由集成運算放大器 OP072 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(diào)整到需要的電壓范圍。 由此可見，經(jīng)過相關(guān)處理后，原來頻率為 m? 腳的信號的頻率遷移到頻率為 0 和 2 m? ，處，頻譜遷移后形狀不變，幅值為 12sVV，如圖 45所示。 低通濾波器設(shè)計 濾波技術(shù)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，提高信號的信噪比等等。這類濾波器的優(yōu)點是 :通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)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 )。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(shè)計的要求。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 第五章 結(jié)論 電流是電力系統(tǒng)的基本參數(shù)，對其的測 量是電力系統(tǒng)的基本且重要的任務(wù)。 由于作者能力和水平有限，本論文也存在不足的地方，還有很多后期工作需要進一步深入研究。在學(xué)習(xí)中 ,老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精 益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，導(dǎo)師 的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學(xué)精神，將永遠激勵著我。光纖電流傳感器以其優(yōu)良的絕緣性、抗電磁干擾性、測量頻帶寬、適合數(shù)字化信號處理等優(yōu)點，受到廣泛的關(guān)注。一般的二次的巴特沃茲濾波器的傳遞函數(shù)為 : ? ? 211xxH jwjb ????????? ???? (410) 式 (410)中， b為巴特沃茲濾波器常數(shù)。 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 46。濾波器按照信號形式的不同可以分為 :模擬濾波器和數(shù)字濾波器 。(b)遷移后的頻譜圖 經(jīng)過乘法器后的信號再經(jīng)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 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 ? ? ? ?0 1 c o s2 sru t V V ?? （ 47） 輸出信號 ??0ut與被測量信號和參考信號相位差的余弦函數(shù)成正比。 相關(guān)檢測技術(shù) 由一前面的分析，可知 :光電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)化為線性的，電壓信號是 ? ?cos mt? 的多次諧波的形式出現(xiàn)，輸出電壓信號可以表示為 : ? ? ? ? ? ?0 c o s c o s 2 c o s 3 .. .m m mu u a t b t c t? ? ?? ? ? ? （ 43） 該信號可以通過帶通濾波器得到 ? ?cos mt? 項，即輸出電壓的一次諧波分量。圖 43 就是本文設(shè)計的采用了 InGaAsPIN 光電二極管的光電檢測和前置放大電路。提取一次諧波分量時，使用相關(guān)技術(shù)，通過使用一個與一次諧波同頻率和同相位的相關(guān)信號與前置放大后的信號進行相關(guān)，使得一次諧波的幅值和相關(guān)后的直流分量有關(guān)。由第二章的分析可以知道 :輸出信號中一次諧波分量 cos( )mt? 的幅值為 : 1 ( ) s i n( 4 )mmA I J ??? （ 41） 當相位調(diào)制器信號的最佳調(diào)制深度 m? 確定以后，一階貝塞爾函數(shù) 1 mJ? 為常數(shù)，若能從輸出電信號中得到 A 的值，就可以求的法拉第轉(zhuǎn)角 ? 值。 現(xiàn)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 。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。 雖然通用的偏振控制器使用方便，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且不易與系統(tǒng)集成 。偏振控制器是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài)的器件。如表 31，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。 光源的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號功率，實現(xiàn)電光的轉(zhuǎn)換，以便在光纖中傳輸。 圖 24反射式光纖電流傳感器中光的偏振態(tài)變化 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 光源發(fā)出的光通過起偏器 P后變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過 45度熔接點后分解成偏振方垂直的兩束光，這兩束光經(jīng)法拉第效應(yīng)后產(chǎn)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 4四束光波的合成，經(jīng)過 45 度熔接點時 3 路光沿光纖快軸傳播 (x 偏振 )， 4路沿光纖慢軸傳播 (y偏振 )，它們同時經(jīng)過相位調(diào)制器，因此 3路和 4路光相位分別受到 (1 )x ???和 (1 )y ???的相位調(diào)制，其中 ?為光路傳輸時間。又由于兩束光都經(jīng)歷了兩次法拉 第效應(yīng)，因此其相位差為 4 倍的法拉第相移。改善光纖的固有折射率上節(jié)中已經(jīng)提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第轉(zhuǎn)角 。這類互感器大多采用 Rogwski 線圈將被測電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將電 壓信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸，對光信號的調(diào)制可以采用相位調(diào)制、波長調(diào)制及強度調(diào)制等多種方法。只有同時滿足這兩個條件，式 ()才成立。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(yīng)，其旋轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)動。 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。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第三章，考慮反射式光纖電流傳感器的特性和應(yīng)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(diào)制器等各個部件進行了詳細的設(shè)計，完成了反射式光纖電流傳感器器件的選擇。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(chǎn)互感方面有著豐富的 經(jīng)驗，并且具有很強大的經(jīng)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(shù)相結(jié) 合的基礎(chǔ)上，對 光纖電流傳感器