【正文】 器得到 ? ?cos mt? 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。相關檢測就是這么畢業(yè)設計（論文） 31 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，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 圖 44相關檢測原理框圖 設被測量信號和參考信號分別為： ? ? ? ?c ossmx t V t???? （ 44） ? ? ? ?c o srmr t V t?? （ 45） 式中， m? ，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 畢業(yè)設計（論文） 32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?c os c os1c os c os 2211c os c os 222s m r ms r ms r s r mu t x t r t V t V tV V tV V V V t? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? （ 46） 式（ ）中第一項 ? ?1 cos2srVV ?的第一項為乘積的差頻分量，第二項? ?1 co s 22 s r mV V t???為乘積的和頻分量。 由此可見，經過相關處理后，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。 圖 45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 : 畢業(yè)設計（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成正比。由余弦函數的性質可以知道，當 0?? 時，輸出信號 ? ?0 12 sru t VV?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 : ? ? ? ? ? ?0 c o s c o s 2 c o s 3 .. .m m mu u a t b t c t? ? ?? ? ? ? （ 48） 設參考信號 為 : ? ? ? ?c o srmr t V t?? （ 49） 則 0u 與 ??rt相乘后，發(fā)生了頻譜遷移，直流分量遷移至 m? 。一次諧波分量遷移至 0 和 2 m? 處 。二次諧波分量遷移至 m? 和 3 m? 處 。三次諧波分量遷移 2 m?和 4 m? 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。 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 :有源型濾波畢業(yè)設計（論文） 34 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 較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 圖 46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)和有源器件 (如集成運算放大器 )組畢業(yè)設計（論文） 35 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 46。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 : ? ? 211xxH jwjb ????????? ???? (410) 式 (410)中， b為巴特沃茲濾波器常數。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 所示。 畢業(yè)設計（論文） 36 圖 48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 所示 圖 49 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。 畢業(yè)設計（論文） 37 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。 畢業(yè)設計（論文） 38 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。光纖電流傳感器以其優(yōu)良的絕緣性、抗電磁干擾性、測量頻帶寬、適合數字化信號處理等優(yōu)點，受到廣泛的關注。 本文對光纖電流傳感技術的理論基礎進行了深入的研究，對現今的光纖電流傳感器以及其信號處理進行了分析和總結，改進了相位調制型光纖電流傳感器，即反射式電流傳感器，使傳感器的靈敏度增加了兩倍，并分析了光的偏振變化，使用 JoneS 矩陣分析法建立了反射式光纖電流傳感器的理論模型。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分析，選擇或設計出適合于反射式光纖電流傳感器的器件。 設計了傳感器的信號處理電路。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。通過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。 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。 畢業(yè)設計（論文） 39 參考文獻 【 1】 朱蘊璞，孔德仁，王芳 .傳感器原理及應用 .北京 :國防工業(yè)出版社， 2021 【 2】 張 洪潤 .傳感器技術大全 (上冊 ).北京 :北京航天航空大學出版社， 2021 【 3】焦斌亮 .Sagnac 干涉型光纖電流傳感器研究 .河北省 :燕山大學， 2021 【 4】王鵬，羅承沐，李成榕等 .新型組合式電壓電流傳感器的研究 .高電壓技 術， 2021， 25(120):61 一 63 【 5】鄧隱北，彭曉華 .光纖電流傳感器的工作原理及應用 .上海電力 .2021(6) 【 6】劉嘩，王采堂，蘇彥民 .三相光學電流互感器基礎理論研究 .高電壓技術 .1999， 25(4):84 一 85 【 7】劉嘩，王采堂等 .三相光學電流互感器的雙折射效應研究 .西安 交通大學學報 .2021， 34(2):24 一 27 【 8】李莉，張心天 .光纖電流傳感器及其研究現狀 .飛通光電子技術 .2021(6):81 一 85 【 9】郁道銀，談恒英 .工程光學 .北京 :機械工業(yè)出版社， 2021 【 10】曲林杰，廖廷彪 .物理光學 .北京 :國防工業(yè)出版社， 1979 【 11】趙勇 .光纖傳感器原理與應用技術 .北京 :清華大學出版社， 2021 【 12】廖延彪 .偏振光學 .北京 :科學出版社， 2021 【 13】黃海 .全光纖電流傳感器中的信號檢測方案與處理方法及光纖中雙折射畢業(yè)設計（論文） 40 效應的影響 .安徽教育學院學報 .2021， 23(3):31 一 34 【 14】劉彬，張君正，李宇波一種新型光纖電流傳感器的設計 .計量學報 .2021，24(1):65 一 68 【 15】劉彬，張秋撣 .一種 3*3 的 Sagnac 光纖高壓電流傳感器的設計 .光學技術 .2021， 27(1):126 一 128， 131 【 16】邱永成 .新型全光纖電流傳感器光路結構研究 .成都 :電子科技大學，2021 【 17】王竹溪，郭敦仁 .特殊函數概論 .北京 :北京大學出版社， 2021 【 18】王紀林，向光輝 .特殊函數與數學物理方程 .上海 :上海交通大學出版社，1989 【 19】方瑛，徐忠昌 .數學物理 方程與特殊函數 .北京 :科學出版社， 2021 【 20】孫敦艷，光纖電流傳感器的研究， 南京理工大學， 2021 畢業(yè)設計（論文） 41 致謝 在本次論文設計過程中， xxxxx 老師對該論文從選題，構思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導 ,使我得以最終完成畢業(yè)論文設計。在學習中 ,老師嚴謹的治學態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學術思維、精 益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風范是我終生學習的楷模，導師 的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神，將永遠激勵著我。這 四 年中還得到眾多老師的關心支持和幫助。在此，謹向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 還要 感謝 xxxxxxxx等 同學，是你們在我平時設計中和我一起探討問題，并指出我設計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現問題把設計順利的進行下去，沒有你們的幫助我不可能這樣順利地結稿，在此表示深深的謝意 ！ 最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參畢業(yè)設計（論文） 42 與本人論文答辯的各位老師表示感謝 ！