【正文】 在此，謹(jǐn)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(xué)，是你們?cè)谖移綍r(shí)設(shè)計(jì)中和我一起探討問(wèn)題，并指出我設(shè)計(jì)上的誤區(qū)，使我能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題把設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行下去，沒(méi)有你們的幫助我不可能這樣順利地結(jié)稿，在此表示深深的謝意 ！ 最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱，評(píng)議和參畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 42 與本人論文答辯的各位老師表示感謝 ！ 。在學(xué)習(xí)中 ,老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、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(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。 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(jìn)一步深入研究。對(duì)信號(hào)進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和前置放大，然后使用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，將一次諧波的幅值轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)。對(duì)反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的光源、光電 探測(cè)器、相位延遲器、相位調(diào)制器等各個(gè)部件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，選擇或設(shè)計(jì)出適合于反射式光纖電流傳感器的器件。光纖電流傳感器以其優(yōu)良的絕緣性、抗電磁干擾性、測(cè)量頻帶寬、適合數(shù)字化信號(hào)處理等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 第五章 結(jié)論 電流是電力系統(tǒng)的基本參數(shù)，對(duì)其的測(cè) 量是電力系統(tǒng)的基本且重要的任務(wù)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和前置放大，然后使用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，將一次諧波的幅值轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 48由 2個(gè)二次濾波器串聯(lián)成的 4階巴特沃茲濾波器 本文設(shè)計(jì)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(hào)以及各次諧波分量輸入濾波器，經(jīng)兩次濾波后去除其他分量，輸出直流分量，以供數(shù)字處理器采集使用。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)。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(jì)的要求。帶阻濾波器 :它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。高通濾波器 :它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量 。 按照所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，如圖 46。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是 :通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)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 )。缺點(diǎn)是 :通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感 L 較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 無(wú)源濾波器 :僅由無(wú)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(gòu)成的。濾波器按照信號(hào)形式的不同可以分為 :模擬濾波器和數(shù)字濾波器 。 低通濾波器設(shè)計(jì) 濾波技術(shù)是信號(hào)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(hào)的信噪比等等。三次諧波分量遷移 2 m?和 4 m? 處??依次類推，可以得到經(jīng)過(guò)乘法器后的信號(hào)的頻譜分布。一次諧波分量遷移至 0 和 2 m? 處 。(b)遷移后的頻譜圖 經(jīng)過(guò)乘法器后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波器，將和頻信號(hào)濾除掉，只輸出差頻分量，輸出的信號(hào)為 : 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 ? ? ? ?0 1 c o s2 sru t V V ?? （ 47） 輸出信號(hào) ??0ut與被測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)相位差的余弦函數(shù)成正比。 由此可見，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后，原來(lái)頻率為 m? 腳的信號(hào)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。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器，因此本文的信號(hào)處理采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)。若能使用一種方法使得一次諧波分量轉(zhuǎn)化為直流分量，就可以直接使用低通濾波器將需要的信號(hào)提取出來(lái)。 相關(guān)檢測(cè)技術(shù) 由一前面的分析，可知 :光電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化為線性的，電壓信號(hào)是 ? ?cos mt? 的多次諧波的形式出現(xiàn)，輸出電壓信號(hào)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(hào)可以通過(guò)帶通濾波器得到 ? ?cos mt? 項(xiàng)，即輸出電壓的一次諧波分量。所以利用“虛畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 短 ” 、“虛斷 ” ， InGaAsP 取管產(chǎn)生的電流信號(hào) mI? ‘流過(guò)反饋電阻 Rl，則集成運(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的電壓信號(hào) u:，在經(jīng)過(guò)由集成運(yùn)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(hào) U，放大，并可以調(diào)整到需要的電壓范圍。而理想的運(yùn)算放大器正、負(fù)輸入端正好有“虛短” (即兩端輸入端之間電壓差為零），此時(shí) InGaAsPIN 的輸出特性最好，這也就是選擇運(yùn)輸放大器來(lái)放大 InGaAsP 取的輸出信號(hào)的原因。再經(jīng)過(guò)放大電路將微弱的電流信號(hào)放大。圖 43 就是本文設(shè)計(jì)的采用了 InGaAsPIN 光電二極管的光電檢測(cè)和前置放大電路。 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(hào)是光強(qiáng)信號(hào)，而現(xiàn)在直接對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn) 行處理還比較困難，因此需經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng) 前置放大來(lái)獲得 便于后期處理的信號(hào)。應(yīng)用相關(guān)處理，不僅可以將一次諧波變 為直流分量，而且還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。此時(shí)只需要檢測(cè)出直流分量的大小就得到需要的信息。提取一次諧波分量時(shí)，使用相關(guān)技術(shù)，通過(guò)使用一個(gè)與一次諧波同頻率和同相位的相關(guān)信號(hào)與前置放大后的信號(hào)進(jìn)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)。 圖 42信號(hào)處理總體方案 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)還非常的微弱，因此需要經(jīng)過(guò)前置放大。這種方法中有兩次專門設(shè)計(jì)的放大，兩次濾波，并且通過(guò)了濾波后的信號(hào)還是交流信號(hào)，還需進(jìn)一步的處理來(lái)提取幅值，顯得較為復(fù)雜。因?yàn)樘幚淼男盘?hào)含有多次諧波并且信號(hào)的幅度很小，處理相對(duì)很困難。由第二章的分析可以知道 :輸出信號(hào)中一次諧波分量 cos( )mt? 的幅值為 : 1 ( ) s i n( 4 )mmA I J ??? （ 41） 當(dāng)相位調(diào)制器信號(hào)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(hào)中得到 A 的值，就可以求的法拉第轉(zhuǎn)角 ? 值。通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，放大處理，再解調(diào)出需要的電流信號(hào)的信息。 本章小結(jié) 本章綜合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(duì)性的對(duì)反射式光纖電流傳感器系統(tǒng)的光源、光電探測(cè)器、相位延遲器、相位調(diào)制器等各個(gè)部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，完成了反射式光 纖電流傳感器器件的選擇。在光纖傳感系統(tǒng)中，由于要求對(duì)所采用的檢測(cè)器具有波長(zhǎng)選擇性，因此系統(tǒng)一般都會(huì)采用光電器件。 現(xiàn)在的光探測(cè)器主要分為兩種 :一種是以吸收光子使器件升溫來(lái)探測(cè)入射光能的熱電器件 。 光電探測(cè)器 目前光信號(hào)強(qiáng)度直接進(jìn)行處理還非常的困難，一般都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理。 則輸出光強(qiáng)為 : 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 ? ? ? ? ? ?? ??202100211 c o s( 4 ) c o s c o s( ) si n ( 4 ) c o s c o s( )21 ( 1 ) ( ) c o s( 2 ) c o s( 4 )22 ( 1 ) ( ) c o s ( 2 1 ) si n ( 4 )1 ( ) 2 ( ) c o s( 2 ) c o s( 4 ) ...22 ( ) c o s( ) si n ( 4ino u t m m m mninn n m mnnn m mninm m mmmII t tIJ n tJ n tIJ J tJt? ? ? ?? ? ???????????? ? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?????3) 2 ( ) c o s(3 ) si n ( 4 ) ...mmJt? ? ?? ? ?(38) 由此可見， cos( )mt? )的幅值為： 1 ( ) s i n( 4 )in mA I J ??? (39) 則 :當(dāng)相位調(diào)制器信號(hào)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(hào)中得 到 A的值，就可以求得 法拉第轉(zhuǎn)角 ? 值 在系統(tǒng)中采用的是壓電陶瓷 (PZT)相位調(diào)制器，如圖 3..2 所示。 加入相位調(diào)信號(hào)后，輸出光強(qiáng)為 : ? ? ??? ? ?211c o s ( ) ( ) ( ) ( ) 4221 c o s ( ) ( ) ( ) ( ) 42ou t ou tm x y y xmx y y xIEI t t t tIt t t t? ? ?? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?(36) 當(dāng)加入的調(diào)制信號(hào)為 ( ) ( ) ( ) ( ) c o s( )x y y x m mt t t t t? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? (37) 式中 : m? 為最佳調(diào)制深度 。若能引入一個(gè)非互易的偏置相位，就能提高傳感器的靈敏度。 一個(gè)線偏振光沿保偏光纖傳播時(shí)，在出射端，將 1/2 拍長(zhǎng)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(jì)。 在反射式光纖電流傳感器中設(shè)計(jì)的 4? 延遲器采用的方案是 :在保偏光纖的出射端，將一定長(zhǎng)度的保偏光纖扭轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)線偏振光到圓偏振 光的轉(zhuǎn)換。也就是說(shuō)， 1/4 拍長(zhǎng)的保偏光纖和 4? 的波片是等價(jià)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。 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 。 從上面分析的過(guò)程可知，以入射光纖為軸，使光纖圈面轉(zhuǎn)動(dòng)，可以改變光纖中雙折射軸的方向，產(chǎn)生的效果和轉(zhuǎn)動(dòng)波片的偏 振軸方向一樣，因此當(dāng)線偏振光入射到這樣的一個(gè) 4? 延遲器時(shí)，通過(guò)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(gè)有 4? 光纖圈組成的偏振控制器。對(duì)于彎曲半徑為 R的 N圈線圈，選擇適當(dāng)?shù)?N 和 R，可以得到 : 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 2 NR n m??? ? (34) 根據(jù)式 ()，只要設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，就可以制作m?的延遲器 。如圖 所示，當(dāng)光纖在 xy平面內(nèi)受到彎曲