【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)，是你們在我平時設(shè)計中和我一起探討問題，并指出我設(shè)計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現(xiàn)問題把設(shè)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(jié)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(shè)計（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、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)求實的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵著我。 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一步深入研究。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。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(xì)的分析，選擇或設(shè)計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。 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)。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。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 圖 48 由 2 個二次濾波器串聯(lián)成的 4 階巴特沃茲濾波器 本文設(shè)計的 4階巴特沃茲濾波器電路圖如下圖 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(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)計的要求 。帶阻濾波器 :它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。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 。 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。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(fù)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 )。缺點是 :通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)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。 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(gòu)成的。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 。 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。三次諧波分量遷移 2 m?和 4 m? 處??依次類推，可以得到經(jīng)過乘法器后的信號的頻譜分布。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。 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，因此本文的信號處理采用相關(guān)檢測技術(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提取出來。 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。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。而理想的運算放大器正、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 InGaAsPIN 的輸出特性最好，這也就是選擇運輸放大器來放大 InGaAsP取的輸出信號的原因。再經(jīng)過放大電路將微弱的電流信號放大。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。 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。應(yīng)用相關(guān)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。此時只需要檢測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，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)。 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。這種方法中有兩次專門設(shè)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(fù)雜。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。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(dāng)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。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。 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(xì)的設(shè)計，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。 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 。 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。 則輸出光強為 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 ? ? ? ? ? ?? ??202100211 c os( 4 ) c os c os( ) si n( 4 ) c os c os( )21 ( 1 ) ( ) c os( 2 ) c os( 4 )22 ( 1 ) ( ) c os ( 2 1 ) si n( 4 )1 ( ) 2 ( ) c os( 2 ) c os( 4 ) ...22 ( ) c os( ) si n( 4inout m m m mninn n m mnnn m mninm m mmmII t tIJ n tJ n tIJ J tJt? ? ? ?? ? ???????????? ? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?????3) 2 ( ) c os( 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)信號后，輸出光強為 : ? ? ??? ? ?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 。若能引入一個非互易的偏置相位，就能提高傳感器的靈敏度。 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。 在反射式光纖電流傳感器中設(shè)計的 4? 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(zhuǎn)一定的角度，實現(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換。也就是說， 1/4 拍長的保偏光纖和 4? 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。 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(dāng)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。對于彎曲半徑為 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（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