【正文】 測量工具有很高的要求，如必須具備很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。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(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。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 光纖電流傳感器真是為了克服電磁式電流傳感器的缺點而研制的，自七十年代為史以來，受到各國廣泛關(guān)注。（ 2） 光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)中不含鐵芯，因此不存在飽和、鐵磁諧振等問題，測量準(zhǔn)確度得到提高。（ 4）光纖電流傳感器的低壓側(cè)不會有因開路而產(chǎn)生的高壓危險，從而消除了傳統(tǒng)的電磁式電流互感器易燃易爆的問題。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。（ 7）測量的動態(tài)范圍大，可在相當(dāng)寬的電流范圍內(nèi)保持良好的線性特性。 光纖電流傳感器的發(fā)展情況 隨著微電子與光電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器及低損耗光纖的出現(xiàn)，促進了各國對新型互感器的研究。 ABB 跨國公司、法國的 ALTHOM 公司，加拿大的 NXTPhase 公司、日本的東電、住友公司等等。 國外發(fā)展情況 20世紀(jì) 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。 等人進行了超高壓電力電流測量研究，他們采用的是慈光效應(yīng)原理。 20世紀(jì) 70年代，光導(dǎo)纖維制造技術(shù)逐步完善，光纖電流傳感器 因此 也得到迅速發(fā)展。 1977 年英國電力研究所中心的 AJ Rogers 和 AM smith 等人從原理方面對全光型光纖電流傳感器 進行了大量研究在實驗室對實驗裝置進行試驗并獲得成功。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。 90年代起，各國對光纖電流傳感器的研究進一步深入。 Nxtphase 公司采用相位調(diào)制原理研制出了全光纖電流傳感器，由 230kv 和 138kv 兩 個電壓等級在正常計量范圍準(zhǔn)確度高達 %段，在 1998 年，光纖電流傳感器通過各種工業(yè)性試驗，開始商業(yè)生產(chǎn)。 Nxtphase 公司的 3 個可以代替 9 個原有裝置。 國內(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。隨著理論技術(shù)的成熟和市場需求的增加，國內(nèi)一些有實力的集團和廠家開始和高校合作，共同研制。這一時期，畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 推動了我國光纖電流傳感器事業(yè)的發(fā)展。從整體的發(fā)展來說，現(xiàn)在光纖電流傳感器不僅能用于電力系統(tǒng)中電流的測量，同時 被用于導(dǎo)彈、飛機、有人工智能裝置的小型炸彈等的導(dǎo)航系，而且與電機制 造廠、測量儀器儀表廠結(jié)合，還可研制開發(fā)出線路事故點的標(biāo)定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測量、診斷裝置。 本論文的主要 內(nèi)容 本文主要研究光纖電流傳感器技術(shù)以及傳感器信號的處理，在深入研究了光纖電流傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)之上，重點研究了反射式光纖電流傳感技術(shù)以及輸出信號的處理。 第二章，首先深入地研究了光纖電流傳感技術(shù)的理論基礎(chǔ)，對現(xiàn)今的光纖電流傳感器以及其信號處理進行了深入研究，為了提高敏感度，提出了改進方案，即反射式光纖電流傳感器模型，分析了光的偏振變化，并利用 Jones 矩陣分析法對反射式電流傳感器進行了數(shù)學(xué)建模。 第四章，根據(jù)傳感器的輸出 信號的特點，設(shè)計了信號處理電路。然后設(shè)計低通濾波器分離直流信號，最后設(shè)計了處理器電路完成信號的AD轉(zhuǎn)換，用于信號的數(shù)字處理和輸出顯示。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二章 反射式光纖電流傳感器模型建立 光纖電流傳感器的理論基礎(chǔ) 光纖電流傳感器是基于 Faraday 效應(yīng)來檢測電流大小的光學(xué)傳感器件。 JoneS 矩陣是研究光的偏振及偏振系統(tǒng)的有效方法。光的擾動實際上是光波的電場強度與磁場強度的變化。 光波是橫波，因此光波具有偏振性。光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光稱為偏振光。圓偏振光是指在傳播過程中，其光矢量的大小不變、方向規(guī)則變化，其端點的軌跡是一個圓。任一偏振光都可以用兩個振動方向互相垂直、相位有關(guān)聯(lián)的線偏畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 振光來表示 [24]。 用分量的形式可以表示為 0102c o s ( )c o s ( )0xxyyzEEEEE????????? (22) 其中和 1? 、 2? 分別為 x、 y 分量的初相位，不同的取值可表示不同的偏振態(tài)，令初相位差 12? ? ???，化簡公式可以得到 : 2 2 2220 0 0 011 2 c o s s inyxxyx y x yEEEEE E E E ??? ? ? (23) 由式 () 可知 : 當(dāng) 2 , 0 , 1 , 2 .. .2 mm???? ? ? ? ?為 線 偏 振 光 。當(dāng) 2 , 0 , 1 , 2 ...2 mm???? ? ? ? ? ?時，為左旋圓偏振光，其他情況為橢圓偏振光 效應(yīng) 1864 年，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線偏振光沿磁場方向通過置于磁場中的磁光 介質(zhì)時，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)，通常又稱為法拉第效應(yīng)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 21法拉第效應(yīng)原理圖 法拉第效應(yīng)的本質(zhì)為磁致圓雙折射 [27]，即圓偏振光經(jīng)過法拉第效應(yīng)后相位發(fā)生變化。 采用瓊斯矩陣分析如下 : 入射的線偏振光表示為左、右旋圓偏振光之和 : 000 1 1 10 22in EEEE ii? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? (210) 這兩束圓偏振光經(jīng)過材料后出射，光程為 L，相對于入射光來說，光波有一個相移 2/nl? ? ??? ，因此，出射光波為 2/ /001122 l ri n l i n loutEEE e eii?? ??? ?? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ? (211) 其中， : ln 為左旋圓偏振光的折射率， rn 為右旋圓偏振光的折射率。H為磁場強度 。 當(dāng)光行進的路線圍繞載流導(dǎo)體閉合時 ，根據(jù)安培環(huán)路定律式 ()可變?yōu)橐画h(huán)路積分 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 LV H dl VI? ? ? ?? (216) 若線圈為 N圈時，其結(jié)果為 : LNV H d l NV I? ? ? ?? (217) 由此可以知道，積分的結(jié)果只和電流有關(guān)。(2)線偏振光行進的路線為閉合環(huán)路。 光纖電流傳感器對比研究 光纖電流傳感器從出現(xiàn)以來，就被受到重視。 塊狀玻璃型光纖電流傳感器 塊狀玻璃型光纖電流傳感器基本原理是 :利用全反射，使線性偏振光通過玻璃材料內(nèi)部多次反射，形成環(huán)繞通電導(dǎo)體的閉合光路，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。這種電流傳感器具有線性范圍寬、穩(wěn)定性好、精度較高、受光纖線性雙折射影響較小等優(yōu)點 。 混合型光纖電流傳感器 混合型光纖電流傳感器是利用電磁感應(yīng)原理制作成傳感頭，將其信號通過光纖傳輸?shù)娇刂剖?，這就是混合式電流互感器，既可以解決高壓隔離問題又使系統(tǒng)簡單緊湊?；旌闲凸饫w電流傳感器的傳感頭側(cè)都要有偏置電源，給電子或光電元件供電，光纖在混合型光纖電流傳感器中僅僅起到傳輸光信號的作用，對于光纖而言，這種混合型光纖電流傳感器屬于非功能性傳感器。這種全光型電流傳 感器的特點有 :測量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等。按照它信號檢測方法的不同，可分為偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型兩種。針對這樣的情況，主要有兩中解決方式 :一是改善光纖的固有雙折射，二是設(shè)法增大法拉第轉(zhuǎn)角。當(dāng)光波通過置于磁場中的法拉第旋轉(zhuǎn)器時，迎著外加磁場磁感應(yīng)強度方向觀察，光波的偏振方向總是沿與磁場 (H)方向構(gòu)成右手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。利用法拉第效應(yīng)的非互易性，對上述結(jié)構(gòu)作出改進，即反射式光纖電流傳感器模型。經(jīng)過反射后的圓偏振光按原路返回，再次經(jīng)法拉第效應(yīng)，然后通過入 /4 波片轉(zhuǎn)換回線偏振光，經(jīng)過反射的光攜帶了相位差信息經(jīng)過 禍合 器被傳送至光電探測器。相位差取決于在傳感區(qū)域的磁場大小。這種結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器，在其他同等條件下，靈敏度是前面介紹的偏轉(zhuǎn)型光纖電流傳感器的 4倍，相位調(diào)制型光纖電流傳感器的 2倍。使正反通過光纖線圈的偏振光相互正交，從而使得光纖中的附加線雙折射相互抵消，而法拉第效應(yīng)是非互易的，所以光波正反兩次通過光纖圈時，法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不會相互抵消，反而加倍了，所以這種結(jié)構(gòu)不但能夠減少光纖線性雙折射的影響，還能夠使法拉第效應(yīng)加倍 。另外反射結(jié)構(gòu)使用的器件相對較少、容易搭建，因此與偏振旋轉(zhuǎn)型和相位調(diào)制型結(jié)構(gòu)相比反射結(jié)構(gòu)具有靈敏度高、抗干擾能力更強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析 為了更進一步的分析反射式光纖電流傳感器的原理，對通過其的光信號的偏振態(tài)的變化進行分析，如圖 所示。經(jīng)反射， 3 和 4交換快慢軸，因此受到的調(diào)制分別為 ()xt?和 ()yt? 。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第三章 反射式光纖電流傳感器設(shè)計 反射式電流傳感器 具有靈敏度高、受外界干擾影響小、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。本章將針對反射式電流傳感器模型中的各個器件進行設(shè)計和選擇。其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。由于光纖傳感器的工作環(huán)境特殊，要求光源的體積小，便于和光纖禍合等。光源要有足夠的亮度。此外 要求光源的穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長期穩(wěn)定地工作，還要求光源的噪聲小、使用方便等。 目前光纖傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有 :半導(dǎo)體激光器 LD、半導(dǎo)體發(fā)光二極畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 管 LED、放大自發(fā)輻射 ASE 光源和半導(dǎo)體分布式反饋激光器 DFB 等。 表 31光纖傳感系統(tǒng)中常用光源及特性 名稱 特性描述及應(yīng)用 白熾光 源采用某種寬帶光源譜濾波的傳感器 發(fā)光二極管 (LED) 20nm 的短波相干長度，用于非相干測量傳感器可用于光纖干涉測量激光器 半導(dǎo)體激光二極管 (LD) 用于大功率脈沖激光器 (如光時域反射計 )和相陣激光器 。在本系統(tǒng)中，因為采用了相位調(diào)制的原理，對光源有相干要求，因此不能選擇非相干光源 。半導(dǎo)體激光器尤其是可以控制激光輸出為單縱模的分布反饋式半導(dǎo)體激光器 (DFB)性能好，具有一定的相干性，且穩(wěn)定性高，是適合反射式光纖電流傳 感器系統(tǒng)的理想光源。 表 32 DFB激光器的性能參數(shù) 4? 延遲器的設(shè)計 在光纖系統(tǒng)中，相位延遲可以使用光纖偏振控制器來實現(xiàn)。 光纖偏振控制器通常利用的是彈光效應(yīng)來改變光纖中的雙折射，以控制光纖中