【正文】 光波的偏振態(tài)。以普通的石英光纖為例， n=， ? =， 11p =，12p =，代入式 ()和式 ()可得 : 20 .1 3 3xyan n nR???? ? ? ? ? ? ???? (33) 在圖 中，快軸 (x 軸 )位于彎曲平面內(nèi)快，慢軸 (y 軸 ) 直于彎曲平面。因此，只要適當(dāng)設(shè)置 N、 R值，就可以制作 4? 、 2? 延遲器。 偏振控制器一般由 4? 和 2? 光纖圈串聯(lián)組成，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)兩光纖圈的角度，可以得到任意的偏振態(tài)?？疾毂Ｆ饫w是利用光纖的高雙折射特性，使得兩個偏振模之間不易禍合，維持偏振態(tài)穩(wěn)定的。角，就能夠?qū)崿F(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換，但這對保偏光纖長度的控制以及光纖連接要求較高。這種方法的優(yōu)點是 :傳輸光纖和傳感光纖之間可以采用熔接的方法直接鏈畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 接，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試。 相位調(diào)制器 由第二章的分析，反射式光纖電流傳感器的輸出光為 2 11( c o s ( 4 ) )22o u t o u t mI E I ?? ? ? (35) 由此可以看出傳感器的輸出是和相位的余弦函數(shù)成有關(guān)，由于 ? 值一般較小，所以傳感器處于最不敏感的區(qū)域。因此加入相位調(diào)制器。 m? 為調(diào)制頻率。 圖 32壓電陶瓷筒的結(jié)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 在調(diào)制信號的驅(qū)動下，纏繞在壓電陶瓷 (PZT)筒上的光纖長度發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了光相位的調(diào)制。光電轉(zhuǎn)換的好 壞直接影響到后面信號的優(yōu)劣，因此選擇一款好的光電探測器非常的重要。另一種是將入射光轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的光電器件。將光強轉(zhuǎn)化為電流，便于進(jìn)一步的處理。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 第四章 信號處理電路設(shè)計 信號處理總體方案 反射式電流傳感器的輸出信號為帶有電流信息的光強信號，信號處理就是從該光強信號中得出電流大小的信號。 對于通常的光纖式傳感器的信號，通常需要使用特定光電探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號，便于進(jìn)一步的處理。也就是說 :只要提取出輸出信號的一次諧波分量就可以得到需要的電流信息。現(xiàn)在一般的處理方法是： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 41一般光纖電流傳感器信號處理方案 這種處理方式是直接在多次諧波中先后經(jīng)過高通和低通濾波器將一次諧波提取出，再將一次交流放大，最后通過其他電路設(shè)計，得到一次諧波的幅度值。 經(jīng)過深入的研究分析，本文建立了如圖 的信號處理的總體方案。經(jīng)過前置放大的信 號，包含直流分量以及各次諧波分量，本文處理電路的目的就是檢測出一次諧波分量的幅值。同時，原有的直流分量，以及其他諧波分量都不體現(xiàn)在直流分量中。所以，相關(guān)后的信號經(jīng)過低通濾波得到直流分量，直流分量經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng) ARM 處理器處理后就可以顯示輸出傳感器測量的電流值。使得信號處理的過程簡單明了。本設(shè)計中使用光電二極管將 光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后再進(jìn)行放大。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 43前置放大電路原理圖 如圖 43所示 :光電二極管 InGaAsPIN 取使用的是短路的接法， 光信號照射到光電二極管 InGaAsPIN上， InGaAsPIN 將接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c光強成比例的電流信號，但是此時的電流信號很小，需要將其放大。 光電二極管 InGaAsPIN 相當(dāng)于一個電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗阻值為 0時，輸出特性最好。 設(shè)集成運算放大器 OP071 的開環(huán)增益為 A，則此時 InGaAsP 創(chuàng)光電二極管的負(fù)載電阻為 Rl/A，但是集成運算放大器 OP071的開環(huán)增益 A 很大，即使使用的負(fù)載電阻 Rl很大， Rl/A 的值還是非常小，幾乎可以忽略。光電二極管 InGaAsP 則采用的是短路的接法，因此不必考慮暗電流的影響，則最終得到的電壓信號 signalAMP 的值為 : 660 1 588( 1 ) ( 1 ) mRRU U R I ?? ? ? ? （ 42） 式 (42)就是該光電轉(zhuǎn)換電路的放大公式，到此，完成了光信號到電壓信號的轉(zhuǎn)化并放大，為相關(guān)檢測等后級電路的處理做好了準(zhǔn)備。但是帶通濾波器不能設(shè)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。相關(guān)檢測就是這么畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 一種方法，經(jīng)過相關(guān)后， 一次諧波信號就體現(xiàn)在直流分量中，可以使用低通濾波器直接濾波得到。 相關(guān)檢測原理： 相關(guān)檢測原理基本框如圖 圖 44相關(guān)檢測原理框圖 設(shè)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(shè)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。 圖 45信號處理過程中頻譜遷移圖 (a)原頻譜圖 。由余弦函數(shù)的性質(zhì)可以知道，當(dāng) 0?? 時，輸出信號 ? ?0 12 sru t VV?達(dá)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(shè)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? 。二次諧波分量遷移至 m? 和 3 m? 處 。 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(guān)，此時的信號，僅需經(jīng)過低通濾波器，得到直流分量，就可以檢測出相應(yīng)的信號。濾波技術(shù)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。按照采用的元器件的不同可以分為 :有源型濾波畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 器和無源型濾波器。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 。 圖 46理想濾波器的頻率響應(yīng) 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(shè)計（論文） 35 成。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。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 。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 。 本文中需要設(shè)計低通濾波器來完成信號的濾波處理，獲得傳感器信號經(jīng)放大、相關(guān)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。本設(shè)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(shù)的增加，特性的截止陡度越趨于理想。當(dāng)多個二次濾波器串聯(lián)起來就可以組成高階巴特沃茲濾波器，如圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 本章小結(jié) 本章的主要工作內(nèi)容是，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，最后用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。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。 本文對光纖電流傳感技術(shù)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了深入的研究，對現(xiàn)今的光纖電流傳感器以及其信號處理進(jìn)行了分析和總結(jié)，改進(jìn)了相位調(diào)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。 設(shè)計了傳感器的信號處理電路。通過設(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） 39 參考文獻(xiàn) 【 1】 朱蘊璞，孔德仁，王芳 .傳感器原理及應(yīng)用 .北京 :國防工業(yè)出版社， 2021 【 2】 張 洪潤 .傳感器技術(shù)大全 (上冊 ).北京 :北京航天航空大學(xué)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(xué)， 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(shù)， 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(yīng)用 .上海電力 .2021(6) 【 6】劉嘩，王采堂，蘇彥民 .三相光學(xué)電流互感器基礎(chǔ)理論研究 .高電壓技術(shù) .1999， 25(4):84 一 85 【 7】劉嘩，王采堂等 .三相光學(xué)電流互感器的雙折射效應(yīng)研究 .西安 交通大學(xué)學(xué)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(xiàn)狀 .飛通光電子技術(shù) .2021(6):81 一 85 【 9】郁道銀，談恒英 .工程光學(xué) .北京 :機械工業(yè)出版社， 2021 【 10】曲林杰，廖廷彪 .物理光學(xué) .北京 :國防工業(yè)出版社， 1979 【 11】趙勇 .光纖傳感器原理與應(yīng)用技術(shù) .北京 :清華大學(xué)出版社， 2021 【 12】廖延彪 .偏振光學(xué) .北京 :科學(xué)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(shè)計（論文） 40 效應(yīng)的影響 .安徽教育學(xué)院學(xué)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(shè)計 .計量學(xué)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(shè)計 .光學(xué)技術(shù) .2021， 27(1):126 一 128， 131 【 16】邱永成 .新型全光纖電流傳感器光路結(jié)構(gòu)研究 .成都 :電子科技大學(xué)，2021 【 17】王竹溪，郭敦仁 .特殊函數(shù)概論 .北京 :北京大學(xué)出版社， 2021 【 18】王紀(jì)林，向光輝 .特殊函數(shù)與數(shù)學(xué)物理方程 .上海 :上海交通大學(xué)出版社，1989 【 19】方瑛，徐忠昌 .數(shù)學(xué)物理 方程與特殊函數(shù) .北京 :科學(xué)出版社， 2021 【 20】孫敦艷，光纖電流傳感器的研究， 南京理工大學(xué)， 2021 畢業(yè)設(shè)計（論文） 41 致謝 在本次論文設(shè)計過程中， xxxxx 老師對該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo) ,使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計。這 四 年中還得到眾多老師的關(guān)心支持