畢業(yè)論文反射式光纖電流傳感器模型建立

1、摘 要隨著電壓和電流等級(jí)的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器不能滿足測(cè)量的要求，光纖電流傳感器以其特有的優(yōu)勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的光纖電流傳感器的研究狀況進(jìn)行了綜合的概述，針對(duì)現(xiàn)行光纖電流傳感器的不足，改進(jìn)了相位調(diào)制型光纖電流傳感器，利用Jones矩陣分析法建立了反射式光纖電流傳感器的理論模型。并針對(duì)反射式光纖電流傳感器進(jìn)行了器件的選擇。根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路。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)。然后設(shè)計(jì)低通濾波器分離直流信號(hào)，最后設(shè)計(jì)了處理器電路完成信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，用于信號(hào)的數(shù)字處理和輸出顯示。關(guān)鍵詞:光纖電流傳感

2、器，法拉第效應(yīng)，相關(guān)檢測(cè)，信號(hào)仿真ABSTRACTAs the increase of the current and voltage，the traditional electromagnetic current transformer could not satisfy the requirements of the measurement. The fiber-oPtic current sensor was investigated for its uniqueadvantages.The research achievements of the fiber-optic current

3、 sensor have been summarizedin the paper. Thereflective fiber-oPtic current sensorhas been designed basing on the Phase modulated type fiber-optic current sensor. The theory current sensor has been established using Jones matrix devices have been chosemodel of the reflective fiber-optic analyzing me

4、thod and the proper device have been chose.According to the characteristics of the sensor's output, signal processing circuits including photoelectric translating circuit, preamplifier, correlation detector, low-pass filter and ARIvI processor have been designed. The fundamental wave was changed

5、 into direct-current component through correlation detector, and then the direct-current component was separated by low-pass filter. At last, the AD conversion was completed by ARM processor to do signal processing and output display.The simulation mode was established in the Matlab environment. The

6、 simulation analysis as well as the noise analysis was carried out. Finally, the analysis of the relationship between sensor's input and output was analyzed by using function-fitting method. The fitting coefficients and error were given and quadratic or quartic curve fitting was proposed. KEYWOR

7、DS: fiber-optic sensor, Faraday effect, correlation detection, signal simulation前 言作為信息時(shí)代的今天，傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)信息中起著非常重要的作用，成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，分別承擔(dān)著信息的采集、傳輸、處理和儲(chǔ)存等任務(wù)。其中傳感器作為采集信息的部件，占有非常重要的地位。傳感技術(shù)已成為現(xiàn)代技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一，它引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和重視，將其列為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB765.87）(傳感器通用術(shù)語)，傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)

8、律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維以及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，他已廣為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(hào)的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器相比于其他類型的傳感器而言有很多優(yōu)點(diǎn)，如：電絕緣性、抗電磁干擾、抗腐蝕性等，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。從光纖傳感器問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在的光纖傳感器已經(jīng)應(yīng)用用到測(cè)量電流、電壓、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域。作為一種新型傳感器，光纖傳感器將隨著技術(shù)信息的發(fā)展，與光通信一起走進(jìn)千家萬戶，深入到軍事和民用的各個(gè)方面。目錄第一章緒論11.1 光纖電流傳感器研究背景及意義11.2光纖電流傳感

9、器的發(fā)展情況21.2.1 國(guó)外發(fā)展情況3國(guó)內(nèi)發(fā)展情況41.3本論文的主要內(nèi)容5第二章反射式光纖電流傳感器模型建立72.1光纖電流傳感器的理論基礎(chǔ)7偏振光7效應(yīng)92.2光纖電流傳感器對(duì)比研究11塊狀玻璃型光纖電流傳感器11混合型光纖電流傳感器122.3反射式光纖電流傳感器模型設(shè)計(jì)13結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析152.3本章小結(jié)17第三章反射式光纖電流傳感器設(shè)計(jì)183.1光源183.2 延遲器的設(shè)計(jì)203.3相位調(diào)制器233.4光電探測(cè)器253.5本章小結(jié)25第四章信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)264.1信號(hào)處理總體方案264.2光電轉(zhuǎn)換和前置放大電路284.4低通濾波器設(shè)計(jì)34.5本章小結(jié)3

10、第五章結(jié)論3參考文獻(xiàn)3第一章 緒 論1.1 光纖電流傳感器研究背景及意義電流是電力系統(tǒng)主要參數(shù)之一，對(duì)電流的測(cè)量是基本而且非常重要的任務(wù)，根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，可以為電力系統(tǒng)提供用于計(jì)量、控制和繼電保護(hù)等所必需的信息，因此對(duì)測(cè)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?，F(xiàn)在對(duì)電流的測(cè)量主要采用的是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流互感器，這種傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器在應(yīng)用過程中，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，它的各種技術(shù)性能、指標(biāo)均還保持著一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電磁感應(yīng)原理簡(jiǎn)單，可靠性高，不易損壞，上述這些優(yōu)點(diǎn)，是其的已普遍應(yīng)用的原因之一。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(gè)致命缺點(diǎn)：（1

11、）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(shí)，有可能發(fā)生絕緣擊穿，從而引起對(duì)地?cái)嗦坊蛘咄蝗槐ǖ奈ｋU(xiǎn)；（2）出現(xiàn)磁飽和的問題，電流互感器鐵芯在被測(cè)量電流異常增大的時(shí)候，將出現(xiàn)磁飽和，這嚴(yán)重的影響了電流互感器的測(cè)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(hào)通過導(dǎo)線傳輸時(shí)將受到嚴(yán)重的電磁干擾，影響測(cè)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(cè)量電流等級(jí)的增大，成指數(shù)增加這些電磁式電流互感器的缺點(diǎn)是由其基本結(jié)構(gòu)造成的，是無法改變的。因此，在這種情況下研究新型的電流傳感器，光纖電流傳感器就孕育而生了。光纖電流傳感器真是為了克服電磁式電流傳感器的缺點(diǎn)而研制的

12、，自七十年代為史以來，受到各國(guó)廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）絕緣性能非常好，從材料來說，光纖電流傳感器所用的材料主要是石英光纖，它自身就是很好的絕緣體;（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(cè)量準(zhǔn)確度得到提高。（3）抗電磁干擾能力強(qiáng)，光纖電流傳感器的信號(hào)由光來傳輸，具有抗電磁干擾性，這樣測(cè)量精度也能增大。（4）光纖電流傳感器的低壓側(cè)不會(huì)有因開路而產(chǎn)生的高壓危險(xiǎn)，從而消除了傳統(tǒng)的電磁式電流互感器易燃易爆的問題。(5) 光纖電流傳感器的體積小，重量輕，光纖電流傳感器的傳感頭，重量小于一公斤。據(jù)美國(guó)西屋公司公布的磁光式345K

13、V光纖電流互感器，其高度為2.7米，重量為100公斤，而同等電壓等級(jí)的沖油式電磁式電流互感器，高為6.1米，重達(dá)7718公斤。(6)適應(yīng)了電力保護(hù)和計(jì)量數(shù)字化、智能化以及光通信的發(fā)展趨勢(shì)。（7）測(cè)量的動(dòng)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。（8）測(cè)量的頻帶寬。1.2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(jìn)了各國(guó)對(duì)新型互感器的研究。國(guó)外早在60年代就已經(jīng)開始對(duì)光纖電流傳感器進(jìn)行研究了，到現(xiàn)在從事光纖電流傳感器研究的單位有：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所。ABB跨國(guó)公司、法國(guó)的ALTHOM公司，加拿大的NXTPhase公司、日本的東

14、電、住友公司等等。在國(guó)內(nèi)，從80年代起，也開始投入了大量的人力和財(cái)力從事光纖電流傳感器的研究開發(fā)，主要是：清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、北方交通大學(xué)、燕山大學(xué)等，并且取得較好成果。1.2.1 國(guó)外發(fā)展情況20世紀(jì)60年代，在1963年安裝在美國(guó)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸，這是光纖電流傳感器得最初形式。同時(shí)，GHMoulton等人設(shè)計(jì)了一套高壓保護(hù)裝置，采用了脈沖傳輸原理。S.Saito等人進(jìn)行了超高壓電力電流測(cè)量研究，他們采用的是慈光效應(yīng)原理?？梢钥闯觯@一時(shí)期的研究維權(quán)光纖電流傳感器的發(fā)展打下了初步理論

15、和技術(shù)基礎(chǔ)，是光纖電流傳感器的興起階段，光線電流傳感理論、方法的試驗(yàn)期。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。人們發(fā)現(xiàn)：全光型光纖電流傳感器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、形狀隨意等優(yōu)點(diǎn)，它一被提出，就成了研究者們追求的目標(biāo)。1977年英國(guó)電力研究所中心的AJRogers和AM smith等人從原理方面對(duì)全光型光纖電流傳感器進(jìn)行了大量研究在實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)并獲得成功。在1979年成功安裝在發(fā)電站上，開始運(yùn)行，并獲得成功。在此之后，德國(guó)APapp等人對(duì)全光纖式光纖電流傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性、測(cè)量及信號(hào)處理等方面，進(jìn)行了系統(tǒng)專題研究，取得了較大成果。他們的研

16、究為光纖電流傳感器的進(jìn)一步發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。90年代起，各國(guó)對(duì)光纖電流傳感器的研究進(jìn)一步深入。在1995年，ABB公司研發(fā)出多種電壓等級(jí)的交流、直流數(shù)字光電式光纖電流傳感器。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(gè)電壓等級(jí)在正常計(jì)量范圍準(zhǔn)確度高達(dá)0.2%段，在1998年，光纖電流傳感器通過各種工業(yè)性試驗(yàn)，開始商業(yè)生產(chǎn)。2000年5月12號(hào)，Nxtphase公司在英國(guó)的lngledow變電站安裝了額定電壓為230kv的三相式傳感器，第二年10月29日該公司又在Rolls Royce燃?xì)廨啺l(fā)電站安裝了一個(gè)138kv的三相試制系統(tǒng)，改三相NXVCT

17、系統(tǒng)的光學(xué)器件性能與傳統(tǒng)設(shè)備的性能相比：能夠提供從三個(gè)高壓測(cè)量VCT、三個(gè)低壓測(cè)量CT和三個(gè)保護(hù)CT接受的所有信息。Nxtphase公司的3個(gè)可以代替9個(gè)原有裝置。Nxtphase公司計(jì)劃在今后將安裝更多的電壓電流傳感器，電壓等級(jí)將擴(kuò)展到765kv。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況相對(duì)于國(guó)外的情況，國(guó)內(nèi)的研究比較晚，開始于20實(shí)際80年代，無論從技術(shù)上和研究成果來看，都相對(duì)于落后。開始是主要集中在國(guó)內(nèi)一些著名高校，如清華、華中科技大學(xué)等，他們首先做大量的理論研究和實(shí)踐工作，為推動(dòng)國(guó)內(nèi)的光纖電流傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著理論技術(shù)的成熟和市場(chǎng)需求的增加，國(guó)內(nèi)一些有實(shí)力的集團(tuán)和廠家開始和高校合作，共同研制。

18、如沈陽互感器廠、保定天威集團(tuán)、浙江上互公司等，這些廠家在生產(chǎn)互感方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且具有很強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和專門的優(yōu)秀人才，在自主研發(fā)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對(duì)光纖電流傳感器進(jìn)行專門研制和研發(fā)。這一時(shí)期，推動(dòng)了我國(guó)光纖電流傳感器事業(yè)的發(fā)展。但是，國(guó)內(nèi)的研究工作還是主要集中在原理性實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)上，一般是從檢測(cè)方案、信號(hào)處理方面來進(jìn)行研究，還沒有觸及到如何保持光纖傳感頭性能的環(huán)境穩(wěn)定性問題上，在全光纖電流傳感器的研究上落后于國(guó)外回。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(cè)量，同時(shí)被用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、有人工智能裝置的小型炸彈等的導(dǎo)航系，而且與電機(jī)制造廠、測(cè)量?jī)x器

19、儀表廠結(jié)合，還可研制開發(fā)出線路事故點(diǎn)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(cè)量、診斷裝置。對(duì)光纖電流傳感器的研究不僅具有重要的科研意義，而且在軍事、工業(yè)應(yīng)用上也非常的重要，隨著光電技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖電流傳感器的應(yīng)用前景將日益廣闊。1.3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(hào)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(diǎn)研究了反射式光纖電流傳感技術(shù)以及輸出信號(hào)的處理。本論文的主要工作如下:第一章，分析了研究光纖電流傳感器的背景和意義，總結(jié)了光纖電流傳感器在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。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(duì)現(xiàn)今的光纖電流傳

20、感器以及其信號(hào)處理進(jìn)行了深入研究，為了提高敏感度，提出了改進(jìn)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(duì)反射式電流傳感器進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。第三章，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。第四章，根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路。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)。然后設(shè)計(jì)低通濾波器分離直流信號(hào)，最后設(shè)計(jì)了處理器電路完成信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，用于信號(hào)的數(shù)

21、字處理和輸出顯示。最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。第二章 反射式光纖電流傳感器模型建立2.1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(cè)電流大小的光學(xué)傳感器件。Faraday效應(yīng)是指線性偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過介質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。JoneS矩陣是研究光的偏振及偏振系統(tǒng)的有效方法。2.1.1偏振光光是頻率極高的一種電磁波，它的電矢量和磁矢量的方向均垂直于波傳播的方向。光的擾動(dòng)實(shí)際上是光波的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)光檢測(cè)器起作用的是電矢量而不是磁矢量，所以只需考慮電場(chǎng)的作用，因此用電矢量來表示光矢量。光波是橫波，因此光波具有偏振性。

22、就偏振性而言，光一般可以分為偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光稱為偏振光。線偏振光是指在傳播過程中，光矢量的方向不變，其大小隨相位變化的光，這時(shí)在垂直于傳播方向的平面上，光矢量端點(diǎn)的軌跡是一直線。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(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓。橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均規(guī)則變化，光矢量端點(diǎn)沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)。任一偏振光都可以用兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直、相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來表示24。設(shè)光波沿z軸傳播，則光矢量必然在垂直于z軸的xy平面上振動(dòng)，則光波可以表示為:(2-1)式中:為初相位。用分量的形式可以表示為(2-2)其中和、

23、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，化簡(jiǎn)公式可以得到:(2-3)由式(2.3)可知:當(dāng)為線偏振光; 當(dāng)時(shí)，為左旋圓偏振光;當(dāng)時(shí)，為左旋圓偏振光，其他情況為橢圓偏振光2.1.2Faraday效應(yīng)1864年，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線偏振光沿磁場(chǎng)方向通過置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，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)。其原理示意圖如圖2.1所示。圖2-1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。因?yàn)榫€偏振光可以表示為正交的兩束左旋和右旋的圓偏振光的疊加，則立方晶體或各向同性材料的法拉第效應(yīng)，其旋轉(zhuǎn)角取決

24、于沿磁場(chǎng)方向傳播的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的折射率之差。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: (2-10)這兩束圓偏振光經(jīng)過材料后出射，光程為L(zhǎng)，相對(duì)于入射光來說，光波有一個(gè)相移 ，因此，出射光波為 (2-11) 其中，:為左旋圓偏振光的折射率，為右旋圓偏振光的折射率。式 (2.11)可以改寫為 (2-12)當(dāng)(2-13)則將、代入式（2.1.2）并化簡(jiǎn)得 (2-14)由式（2.1.4）可知出射光仍然為線偏振光，只是偏振角旋轉(zhuǎn)了而又法拉第效應(yīng)可知：旋轉(zhuǎn)角與外磁場(chǎng)符合以下關(guān)系 (2-15)其中V為費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，它的大小受光源波長(zhǎng)和環(huán)境溫度的影響;H為磁

25、場(chǎng)強(qiáng)度;L為光束在介質(zhì)中通過的距離。當(dāng)光行進(jìn)的路線圍繞載流導(dǎo)體閉合時(shí)，根據(jù)安培環(huán)路定律式 (2.15)可變?yōu)橐画h(huán)路積分: (2-16)若線圈為N圈時(shí)，其結(jié)果為: (2-17)由此可以知道，積分的結(jié)果只和電流有關(guān)。需要注意的是:式(2.17)成立的條件:(1)線偏振光的偏振態(tài)能夠保持不受磁場(chǎng)以外的外界條件影響，即保持線偏振而不蛻變?yōu)闄E圓偏振光;(2)線偏振光行進(jìn)的路線為閉合環(huán)路。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，式(2.17)才成立。2.2光纖電流傳感器對(duì)比研究光纖電流傳感器從出現(xiàn)以來，就被受到重視?，F(xiàn)有的光纖電流傳感器按照它的傳感頭的不同，可以分為全光型光纖電流傳感器、塊狀玻璃型光纖電流傳感器和混合型光

26、纖電流傳感器。2.2.1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2.2所示。圖2-2狀玻璃型光纖電流傳感器的傳感頭結(jié)構(gòu)通過測(cè)量線偏振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角，從而間接的測(cè)量電流。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(diǎn);但是存在加工難度大、傳感頭易碎、成本高等缺點(diǎn)，且在光反射過程中不可避免的引入了反射相移，使兩兩正交的線偏光變成橢圓偏振光，從而影響系統(tǒng)的性能。2.2.2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(hào)通過光纖

27、傳輸?shù)娇刂剖遥@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(jiǎn)單緊湊。這類互感器大多采用Rogwski線圈將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)傳輸，對(duì)光信號(hào)的調(diào)制可以采用相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制及強(qiáng)度調(diào)制等多種方法。混合型光纖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(hào)的作用，對(duì)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。2.2.3全光型電流傳感器全光型電流傳感器(AFOCS)是將光纖纏繞在通電導(dǎo)體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測(cè)量光纖中的法拉第旋轉(zhuǎn)角間接的測(cè)量出通電導(dǎo)體中電流的大小，它的傳光與傳感部分均采

28、用光纖，是典型的功能型光學(xué)電流傳感器。這種全光型電流傳感器的特點(diǎn)有:測(cè)量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等。但是由于光纖內(nèi)部存在線性雙折射，從而影響測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。按照它信號(hào)檢測(cè)方法的不同，可分為偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型兩種。2.3反射式光纖電流傳感器模型設(shè)計(jì)前面介紹的相位調(diào)制型光纖電流傳感器的主要的缺點(diǎn)有:光纖固有雙折射引起的光偏振態(tài)的改變傾向于淹沒法拉第旋轉(zhuǎn)角，因此測(cè)量的精度就降低。針對(duì)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。改善光纖的固有折射率上節(jié)中已經(jīng)提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第轉(zhuǎn)角。當(dāng)光波通過置于磁場(chǎng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，

29、迎著外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向觀察，光波的偏振方向總是沿與磁場(chǎng)(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)。當(dāng)光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將是迭加而不是抵消，此即法拉第效應(yīng)的旋向不可逆性，稱之為非互易旋光性。利用法拉第效應(yīng)的非互易性，對(duì)上述結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，即反射式光纖電流傳感器模型。2.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2.6為反射式光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu)，光源發(fā)出的光經(jīng)單模光纖傳輸后被送至起偏器，成為線偏振光，通過45度熔接點(diǎn)分成偏振方向相互垂直的兩束光，再經(jīng)入/4波片入射光轉(zhuǎn)換為兩個(gè)旋向相反(左旋和右旋)的圓偏振光，進(jìn)入傳感區(qū)域，經(jīng)過一次法拉第效應(yīng)后，到達(dá)反射鏡，發(fā)生反

30、射，它們的偏振態(tài)在反射時(shí)發(fā)生了交換，即原左旋光變成了右旋光，原右旋光變成了左旋光。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(cè)器。在整個(gè)過程中，兩束光都經(jīng)歷了保偏光纖的兩個(gè)軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。相位差取決于在傳感區(qū)域的磁場(chǎng)大小。又由于兩束光都經(jīng)歷了兩次法拉第效應(yīng)，因此其相位差為4倍的法拉第相移。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。圖2-3反射式全光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu)反射結(jié)構(gòu)的返回光波

31、在經(jīng)反射鏡返回至線圈時(shí)，偏轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)了90。，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(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不會(huì)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;反射結(jié)構(gòu)的兩束干涉光在同一根光纖中傳輸，因此能夠降低外界因素(如溫度、壓力等)的干擾，且不受sganac效應(yīng)的影響。另外反射結(jié)構(gòu)使用的器件相對(duì)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(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是反射結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，由于兩束正交偏振光波在同一根光纖中傳輸且同時(shí)

32、受到調(diào)制，因此必需使用雙軸調(diào)制器，通?？蓪⒈Ｆ饫w繞在壓電陶瓷筒 (PZT)上制成相位調(diào)制器，當(dāng)PZT加上調(diào)制信號(hào)時(shí)，沿保偏光纖兩個(gè)正交軸傳播的線偏振光將引入與調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律相同的相位差。2.3.2反射式光纖電流傳感器的偏振態(tài)分析為了更進(jìn)一步的分析反射式光纖電流傳感器的原理，對(duì)通過其的光信號(hào)的偏振態(tài)的變化進(jìn)行分析，如圖2.7所示。圖2-4反射式光纖電流傳感器中光的偏振態(tài)變化 光源發(fā)出的光通過起偏器P后變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過45度熔接點(diǎn)后分解成偏振方垂直的兩束光，這兩束光經(jīng)法拉第效應(yīng)后產(chǎn)生了一定的相位差，返回時(shí)再次被45度熔接點(diǎn)分光，使得到達(dá)起偏器P有四束光，因此可以把第一次通過P的光看成是1、2

33、、3、4四束光波的合成，經(jīng)過45度熔接點(diǎn)時(shí)1、3路光沿光纖快軸傳播(x偏振)，2、4路沿光纖慢軸傳播(y偏振)，它們同時(shí)經(jīng)過相位調(diào)制器，因此1、3路和2、4路光相位分別受到和的相位調(diào)制，其中為光路傳輸時(shí)間。經(jīng)反射，1、3和2、4交換快慢軸，因此受到的調(diào)制分別為和。輸出時(shí)1、2路光的相位差為: (2-2-1)2.3本章小結(jié)本章首先對(duì)光纖電流傳感器的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了全面的分析，然后對(duì)現(xiàn)有的光纖電流傳感器及信號(hào)處理方案進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了相位調(diào)制型光纖電流傳感器，設(shè)計(jì)了反射式光纖電流傳感器模型，提高了光纖電流傳感器的靈敏度，并從偏振態(tài)的角度詳細(xì)的分析每個(gè)物理過程，然后利用瓊斯矩陣，針對(duì)反

34、射式光纖電流傳感器進(jìn)行了理論上的分析計(jì)算，得出了反射式電流傳感器的數(shù)學(xué)模型。第三章 反射式光纖電流傳感器設(shè)計(jì)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(diǎn)。在第二章中對(duì)反射式光纖電流傳感器進(jìn)行了建模。本章將針對(duì)反射式電流傳感器模型中的各個(gè)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。3.1光源光源是光纖電流傳感器不可缺少的部分之一。其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。光源的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)電光的轉(zhuǎn)換，以便在光纖中傳輸。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。光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)適合要求，以減少在光纖中的能量損失。光源要有足夠的亮度。在相當(dāng)多的光纖傳感器

35、中還對(duì)光源的相干性有要求。此外要求光源的穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，還要求光源的噪聲小、使用方便等。同時(shí)對(duì)于全光纖電流傳感器，其信號(hào)通常要通過通信光纖傳輸至控制室遙測(cè)或監(jiān)視，所以傳輸?shù)男盘?hào)要調(diào)制在通信光纖的低損耗窗口波長(zhǎng)上在選擇光源的時(shí)候，只有清楚地知道了各種光源的特性，才能從中選出適合反射式光纖電流傳感器的光源。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。如表3-1，常用光源及特性，其中前面兩種白熾光源和發(fā)光二極管屬于非相干光源，后面的六種屬于相干光源。表3-1光纖傳感系統(tǒng)中常用光源及特性名

36、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(zhǎng)度，用于非相干測(cè)量傳感器可用于光纖干涉測(cè)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(shí)域反射計(jì))和相陣激光器;在能量輸運(yùn)中，提高大功率準(zhǔn)直光源DFB半導(dǎo)體激光器在能量輸運(yùn)中，提高大功率準(zhǔn)直光源在高速調(diào)制下有單縱模輸出，為動(dòng)態(tài)單縱模激光器量子阱半導(dǎo)體激光器用超薄膜(<20nm)形成有緣層，能呈現(xiàn)量量子效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器Nd:YAG晶體光纖激光器未來的光纖系統(tǒng)的理想光源光纖激光器摻稀土的光纖，在外部泵浦時(shí)，表現(xiàn)為可調(diào)激光行為氦氖氣體激光器(He-Ne)頻率穩(wěn)定性允許數(shù)米的光程差從

37、表3-1可知，每種光源其特性不同，則其使用場(chǎng)合也不相同。在本系統(tǒng)中，因?yàn)椴捎昧讼辔徽{(diào)制的原理，對(duì)光源有相干要求，因此不能選擇非相干光源;主要是在氣體激光器和半導(dǎo)體激光器中選擇。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。DFB激光器的性能參數(shù)如表3-2，DFB的特點(diǎn)是:輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調(diào)制速率高，并且適合于長(zhǎng)距離通信。表3-2 DFB激光器的性能參數(shù)3.2延遲器的設(shè)計(jì)在光纖系統(tǒng)中，相位延遲可以使用光纖偏振控制器來實(shí)現(xiàn)。偏振控制器是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄?/p>

38、望輸出偏振態(tài)的器件。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，以控制光纖中光波的偏振態(tài)。如圖3.1所示，當(dāng)光纖在xy平面內(nèi)受到彎曲時(shí)，由于應(yīng)力的作用，光纖中x軸和y軸方向(y軸垂直于圖面向外)的折射率發(fā)生變化，其變化量為：圖3-1光纖彎曲的雙折射效應(yīng) (3-1)、(3-2)式中，為光纖半徑，R為光纖彎曲的曲率半徑，為光纖材料的彈光張量，為泊松比。以普通的石英光纖為例，n=1.46， =0.16， =0.121， =0.27，代入式(3.1)和式(3.2)可得:(3-3)在圖3.1中，快軸(x軸)位于彎曲平面內(nèi)快，慢軸(y軸)直于彎曲平面。對(duì)于彎曲半徑為R的N圈線圈，選擇適當(dāng)?shù)腘和

39、R，可以得到:(3-4)根據(jù)式(3.4)，只要設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，就可以制作的延遲器;因此，只要適當(dāng)設(shè)置N、R值，就可以制作、延遲器。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(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)延遲器時(shí)，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(gè)有光纖圈組成的偏振控制器。偏振控制器一般由和光纖圈串聯(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)。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?？疾毂Ｆ饫w是利用光纖的高雙折射特性，使得兩個(gè)偏振模之間不易禍合，

40、維持偏振態(tài)穩(wěn)定的。也就是說，1/4拍長(zhǎng)的保偏光纖和的波片是等價(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。角，就能夠?qū)崿F(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換，但這對(duì)保偏光纖長(zhǎng)度的控制以及光纖連接要求較高。在反射式光纖電流傳感器中設(shè)計(jì)的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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:傳輸光纖和傳感光纖之間可以采用熔接的方法直接鏈接，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。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)，出射光將變成圓偏振光，完成延遲器的設(shè)計(jì)。3.3相位調(diào)制器由第二章的分析，反射式光纖電流

41、傳感器的輸出光為(3-5)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。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。因此加入相位調(diào)制器。 加入相位調(diào)信號(hào)后，輸出光強(qiáng)為:(3-6)當(dāng)加入的調(diào)制信號(hào)為(3-7) 式中:為最佳調(diào)制深度;為調(diào)制頻率。則輸出光強(qiáng)為:(3-8)由此可見， )的幅值為：(3-9)則:當(dāng)相位調(diào)制器信號(hào)的最佳調(diào)制深度確定以后，一階貝塞爾函數(shù)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。圖3-2壓電陶瓷筒的結(jié)構(gòu)在調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，纏繞在壓電陶瓷(

42、PZT)筒上的光纖長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了光相位的調(diào)制。3.4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。光電轉(zhuǎn)換的好壞直接影響到后面信號(hào)的優(yōu)劣，因此選擇一款好的光電探測(cè)器非常的重要。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探測(cè)入射光能的熱電器件;另一種是將入射光轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的光電器件。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。將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電流，便于進(jìn)一步的處理。3.5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

43、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。第四章 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)4.1信號(hào)處理總體方案反射式電流傳感器的輸出信號(hào)為帶有電流信息的光強(qiáng)信號(hào)，信號(hào)處理就是從該光強(qiáng)信號(hào)中得出電流大小的信號(hào)。通過對(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。對(duì)于通常的光纖式傳感器的信號(hào)，通常需要使用特定光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，便于進(jìn)一步的處理。由第二章的分析可以知道:輸出信號(hào)中一次諧波分量的幅值為: （4-1）當(dāng)相位調(diào)制器信號(hào)的最佳調(diào)制深度確定以后，一階貝塞爾函數(shù)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。也就是說:只要提取出

44、輸出信號(hào)的一次諧波分量就可以得到需要的電流信息。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。現(xiàn)在一般的處理方法是：圖4-1一般光纖電流傳感器信號(hào)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(jì)，得到一次諧波的幅度值。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)一步的處理來提取幅值，顯得較為復(fù)雜。經(jīng)過深入的研究分析，本文建立了如圖4.2的信號(hào)處理的總體方案。圖4-2信號(hào)處理總體方案?jìng)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)經(jīng)過光電探測(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

45、此需要經(jīng)過前置放大。經(jīng)過前置放大的信號(hào)，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(cè)出一次諧波分量的幅值。提取一次諧波分量時(shí)，使用相關(guān)技術(shù)，通過使用一個(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)。同時(shí)，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。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。所以，相關(guān)后的信號(hào)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(hào)，經(jīng)ARM處理器處理后就可以顯示輸出傳感器測(cè)量的電流值。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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。使得信號(hào)處理的

46、過程簡(jiǎn)單明了。4.2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)前置放大來獲得便于后期處理的信號(hào)。本設(shè)計(jì)中使用光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后再進(jìn)行放大。圖4-3就是本文設(shè)計(jì)的采用了InGaAs-PIN光電二極管的光電檢測(cè)和前置放大電路。圖4-3前置放大電路原理圖如圖4-3所示:光電二極管InGaAs-PIN取使用的是短路的接法，光信號(hào)照射到光電二極管InGaAs-PIN上，InGaAs-PIN將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c光強(qiáng)成比例的電流信號(hào)，但是此時(shí)的電流信號(hào)很小，需要將其放大。再經(jīng)過放

47、大電路將微弱的電流信號(hào)放大。光電二極管InGaAs-PIN相當(dāng)于一個(gè)電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗阻值為0時(shí)，輸出特性最好。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)InGaAs-PIN的輸出特性最好，這也就是選擇運(yùn)輸放大器來放大InGaAs-P取的輸出信號(hào)的原因。設(shè)集成運(yùn)算放大器OP-07-1的開環(huán)增益為A，則此時(shí)InGaAs-P創(chuàng)光電二極管的負(fù)載電阻為Rl/A，但是集成運(yùn)算放大器OP-07-1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。所以利用“虛短”、“虛斷”，InGaAs-P取管產(chǎn)生的電流信號(hào)流過反饋電阻Rl，則集成

48、運(yùn)算放大器oP-07-1的輸出電壓u，為:，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)過由集成運(yùn)算放大器OP-07-2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。光電二極管InGaAs-P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(hào)signal-AMP的值為: （4-2）式(4-2)就是該光電轉(zhuǎn)換電路的放大公式，到此，完成了光信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化并放大，為相關(guān)檢測(cè)等后級(jí)電路的處理做好了準(zhǔn)備。4.3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)是的多次諧波的形式出現(xiàn)，輸出電壓信號(hào)可以表示

49、為: （4-3）該信號(hào)可以通過帶通濾波器得到項(xiàng)，即輸出電壓的一次諧波分量。但是帶通濾波器不能設(shè)計(jì)的很窄，同時(shí)帶通濾波器往往由于電子元件的特性會(huì)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(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。相關(guān)檢測(cè)就是這么一種方法，經(jīng)過相關(guān)后，一次諧波信號(hào)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。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)。相關(guān)檢測(cè)原理：相關(guān)檢測(cè)原理基本框如圖4.4圖4-4相關(guān)檢測(cè)原理框圖設(shè)被測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別為： （4-4） （

50、4-5）式中，是被測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的頻率，為相位差 則輸出信號(hào)u(t)為 （4-6）式（4.6）中第一項(xiàng)的第一項(xiàng)為乘積的差頻分量，第二項(xiàng)為乘積的和頻分量。由此可見，經(jīng)過相關(guān)處理后，原來頻率為腳的信號(hào)的頻率遷移到頻率為0和2，處，頻譜遷移后形狀不變，幅值為，如圖4-5所示。圖4-5信號(hào)處理過程中頻譜遷移圖(a)原頻譜圖;(b)遷移后的頻譜圖經(jīng)過乘法器后的信號(hào)再經(jīng)過低通濾波器，將和頻信號(hào)濾除掉，只輸出差頻分量，輸出的信號(hào)為: （4-7）輸出信號(hào)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。由余弦函數(shù)的性質(zhì)可以知道，當(dāng)時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到最大值因?yàn)榉瓷涫诫娏鱾鞲衅飨到y(tǒng)中的輸出電壓信號(hào)有多次諧波分量，輸

51、出電壓信號(hào)可表示為: （4-8）設(shè)參考信號(hào)為: （4-9）則與相乘后，發(fā)生了頻譜遷移，直流分量遷移至;一次諧波分量遷移至0和2處;二次諧波分量遷移至和3處;三次諧波分量遷移2和4處依次類推，可以得到經(jīng)過乘法器后的信號(hào)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(guān)，此時(shí)的信號(hào)，僅需經(jīng)過低通濾波器，得到直流分量，就可以檢測(cè)出相應(yīng)的信號(hào)。4.4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。濾波技術(shù)的思想是將信號(hào)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(hào)形式的不同可以分為:模擬濾波器和數(shù)字濾

52、波器;按照采用的元器件的不同可以分為:有源型濾波器和無源型濾波器。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(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是:電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高;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。圖4-6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(yùn)算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是:通帶內(nèi)的信號(hào)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(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的

53、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:通帶范圍受有器件(如集成運(yùn)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(chǎng)合不適用。按照所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，如圖4-6。低通濾波器:它允許信號(hào)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(hào)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(hào)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(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。本文中需要設(shè)計(jì)低通濾波器來完成信號(hào)的濾波處理，獲得傳感器

54、信號(hào)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(duì)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(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)采用的是巴特沃茲濾波器(Butterworth)，它比上述的簡(jiǎn)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(jí)數(shù)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(shù)為: (4-10)式(4-10)中，b為巴特沃茲濾波器常數(shù)。當(dāng)多個(gè)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4.8所示。圖4-8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4.9所示圖4-9 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