光纤电流传感器研究

1、毕业设计（论文）摘 要随着电压和电流等级的提高，传统的电磁式电流互感器不能满足测量的要求，光纤电流传感器以其特有的优势，受到广泛的关注。本文对国内外的光纤电流传感器的研究状况进行了综合的概述，针对现行光纤电流传感器的不足，改进了相位调制型光纤电流传感器，利用jones矩阵分析法建立了反射式光纤电流传感器的理论模型。并针对反射式光纤电流传感器进行了器件的选择。根据传感器的输出信号的特点，设计了信号处理电路。对信号进行了光电转换和前置放大，然后使用相关检测技术，将一次谐波的幅值转变成直流信号。然后设计低通滤波器分离直流信号，最后设计了处理器电路完成信号的ad转换，用于信号的数字处理和输出显示。关键

2、词:光纤电流传感器，法拉第效应，相关检测，信号仿真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 unique advantages.the research achievements of the fiber-opti

3、c current sensor have been summarized in the paper. the reflective fiber-optic current sensor has 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 chose model of the reflective fiber-optic

4、 analyzing method and the proper device have been chose.according to the characteristics of the sensors output, signal processing circuits including photoelectric translating circuit, preamplifier, correlation detector, low-pass filter and arivi processor have been designed. the fundamental wave was

5、 changed 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 environm

6、ent. the simulation analysis as well as the noise analysis was carried out. finally, the analysis of the relationship between sensors 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. key

7、words: fiber-optic sensor, faraday effect, correlation detection, signal simulation前 言作为信息时代的今天，传感技术、通信技术和计算机技术在产业信息中起着非常重要的作用，成为现代信息产业的三大支柱，分别承担着信息的采集、传输、处理和储存等任务。其中传感器作为采集信息的部件，占有非常重要的地位。传感技术已成为现代技术竞争的核心技术之一，它引起了世界各国的广泛关注和重视，将其列为各国重点发展的关键技术之一。 根据中华人民共和国国家标准（gb765.87）(传感器通用术语)，传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照

8、一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。光纤传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，他已广为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。光纤传感器相比于其他类型的传感器而言有很多优点，如：电绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀性等，受到了广泛的关注和应用。从光纤传感器问世以来，经过几十年的发展，现在的光纤传感器已经应用用到测量电流、电压、商业、医学、工业控制各个领域。作为一种新型传感器，光纤传感器将随着技术信息的发展，与光通信一起走进千家万户，深入到军事和民用的各个方面。目录第一章 绪 论11.1 光纤电流传感器研究背景及意义11.2

9、光纤电流传感器的发展情况21.2.1 国外发展情况31.2.2国内发展情况41.3本论文的主要内容5第二章 反射式光纤电流传感器模型建立72.1光纤电流传感器的理论基础72.1.1偏振光72.1.2faraday效应92.2光纤电流传感器对比研究112.2.1块状玻璃型光纤电流传感器112.2.2混合型光纤电流传感器122.3反射式光纤电流传感器模型设计132.3.1结构设计142.3.2反射式光纤电流传感器的偏振态分析152.3本章小结17第三章 反射式光纤电流传感器设计183.1光源183.2 延迟器的设计203.3相位调制器233.4光电探测器253.5本章小结25第四章 信号处理电路设

10、计264.1信号处理总体方案264.2光电转换和前置放大电路284.4低通滤波器设计34.5本章小结3第五章 结论3参考文献342第一章 绪 论1.1 光纤电流传感器研究背景及意义 电流是电力系统主要参数之一，对电流的测量是基本而且非常重要的任务，根据测量的结果，可以为电力系统提供用于计量、控制和继电保护等所必需的信息，因此对测量工具有很高的要求，如必须具备很高的准确度和稳定性。现在对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流互感器，这种传统的电磁感应式电流互感器在应用过程中，积累了丰富的实践经验，它的各种技术性能、指标均还保持着一定的优势，同时电磁感应原理简单，可靠性高，不易损坏，上述

11、这些优点，是其的已普遍应用的原因之一。但是由于电磁式电流互感器结构原理的特性，使得它存在以下几个致命缺点：（1）存在绝缘问题，冲油的电磁式电流互感器使用在高压环境时，有可能发生绝缘击穿，从而引起对地断路或者突然爆炸的危险；（2）出现磁饱和的问题，电流互感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁饱和，这严重的影响了电流互感器的测量精确度；（3）存在电磁干扰问题，在高压环境中，电磁式电流互感器信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；（4）成本问题，电磁式电流互感器的成本随着被测量电流等级的增大，成指数增加这些电磁式电流互感器的缺点是由其基本结构造成的，是无法改变的。因此，在这种情

12、况下研究新型的电流传感器，光纤电流传感器就孕育而生了。光纤电流传感器真是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，自七十年代为史以来，受到各国广泛关注。与传统电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有以下优点：（1）绝缘性能非常好，从材料来说，光纤电流传感器所用的材料主要是石英光纤，它自身就是很好的绝缘体;（2）光纤电流传感器的结构中不含铁芯，因此不存在饱和、铁磁谐振等问题，测量准确度得到提高。（3）抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性，这样测量精度也能增大。（4）光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生的高压危险，从而消除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题。(5

13、) 光纤电流传感器的体积小，重量轻，光纤电流传感器的传感头，重量小于一公斤。据美国西屋公司公布的磁光式345kv光纤电流互感器，其高度为2.7米，重量为100公斤，而同等电压等级的冲油式电磁式电流互感器，高为6.1米，重达7718公斤。(6)适应了电力保护和计量数字化、智能化以及光通信的发展趋势。（7）测量的动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。（8）测量的频带宽。1.2光纤电流传感器的发展情况随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，促进了各国对新型互感器的研究。国外早在60年代就已经开始对光纤电流传感器进行研究了，到现在从事光纤电流传感器研究的

14、单位有：美国国家标准技术研究所。abb跨国公司、法国的althom公司，加拿大的nxtphase公司、日本的东电、住友公司等等。在国内，从80年代起，也开始投入了大量的人力和财力从事光纤电流传感器的研究开发，主要是：清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、燕山大学等，并且取得较好成果。1.2.1 国外发展情况20世纪60年代，在1963年安装在美国俄勒冈州bonneville电力局（bpa）的230kv电网上装置traser，它通过玻璃波导实现了信号传输，这是光纤电流传感器得最初形式。同时，ghmoulton等人设计了一套高压保护装置，采用了脉冲传输原理。s.saito等人进行了超

15、高压电力电流测量研究，他们采用的是慈光效应原理。可以看出，这一时期的研究维权光纤电流传感器的发展打下了初步理论和技术基础，是光纤电流传感器的兴起阶段，光线电流传感理论、方法的试验期。20世纪70年代，光导纤维制造技术逐步完善，光纤电流传感器因此也得到迅速发展。人们发现：全光型光纤电流传感器因为结构简单、重量轻、形状随意等优点，它一被提出，就成了研究者们追求的目标。1977年英国电力研究所中心的aj rogers和am smith等人从原理方面对全光型光纤电流传感器进行了大量研究在实验室对实验装置进行试验并获得成功。在1979年成功安装在发电站上，开始运行，并获得成功。在此之后，德国apapp等

16、人对全光纤式光纤电流传感器的原理、结构、特性、测量及信号处理等方面，进行了系统专题研究，取得了较大成果。他们的研究为光纤电流传感器的进一步发展做出了巨大贡献。90年代起，各国对光纤电流传感器的研究进一步深入。在1995年，abb公司研发出多种电压等级的交流、直流数字光电式光纤电流传感器。nxtphase公司采用相位调制原理研制出了全光纤电流传感器，由230kv和138kv两个电压等级在正常计量范围准确度高达0.2%段，在1998年，光纤电流传感器通过各种工业性试验，开始商业生产。2000年5月12号，nxtphase公司在英国的lngledow变电站安装了额定电压为230kv的三相式传感器，第

17、二年10月29日该公司又在rolls royce燃气轮发电站安装了一个138kv的三相试制系统，改三相nxvct系统的光学器件性能与传统设备的性能相比：能够提供从三个高压测量vct、三个低压测量ct和三个保护ct接受的所有信息。nxtphase公司的3个可以代替9个原有装置。nxtphase公司计划在今后将安装更多的电压电流传感器，电压等级将扩展到765kv。1.2.2国内发展情况相对于国外的情况，国内的研究比较晚，开始于20实际80年代，无论从技术上和研究成果来看，都相对于落后。开始是主要集中在国内一些著名高校，如清华、华中科技大学等，他们首先做大量的理论研究和实践工作，为推动国内的光纤电流

18、传感器的发展奠定了基础。随着理论技术的成熟和市场需求的增加，国内一些有实力的集团和厂家开始和高校合作，共同研制。如沈阳互感器厂、保定天威集团、浙江上互公司等，这些厂家在生产互感方面有着丰富的经验，并且具有很强大的经济实力和专门的优秀人才，在自主研发和引进国外先进技术相结合的基础上，对光纤电流传感器进行专门研制和研发。这一时期，推动了我国光纤电流传感器事业的发展。但是，国内的研究工作还是主要集中在原理性实验性样机的实现上，一般是从检测方案、信号处理方面来进行研究，还没有触及到如何保持光纤传感头性能的环境稳定性问题上，在全光纤电流传感器的研究上落后于国外回。从整体的发展来说，现在光纤电流传感器不仅

19、能用于电力系统中电流的测量，同时被用于导弹、飞机、有人工智能装置的小型炸弹等的导航系，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合，还可研制开发出线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置。对光纤电流传感器的研究不仅具有重要的科研意义，而且在军事、工业应用上也非常的重要，随着光电技术及其相关技术的迅速发展，光纤电流传感器的应用前景将日益广阔。1.3本论文的主要内容本文主要研究光纤电流传感器技术以及传感器信号的处理，在深入研究了光纤电流传感器技术的基础之上，重点研究了反射式光纤电流传感技术以及输出信号的处理。本论文的主要工作如下:第一章，分析了研究光纤电流传感器的背景和意义

20、，总结了光纤电流传感器在国内外的发展状况。第二章，首先深入地研究了光纤电流传感技术的理论基础，对现今的光纤电流传感器以及其信号处理进行了深入研究，为了提高敏感度，提出了改进方案，即反射式光纤电流传感器模型，分析了光的偏振变化，并利用jones矩阵分析法对反射式电流传感器进行了数学建模。第三章，考虑反射式光纤电流传感器的特性和应用的环境等因素，针对性的对反射式光纤电流传感器系统的光源、光电探测器、相位延迟器、相位调制器等各个部件进行了详细的设计，完成了反射式光纤电流传感器器件的选择。第四章，根据传感器的输出信号的特点，设计了信号处理电路。对信号进行了光电转换和前置放大，然后使用相关检测技术，将一

21、次谐波的幅值转变成直流信号。然后设计低通滤波器分离直流信号，最后设计了处理器电路完成信号的ad转换，用于信号的数字处理和输出显示。最后进行了总结和展望。第二章 反射式光纤电流传感器模型建立2.1光纤电流传感器的理论基础光纤电流传感器是基于faraday效应来检测电流大小的光学传感器件。faraday效应是指线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转的现象。jones矩阵是研究光的偏振及偏振系统的有效方法。2.1.1偏振光光是频率极高的一种电磁波，它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时，理论和实验表明，对光检测器

22、起作用的是电矢量而不是磁矢量，所以只需考虑电场的作用，因此用电矢量来表示光矢量。光波是横波，因此光波具有偏振性。就偏振性而言，光一般可以分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中，其光矢量的大小不变、方向规则变化，其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直、相位有关联的线偏振光来表示24。设光波沿z轴传播，则光矢量必然在

23、垂直于z轴的xy平面上振动，则光波可以表示为: (2-1)式中: 为初相位。用分量的形式可以表示为 (2-2)其中和、分别为x、y分量的初相位，不同的取值可表示不同的偏振态，令初相位差，化简公式可以得到: (2-3)由式(2.3)可知:当为线偏振光; 当 时，为左旋圆偏振光;当时，为左旋圆偏振光，其他情况为椭圆偏振光2.1.2faraday效应1864年，法拉第发现，当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第效应。其原理示意图如图2.1所示。 图2-1法拉第效应原理图法拉第效应的本质为磁致圆双折射27，即圆偏振光经过法拉第效应后

24、相位发生变化。因为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加，则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应，其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率之差。采用琼斯矩阵分析如下:入射的线偏振光表示为左、右旋圆偏振光之和: (2-10)这两束圆偏振光经过材料后出射，光程为l，相对于入射光来说，光波有一个相移 ，因此，出射光波为 (2-11) 其中，: 为左旋圆偏振光的折射率，为右旋圆偏振光的折射率。式 (2.11)可以改写为 (2-12)当 (2-13)则将、代入式（2.1.2）并化简得 (2-14)由式（2.1.4）可知出射光仍然为线偏振光，只是偏振角旋转了而又法拉第

25、效应可知：旋转角与外磁场符合以下关系 (2-15)其中v为费尔德(verdet)常数，它的大小受光源波长和环境温度的影响;h为磁场强度;l为光束在介质中通过的距离。当光行进的路线围绕载流导体闭合时，根据安培环路定律式 (2.15)可变为一环路积分: (2-16)若线圈为n圈时，其结果为: (2-17)由此可以知道，积分的结果只和电流有关。需要注意的是:式(2.17)成立的条件:(1)线偏振光的偏振态能够保持不受磁场以外的外界条件影响，即保持线偏振而不蜕变为椭圆偏振光;(2)线偏振光行进的路线为闭合环路。只有同时满足这两个条件，式(2.17)才成立。2.2光纤电流传感器对比研究光纤电流传感器从出

26、现以来，就被受到重视。现有的光纤电流传感器按照它的传感头的不同，可以分为全光型光纤电流传感器、块状玻璃型光纤电流传感器和混合型光纤电流传感器。2.2.1块状玻璃型光纤电流传感器块状玻璃型光纤电流传感器基本原理是:利用全反射，使线性偏振光通过玻璃材料内部多次反射，形成环绕通电导体的闭合光路，其结构如图2.2所示。图2-2状玻璃型光纤电流传感器的传感头结构通过测量线偏振光的法拉第旋转角，从而间接的测量电流。这种电流传感器具有线性范围宽、稳定性好、精度较高、受光纤线性双折射影响较小等优点;但是存在加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入了反射相移，使两两正交的线偏光变成椭

27、圆偏振光，从而影响系统的性能。2.2.2混合型光纤电流传感器混合型光纤电流传感器是利用电磁感应原理制作成传感头，将其信号通过光纤传输到控制室，这就是混合式电流互感器，既可以解决高压隔离问题又使系统简单紧凑。这类互感器大多采用rogwski线圈将被测电流转换成电压信号，再将电压信号转换成光信号传输，对光信号的调制可以采用相位调制、波长调制及强度调制等多种方法。混合型光纤电流传感器的传感头侧都要有偏置电源，给电子或光电元件供电，光纤在混合型光纤电流传感器中仅仅起到传输光信号的作用，对于光纤而言，这种混合型光纤电流传感器属于非功能性传感器。2.2.3全光型电流传感器全光型电流传感器(afocs)是将

28、光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第旋转角间接的测量出通电导体中电流的大小，它的传光与传感部分均采用光纤，是典型的功能型光学电流传感器。这种全光型电流传感器的特点有:测量范围大、电绝缘性优良、结构简单、灵敏度高等。但是由于光纤内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性。按照它信号检测方法的不同，可分为偏振调制型和相位调制型两种。2.3反射式光纤电流传感器模型设计前面介绍的相位调制型光纤电流传感器的主要的缺点有:光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角，因此测量的精度就降低。针对这样的情况，主要有两中解决方式:一是改善光纤的固有双折射，二是设法

29、增大法拉第转角。改善光纤的固有折射率上节中已经提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第转角。当光波通过置于磁场中的法拉第旋转器时，迎着外加磁场磁感应强度方向观察，光波的偏振方向总是沿与磁场(h)方向构成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。当光波沿正向和沿反向两次通过法拉第旋转器时，其偏振方向旋转角将是迭加而不是抵消，此即法拉第效应的旋向不可逆性，称之为非互易旋光性。利用法拉第效应的非互易性，对上述结构作出改进，即反射式光纤电流传感器模型。2.3.1结构设计图2.6为反射式光纤电流传感器的基本结构，光源发出的光经单模光纤传输后被送至起偏器，成为线偏振光，通过45度熔接点分成偏振方向相互垂直

30、的两束光，再经入/4波片入射光转换为两个旋向相反(左旋和右旋)的圆偏振光，进入传感区域，经过一次法拉第效应后，到达反射镜，发生反射，它们的偏振态在反射时发生了交换，即原左旋光变成了右旋光，原右旋光变成了左旋光。经过反射后的圆偏振光按原路返回，再次经法拉第效应，然后通过入/4波片转换回线偏振光，经过反射的光携带了相位差信息经过祸合器被传送至光电探测器。在整个过程中，两束光都经历了保偏光纤的两个轴和传感光纤的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。相位差取决于在传感区域的磁场大小。又由于两束光都经历了两次法拉第效应，因此其相位差为4倍的法拉第相移。这种结构的光纤电流传感器，在其他同等条件下，灵敏度是

31、前面介绍的偏转型光纤电流传感器的4倍，相位调制型光纤电流传感器的2倍。图2-3反射式全光纤电流传感器的基本结构反射结构的返回光波在经反射镜返回至线圈时，偏转光旋转了90。，使正反通过光纤线圈的偏振光相互正交，从而使得光纤中的附加线双折射相互抵消，而法拉第效应是非互易的，所以光波正反两次通过光纤圈时，法拉第旋转效应不会相互抵消，反而加倍了，所以这种结构不但能够减少光纤线性双折射的影响，还能够使法拉第效应加倍;反射结构的两束干涉光在同一根光纤中传输，因此能够降低外界因素(如温度、压力等)的干扰，且不受sganac效应的影响。另外反射结构使用的器件相对较少、容易搭建，因此与偏振旋转型和相位调制型结构

32、相比反射结构具有灵敏度高、抗干扰能力更强、稳定性好等优点。但是反射结构在实际应用中，由于两束正交偏振光波在同一根光纤中传输且同时受到调制，因此必需使用双轴调制器，通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒 (pzt)上制成相位调制器，当pzt加上调制信号时，沿保偏光纤两个正交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。2.3.2反射式光纤电流传感器的偏振态分析为了更进一步的分析反射式光纤电流传感器的原理，对通过其的光信号的偏振态的变化进行分析，如图2.7所示。图2-4反射式光纤电流传感器中光的偏振态变化 光源发出的光通过起偏器p后变为线偏振光，经过45度熔接点后分解成偏振方垂直的两束光，这两束光

33、经法拉第效应后产生了一定的相位差，返回时再次被45度熔接点分光，使得到达起偏器p有四束光，因此可以把第一次通过p的光看成是1、2、3、4四束光波的合成，经过45度熔接点时1、3路光沿光纤快轴传播(x偏振)，2、4路沿光纤慢轴传播(y偏振)，它们同时经过相位调制器，因此1、3路和2、4路光相位分别受到和的相位调制，其中为光路传输时间。经反射，1、3和2、4交换快慢轴，因此受到的调制分别为和。输出时1、2路光的相位差为: (2-2-1)2.3本章小结本章首先对光纤电流传感器的理论基础进行了全面的分析，然后对现有的光纤电流传感器及信号处理方案进行了深入研究，并在此基础上改进了相位调制型光纤电流传感器

34、，设计了反射式光纤电流传感器模型，提高了光纤电流传感器的灵敏度，并从偏振态的角度详细的分析每个物理过程，然后利用琼斯矩阵，针对反射式光纤电流传感器进行了理论上的分析计算，得出了反射式电流传感器的数学模型。第三章 反射式光纤电流传感器设计反射式电流传感器具有灵敏度高、受外界干扰影响小、稳定性能好等优点。在第二章中对反射式光纤电流传感器进行了建模。本章将针对反射式电流传感器模型中的各个器件进行设计和选择。3.1光源光源是光纤电流传感器不可缺少的部分之一。其性能的好坏直接影响着整个系统的技术指标。光源的作用是将电信号转换为光信号功率，实现电光的转换，以便在光纤中传输。由于光纤传感器的工作环境特殊，要

35、求光源的体积小，便于和光纤祸合等。光源发出的光波长应适合要求，以减少在光纤中的能量损失。光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有要求。此外要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期稳定地工作，还要求光源的噪声小、使用方便等。同时对于全光纤电流传感器，其信号通常要通过通信光纤传输至控制室遥测或监视，所以传输的信号要调制在通信光纤的低损耗窗口波长上在选择光源的时候，只有清楚地知道了各种光源的特性，才能从中选出适合反射式光纤电流传感器的光源。目前光纤传感系统中常用的光源主要有:半导体激光器ld、半导体发光二极管led、放大自发辐射ase光源和半导体分布式反馈激光器dfb等。如表3-1

36、，常用光源及特性，其中前面两种白炽光源和发光二极管属于非相干光源，后面的六种属于相干光源。表3-1光纤传感系统中常用光源及特性名称特性描述及应用白炽光源采用某种宽带光源谱滤波的传感器发光二极管(led)20nm的短波相干长度，用于非相干测量传感器可用于光纤干涉测量激光器半导体激光二极管(ld)用于大功率脉冲激光器(如光时域反射计)和相阵激光器;在能量输运中，提高大功率准直光源dfb半导体激光器在能量输运中，提高大功率准直光源在高速调制下有单纵模输出，为动态单纵模激光器量子阱半导体激光器用超薄膜(20nm)形成有缘层，能呈现量量子效应的异质结半导体激光器nd:yag晶体光纤激光器未来的光纤系统的

37、理想光源光纤激光器掺稀土的光纤，在外部泵浦时，表现为可调激光行为氦氖气体激光器(he-ne)频率稳定性允许数米的光程差从表3-1可知，每种光源其特性不同，则其使用场合也不相同。在本系统中，因为采用了相位调制的原理，对光源有相干要求，因此不能选择非相干光源;主要是在气体激光器和半导体激光器中选择。半导体激光器尤其是可以控制激光输出为单纵模的分布反馈式半导体激光器(dfb)性能好，具有一定的相干性，且稳定性高，是适合反射式光纤电流传感器系统的理想光源。dfb激光器的性能参数如表3-2，dfb的特点是:输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，并且适合于长距离通信。表3-2 dfb激光器的性能

38、参数3.2 延迟器的设计在光纤系统中，相位延迟可以使用光纤偏振控制器来实现。偏振控制器是指能将任意输入的偏振态转变为任意期望输出偏振态的器件。光纤偏振控制器通常利用的是弹光效应来改变光纤中的双折射，以控制光纤中光波的偏振态。如图3.1所示，当光纤在xy平面内受到弯曲时，由于应力的作用，光纤中x轴和y轴方向(y轴垂直于图面向外)的折射率发生变化，其变化量为： 图3-1光纤弯曲的双折射效应 (3-1)、(3-2)式中，为光纤半径，r为光纤弯曲的曲率半径，为光纤材料的弹光张量，为泊松比。以普通的石英光纤为例，n=1.46， =0.16， =0.121， =0.27，代入式(3.1)和式(3.2)可得

39、: (3-3)在图3.1中，快轴(x轴)位于弯曲平面内快，慢轴(y轴) 直于弯曲平面。对于弯曲半径为r的n圈线圈，选择适当的n和r，可以得到: (3-4)根据式(3.4)，只要设置好相应的参数，就可以制作的延迟器;因此，只要适当设置n、r值，就可以制作、延迟器。从上面分析的过程可知，以入射光纤为轴，使光纤圈面转动，可以改变光纤中双折射轴的方向，产生的效果和转动波片的偏振轴方向一样，因此当线偏振光入射到这样的一个延迟器时，通过调节光纤线圈方向，使出射光变成圆偏振光，这就是一个有光纤圈组成的偏振控制器。偏振控制器一般由和光纤圈串联组成，适当的调节两光纤圈的角度，可以得到任意的偏振态。虽然通用的偏振

40、控制器使用方便，但是它的结构复杂，成本较高，而且不易与系统集成。考察保偏光纤是利用光纤的高双折射特性，使得两个偏振模之间不易祸合，维持偏振态稳定的。也就是说，1/4拍长的保偏光纤和的波片是等价的，如果能够保证入射线偏振光和保偏光纤的快、慢轴之间成45。角，就能够实现线偏振光到圆偏振光的转换，但这对保偏光纤长度的控制以及光纤连接要求较高。在反射式光纤电流传感器中设计的延迟器采用的方案是:在保偏光纤的出射端，将一定长度的保偏光纤扭转一定的角度，实现线偏振光到圆偏振光的转换。这种方法的优点是:传输光纤和传感光纤之间可以采用熔接的方法直接链接，使得整个系统的结构简单，易于调试。一个线偏振光沿保偏光纤传

41、播时，在出射端，将1/2拍长的保偏光纤扭转，出射光将变成圆偏振光，完成延迟器的设计。3.3相位调制器由第二章的分析，反射式光纤电流传感器的输出光为 (3-5) 由此可以看出传感器的输出是和相位的余弦函数成有关，由于值一般较小，所以传感器处于最不敏感的区域。若能引入一个非互易的偏置相位，就能提高传感器的灵敏度。因此加入相位调制器。 加入相位调信号后，输出光强为: (3-6)当加入的调制信号为 (3-7) 式中: 为最佳调制深度; 为调制频率。则输出光强为:(3-8)由此可见， )的幅值为： (3-9)则:当相位调制器信号的最佳调制深度确定以后，一阶贝塞尔函数为常数，若能从输出电信号中得到a的值，

42、就可以求得法拉第转角值在系统中采用的是压电陶瓷(pzt)相位调制器，如图3.2所示。 图3-2压电陶瓷筒的结构在调制信号的驱动下，缠绕在压电陶瓷(pzt)筒上的光纤长度发生变化，从而实现了光相位的调制。3.4光电探测器 目前光信号强度直接进行处理还非常的困难，一般都是将光信号转换成电信号进行处理。光电转换的好坏直接影响到后面信号的优劣，因此选择一款好的光电探测器非常的重要。现在的光探测器主要分为两种:一种是以吸收光子使器件升温来探测入射光能的热电器件;另一种是将入射光转化为电流或者电压的光电器件。在光纤传感系统中，由于要求对所采用的检测器具有波长选择性，因此系统一般都会采用光电器件。将光强转化

43、为电流，便于进一步的处理。3.5本章小结本章综合考虑反射式光纤电流传感器的特性和应用的环境等因素，针对性的对反射式光纤电流传感器系统的光源、光电探测器、相位延迟器、相位调制器等各个部件进行了详细的设计，完成了反射式光纤电流传感器器件的选择。第四章 信号处理电路设计4.1信号处理总体方案反射式电流传感器的输出信号为带有电流信息的光强信号，信号处理就是从该光强信号中得出电流大小的信号。通过对该信号进行光电转换，放大处理，再解调出需要的电流信号的信息。对于通常的光纤式传感器的信号，通常需要使用特定光电探测器将其转换为电信号，便于进一步的处理。由第二章的分析可以知道:输出信号中一次谐波分量的幅值为:

44、（4-1）当相位调制器信号的最佳调制深度确定以后，一阶贝塞尔函数为常数，若能从输出电信号中得到a的值，就可以求的法拉第转角值。也就是说:只要提取出输出信号的一次谐波分量就可以得到需要的电流信息。因为处理的信号含有多次谐波并且信号的幅度很小，处理相对很困难。现在一般的处理方法是：图4-1一般光纤电流传感器信号处理方案这种处理方式是直接在多次谐波中先后经过高通和低通滤波器将一次谐波提取出，再将一次交流放大，最后通过其他电路设计，得到一次谐波的幅度值。这种方法中有两次专门设计的放大，两次滤波，并且通过了滤波后的信号还是交流信号，还需进一步的处理来提取幅值，显得较为复杂。经过深入的研究分析，本文建立了

45、如图4.2的信号处理的总体方案。图4-2信号处理总体方案传感器输出信号经过光电探测器进行转换后，光强信号转换成电流信号，此时的信号还非常的微弱，因此需要经过前置放大。经过前置放大的信号，包含直流分量以及各次谐波分量，本文处理电路的目的就是检测出一次谐波分量的幅值。提取一次谐波分量时，使用相关技术，通过使用一个与一次谐波同频率和同相位的相关信号与前置放大后的信号进行相关，使得一次谐波的幅值和相关后的直流分量有关。同时，原有的直流分量，以及其他谐波分量都不体现在直流分量中。此时只需要检测出直流分量的大小就得到需要的信息。所以，相关后的信号经过低通滤波得到直流分量，直流分量经过a/d转换，转换成数字

46、信号，经arm处理器处理后就可以显示输出传感器测量的电流值。应用相关处理，不仅可以将一次谐波变为直流分量，而且还可以对信号进行放大。使得信号处理的过程简单明了。4.2光电转换和前置放大电路反射式光纤电流传感器的输出信号是光强信号，而现在直接对光强信号进行处理还比较困难，因此需经过光电转换将光信号转换为电信号，再经前置放大来获得便于后期处理的信号。本设计中使用光电二极管将光信号转换成电流信号，然后再进行放大。图4-3就是本文设计的采用了ingaas-pin光电二极管的光电检测和前置放大电路。 图4-3前置放大电路原理图如图4-3所示:光电二极管ingaas-pin取使用的是短路的接法，光信号照射

47、到光电二极管ingaas-pin上，ingaas-pin将接收到的光信号转变为与光强成比例的电流信号，但是此时的电流信号很小，需要将其放大。再经过放大电路将微弱的电流信号放大。光电二极管ingaas-pin相当于一个电流源，当它的负载阻抗阻值为0时，输出特性最好。而理想的运算放大器正、负输入端正好有“虚短”(即两端输入端之间电压差为零），此时ingaas-pin的输出特性最好，这也就是选择运输放大器来放大ingaas-p取的输出信号的原因。设集成运算放大器op-07-1的开环增益为a，则此时ingaas-p创光电二极管的负载电阻为rl/a，但是集成运算放大器op-07-1的开环增益a很大，即使

48、使用的负载电阻rl很大，rl/a的值还是非常小，几乎可以忽略。所以利用“虚短”、“虚断”，ingaas-p取管产生的电流信号 流过反馈电阻rl，则集成运算放大器op-07-1的输出电压u，为:，由此，可以看出，电流信号转变为与之成比例的电压信号u:，在经过由集成运算放大器op-07-2组成的电压放大器，可以将前面的到的电压信号u，放大，并可以调整到需要的电压范围。光电二极管ingaas-p则采用的是短路的接法，因此不必考虑暗电流的影响，则最终得到的电压信号signal-amp的值为: （4-2）式(4-2)就是该光电转换电路的放大公式，到此，完成了光信号到电压信号的转化并放大，为相关检测等后级

49、电路的处理做好了准备。4.3相关检测技术由一前面的分析，可知:光电流信号到电压信号的转化为线性的，电压信号是的多次谐波的形式出现，输出电压信号可以表示为: （4-3）该信号可以通过带通滤波器得到项，即输出电压的一次谐波分量。但是带通滤波器不能设计的很窄，同时带通滤波器往往由于电子元件的特性会使得带通频率发生变化。若能使用一种方法使得一次谐波分量转化为直流分量，就可以直接使用低通滤波器将需要的信号提取出来。相关检测就是这么一种方法，经过相关后，一次谐波信号就体现在直流分量中，可以使用低通滤波器直接滤波得到。低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器

50、，因此本文的信号处理采用相关检测技术。相关检测原理：相关检测原理基本框如图4.4 图4-4相关检测原理框图设被测量信号和参考信号分别为： （4-4） （4-5）式中，是被测量信号和参考信号的频率，为相位差 则输出信号u(t)为 （4-6）式（4.6）中第一项的第一项为乘积的差频分量，第二项为乘积的和频分量。由此可见，经过相关处理后，原来频率为脚的信号的频率迁移到频率为0和2，处，频谱迁移后形状不变，幅值为，如图4-5所示。图4-5信号处理过程中频谱迁移图(a)原频谱图;(b)迁移后的频谱图经过乘法器后的信号再经过低通滤波器，将和频信号滤除掉，只输出差频分量，输出的信号为: （4-7）输出信号与

51、被测量信号和参考信号相位差的余弦函数成正比。由余弦函数的性质可以知道，当时，输出信号达到最大值因为反射式电流传感器系统中的输出电压信号有多次谐波分量，输出电压信号可表示为: （4-8）设参考信号为: （4-9）则与相乘后，发生了频谱迁移，直流分量迁移至;一次谐波分量迁移至0和2处;二次谐波分量迁移至和3处;三次谐波分量迁移2和4处依次类推，可以得到经过乘法器后的信号的频谱分布。由此，需要的原一次谐波的振幅值只与迁移后的直流分量有关，此时的信号，仅需经过低通滤波器，得到直流分量，就可以检测出相应的信号。4.4低通滤波器设计 滤波技术是信号处理中常采用的一种方法之一，它能克服噪声的不利影响，提高信

52、号的信噪比等等。滤波技术的思想是将信号中的一部分不需要的频率分量衰减掉，而让另一部分特定的频率通过。滤波器按照信号形式的不同可以分为:模拟滤波器和数字滤波器;按照采用的元器件的不同可以分为:有源型滤波器和无源型滤波器。无源滤波器:仅由无源元件(r、l和c)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感l较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。图4-6理想滤波器的频率响应有源滤波器:由无源元件(一般用r和c)

53、和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:通带范围受有器件(如集成运算放大器)的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。按照所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种，如图4-6。低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量;高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量;带通滤波器:它允许一定频段的信号

54、通过，抑制低于或高于该频段的分量;带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。本文中需要设计低通滤波器来完成信号的滤波处理，获得传感器信号经放大、相关之后的直流分量，要求低通滤波器的带宽尽量窄，对直流的影响尽量小。为了减少其他分量的影响，得到更好的滤波效果，希望有更窄的带宽，更陡峭的边缘，普通一阶滤波器不能满足本设计的要求。本设计采用的是巴特沃兹滤波器(butterworth)，它比上述的简单的低通滤波器的特性更好，边沿更陡峭，而且随着巴特沃兹滤波器的级数的增加，特性的截止陡度越趋于理想。一般的二次的巴特沃兹滤波器的传递函数为: (4-10)式(4-10)中，b为巴特沃兹滤波器常数。当多个二次滤波器串联起来就可以组成高阶巴特沃兹滤波器，如图4.8所示。图4-8由2个二次滤波器串联成的4阶巴特沃兹滤波器本文设计的4阶巴特沃兹滤波器电路图如下图4.9所示图4-9 4阶巴特沃兹滤波器电路图直流信号以及各次谐波分量输入滤波器，经两次滤波后去除其他分量，输