基于鎖相放大器的光纖電流互感器研究

吳再群

(百色學院物理與電信工程系，廣西百色 533000)

基于旋光效應的光纖電流互感器是以Faraday效應為基礎、以光纖為傳感介質的新興電力計量裝置，其通過測量光波在通過光纖材料時其偏振面由于電流產生的磁場的作用而發生旋轉的角度來確定被測電流的大小。在實際應用中，由于Faraday旋轉量較小，且外界對傳感器的干擾較大，若直接檢測Faraday旋轉角則極為困難。當輸入信噪比時，直接探測光信號的方法將十分困難。因為若輸入信噪比＜1，則輸出信噪比將遠＜1，這說明信號被淹沒在噪聲當中［1］。這種情況下的光信號探測被稱作微弱信號檢測。對于淹沒在噪聲中的周期光信號，采用鎖定放大法將使輸出信噪比獲得明顯改善。鎖定放大法是通過鎖相放大器實現的，其采用相敏檢波器和低通濾波器來壓縮等效噪聲帶寬，從而抑制噪聲，探測出淹沒在噪聲中的周期信號的幅值與相位［2］。

1 鎖相放大器測試原理

光纖電流互感器的信號處理是將攜帶被測電流信息的光信號轉換為電信號，經放大、濾波后輸送到信號處理單元。信號處理電路在光纖電流互感器中被稱為二次轉換器。光纖電流互感器的信號處理電路基本功能是:將攜帶有Faraday偏轉角信息的光信號通過光電轉換器件轉換為被測電流的電信號，用于補償光源光強起伏對輸出信號的干擾。電路中帶通濾波及放大器的功能是:提高系統的輸出信噪比，并將輸出信號放大到規定的幅值［3］。

將光信號轉化為被測電流的電信號有兩種方法:(1)單光路檢測法。此方法是將輸出光經光探頭轉化為電流信號送入信號處理電路。(2)雙光路檢測法。此方法利用偏振分光鏡將被電流信號調制的光分為兩束，分別用兩個光電探測器接收其輸出光強，再將兩束光的采集信號作信號處理。實際上，由于Faraday旋轉量較小，采用單光路法和雙光路法難以實現直接測量，文中將使用鎖相放大器對去直流的采集信號進行處理分析。

當通過導線的電流I=0時，假設出射光的振動方向沿y軸，輸出光強為J0，檢偏器相對于起偏器的方位角為α。當I≠0時，Faraday旋轉角為θ，則探測器輸出光強J為

為求得對θ變化的最大靈敏度，取

解得

即當檢偏器與起偏器的透光軸成±45°角時，Faraday旋轉角的測量靈敏度最高。所以式(1)可以寫成

由式(4)可知，J0/2為直流項，±［J0sin(2θ)］/2為交流項，當在處理電路作隔直通交處理后，余下的信號只有交流項±［J0sin(2θ)］/2。信號處理框圖如圖1所示。

圖1 信號處理框圖

在單光路檢測法中，令

由于Faraday旋轉角度較小，由三角函數關系可近似得

可將式(5)改寫為

從式(7)可看出，Faraday旋轉角θ與測量值成正比關系，而根據Faraday效應及安培環路定律可知，電流

則由式(7)和式(8)可推出

令 k=1/J0VN，則

由上式可知，經過信號處理后，被測電流I與測量值成比例關系，比例系數為k。

同理，在雙光路檢測法中，令E1=J0sin(2θ)/2，則

將E1與E2作差分輸入有

根據式(6)可將上式改寫為

由式(13)可看出，Faraday旋轉角θ與測量值成正比關系，將式(8)代入得

將式(14)改寫為

其中，k'=1/(2J0VN)，表示測量值與被測電流之間的比例系數。與單路輸入相同可推出被測電流與測量值成比例關系。

此方案的雙光路檢測法不僅輸出信號大，噪聲小，且外界因素對系統的輸出影響較小，提高了系統的穩定性及光源輸出光強起伏、振動導致光纖輸出光強波動等不利因素的抵御能力。同時單光路法也可得到較好的輸出結果，便于比較分析。

2 測試

2.1 測試系統

采用的測試系統框圖如圖2所示。該設備不僅可作單端電壓輸入測試，還可實現差分電壓輸入測試。

圖2 SR530鎖相放大器測試系統

2.2 測試結果

該研究使用的測試方法主要有兩種:一是單端輸入法，二是差分輸入法。單端輸入法雖能檢測信號，但易受到干擾噪聲的影響，而差分輸入法是將PBS模分出的P光和S光作差分輸入，此方法既能較好的檢測信號，也可抑制噪聲，提高差模，抑制共模。這兩種方法的測試設備均是SR530鎖相放大器。采用該設備可對Faraday旋轉量做定性分析，得到被測電流與輸出直流量的關系。在不同的電流作用下，經過多次測試，其測試結果如下:

(1)在不同電流作用下，SR530鎖相放大器單端電壓輸入測試結果如表1所示。表中，R表示輸入信號與參考信號作乘法運算以后的幅值。角度θ表示輸入信號與參考信號的相位差。從表1中可看出，在不同電流作用下，參考頻率均為49.9 Hz，保證了參考信號頻率穩定性。

表1 SR530鎖相放大器單端電壓輸入測試數據

(2)在不同電流作用下，SR530鎖相放大器差分電壓輸入測試數據如表2所示。

表2 SR530鎖相放大器差分電壓輸入測試數據

表2中，R表示差分信號與參考信號作乘法運算以后的幅值。角度θ表示差分信號與參考信號的相位差。從表2中可看出，在不同電流作用下，參考頻率均為49.9 Hz，保證了參考信號頻率的穩定性。

2.3 結果分析

首先對SR530鎖相放大器單端電壓輸入和差分電壓輸入與參考信號之間的相位差進行數據處理，得到結果如圖3所示。

圖3 SR530鎖相放大器輸出相位差與電流關系

從圖3可得到，如果去除誤差最大值，無論是單端輸入或差分輸入，其相位差基本保持在一條直線上。即在誤差允許的范圍內，在同一種輸入情況下，SR530鎖相放大器輸入信號與參考信號間的相位差并未隨著電流的增大而變化，這說明輸入信號與參考信號的相位差基本保持不變，可保證測量的順利進行。

根據式(10)可知，經過電路處理后的輸出幅值與被測電流成比例關系，因此可將表1和表2作數據處理得圖4、圖5所示。

圖4 SR530鎖相放大器單端輸入測試幅值與電流的關系

由圖4可知，在0～800 A電流作用下，輸出幅值與電流基本成線性關系。根據k的定義可得，其比例系數為k≈12.46。

圖5 SR530鎖相放大器差分輸入測試幅值與電流關系

由圖5可知，在0～800 A電流作用下，輸出幅值與電流基本成線性關系。同理，其比例系數為k≈5.2［4－6］。

通過分析表1和表2以及圖3～圖5可得到如下結論:

(1)在同一種輸入狀況下，鎖相放大器輸入信號與參考信號間的相位差并未隨著電流的增大而變化，這說明輸入信號與參考信號的相位差基本保持不變，可保證測量的順利進行。

(2)SR530鎖相放大器測得的幅值均為mV量級。

(3)SR530鎖相放大器單端輸入所測得的幅值均小于相同電流作用下差分輸入所測得的幅值，且差分輸入的比例系數k比單端輸入的比例系數小。相比之下，在電流為0～800 A作用時，使用差分輸入測量數據時比單端輸入線性度好。

(4)通過確認比例系數k以及輸出測量值，反之可計算出被測電流值，即保證工作在線性區，經過進一步確認比例系數k與測量值的關系，該設備可用于測量電流。

(5)由于模擬高壓線與傳輸導線之間的接入電阻較大，隨著電流的增大，發熱量也增大，若電流的輸入值超過800 A，則嚴重影響測量結果。同時測量電流的傳感器感應到的電流也將受到影響。

由于雙折射、溫度、振動等因素的影響，測試結果仍然存在一定的誤差甚至錯誤。從圖2鎖相放大器測試系統可知，傳感光纖繞制在模擬高壓輸電線上，隨著電流的增大，變壓器的抖動也越大，進而使繞制在模擬高壓輸電線上的傳感光纖也不停的振動，既影響了光信號的傳輸模式的變化，又影響了傳輸光信號功率的穩定性。且由于模擬高壓線與導線間的接入電阻較大，隨著電流的增大，模擬高壓線也越來越熱，溫度不斷升高，使傳感光纖的溫度也逐漸升高。光纖的抖動以及溫度的升高不僅會使光纖對稱兩側受壓、改變端面橢圓度還將影響到光纖的雙折射效應和Verdet常數，以上因素的存在直接影響到光纖電流互感器的測量靈敏度和精度，是亟待解決的問題。

3 結束語

從SR530鎖相放大器的測試中可看出，單端輸入時，由于受到外界因素的影響，其輸出結果較小。而差分輸入可抑制振動、雙折射等外界因素的影響，其輸出結果比單端輸入的結果大。當然測試結果仍不完善，僅能作定性分析，至于精度及準確度仍需進一步研究。

［1］ 黃建華，王佳.光學電流互感器的關鍵技術［J］.電力自動化設備，2009(12):94－97.

［2］ 安毓英，曾小東.光學傳感與測量［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［3］ 劉延冰，李紅斌，余春雨，等.電子式互感器原理、技術及應用［M］.北京:科學出版社，2009.

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［5］ 李財品，張洪太，譚小敏.地球同步軌道合成孔徑雷達特性分析［J］.現代電子技術，1997(1):29－31.

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