基于鎖相放大器的光纖電流互感器研究

摘要 為了測試光纖電流互感器中由于Faraday效應(yīng)引起的旋轉(zhuǎn)量，提出了采用鎖相放大器處理信號的方法，改進了傳統(tǒng)的將交流成分與直流成分相除的方法。系統(tǒng)將采集信號做單端電壓輸入測試和差分電壓輸入測試，并比較了單端輸入與差分輸入的測試效果，定性分析了輸出幅值與被測電流的關(guān)系。測試結(jié)果表明，鎖相放大器輸出幅值與被測電流具有線性關(guān)系，且差分輸入較單端輸入幅值大、線性度好、對外界干擾抑制性強。其成果為進一步研究基于旋光效應(yīng)的光纖電流互感器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 鎖相放大器；Faraday效應(yīng)；光纖電流互感器

基于旋光效應(yīng)的光纖電流互感器是以Faraday效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為傳感介質(zhì)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(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小。在實際應(yīng)用中，由于Faraday旋轉(zhuǎn)量較小，且外界對傳感器的干擾較大，若直接檢測Faraday旋轉(zhuǎn)角則極為困難。當(dāng)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(dāng)中。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(xiàn)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。

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(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角信息的光信號通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)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(tǒng)的輸出信噪比，并將輸出信號放大到規(guī)定的幅值。
將光信號轉(zhuǎn)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(jīng)光探頭轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)量較小，采用單光路法和雙光路法難以實現(xiàn)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(dāng)通過導(dǎo)線的電流I=0時，假設(shè)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(dāng)I≠0時，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角為θ，則探測器輸出光強J為

由式(4)可知，J0／2為直流項，±[J0sin(2θ)]／2為交流項，當(dāng)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。