基于鎖相放大器的光纖電流互感器研究

吳再群

(百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西百色 533000)

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(jì)量裝置，其通過(guò)測(cè)量光波在通過(guò)光纖材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)確定被測(cè)電流的大小。在實(shí)際應(yīng)用中，由于Faraday旋轉(zhuǎn)量較小，且外界對(duì)傳感器的干擾較大，若直接檢測(cè)Faraday旋轉(zhuǎn)角則極為困難。當(dāng)輸入信噪比時(shí)，直接探測(cè)光信號(hào)的方法將十分困難。因?yàn)槿糨斎胄旁氡龋?，則輸出信噪比將遠(yuǎn)＜1，這說(shuō)明信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲當(dāng)中［1］。這種情況下的光信號(hào)探測(cè)被稱作微弱信號(hào)檢測(cè)。對(duì)于淹沒(méi)在噪聲中的周期光信號(hào)，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(guò)鎖相放大器實(shí)現(xiàn)的，其采用相敏檢波器和低通濾波器來(lái)壓縮等效噪聲帶寬，從而抑制噪聲，探測(cè)出淹沒(méi)在噪聲中的周期信號(hào)的幅值與相位［2］。

1 鎖相放大器測(cè)試原理

光纖電流互感器的信號(hào)處理是將攜帶被測(cè)電流信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波后輸送到信號(hào)處理單元。信號(hào)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(hào)處理電路基本功能是:將攜帶有Faraday偏轉(zhuǎn)角信息的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為被測(cè)電流的電信號(hào)，用于補(bǔ)償光源光強(qiáng)起伏對(duì)輸出信號(hào)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(hào)放大到規(guī)定的幅值［3］。

將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為被測(cè)電流的電信號(hào)有兩種方法:(1)單光路檢測(cè)法。此方法是將輸出光經(jīng)光探頭轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入信號(hào)處理電路。(2)雙光路檢測(cè)法。此方法利用偏振分光鏡將被電流信號(hào)調(diào)制的光分為兩束，分別用兩個(gè)光電探測(cè)器接收其輸出光強(qiáng)，再將兩束光的采集信號(hào)作信號(hào)處理。實(shí)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(shí)現(xiàn)直接測(cè)量，文中將使用鎖相放大器對(duì)去直流的采集信號(hào)進(jìn)行處理分析。

當(dāng)通過(guò)導(dǎo)線的電流I=0時(shí)，假設(shè)出射光的振動(dòng)方向沿y軸，輸出光強(qiáng)為J0，檢偏器相對(duì)于起偏器的方位角為α。當(dāng)I≠0時(shí)，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角為θ，則探測(cè)器輸出光強(qiáng)J為

為求得對(duì)θ變化的最大靈敏度，取

解得

即當(dāng)檢偏器與起偏器的透光軸成±45°角時(shí)，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角的測(cè)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(xiàng)，±［J0sin(2θ)］/2為交流項(xiàng)，當(dāng)在處理電路作隔直通交處理后，余下的信號(hào)只有交流項(xiàng)±［J0sin(2θ)］/2。信號(hào)處理框圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理框圖

在單光路檢測(cè)法中，令

由于Faraday旋轉(zhuǎn)角度較小，由三角函數(shù)關(guān)系可近似得

可將式(5)改寫為

從式(7)可看出，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角θ與測(cè)量值成正比關(guān)系，而根據(jù)Faraday效應(yīng)及安培環(huán)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(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，被測(cè)電流I與測(cè)量值成比例關(guān)系，比例系數(shù)為k。

同理，在雙光路檢測(cè)法中，令E1=J0sin(2θ)/2，則

將E1與E2作差分輸入有

根據(jù)式(6)可將上式改寫為

由式(13)可看出，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角θ與測(cè)量值成正比關(guān)系，將式(8)代入得

將式(14)改寫為

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

此方案的雙光路檢測(cè)法不僅輸出信號(hào)大，噪聲小，且外界因素對(duì)系統(tǒng)的輸出影響較小，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及光源輸出光強(qiáng)起伏、振動(dòng)導(dǎo)致光纖輸出光強(qiáng)波動(dòng)等不利因素的抵御能力。同時(shí)單光路法也可得到較好的輸出結(jié)果，便于比較分析。

2 測(cè)試

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

采用的測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖2所示。該設(shè)備不僅可作單端電壓輸入測(cè)試，還可實(shí)現(xiàn)差分電壓輸入測(cè)試。

圖2 SR530鎖相放大器測(cè)試系統(tǒng)

2.2 測(cè)試結(jié)果

該研究使用的測(cè)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(cè)信號(hào)，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(cè)信號(hào)，也可抑制噪聲，提高差模，抑制共模。這兩種方法的測(cè)試設(shè)備均是SR530鎖相放大器。采用該設(shè)備可對(duì)Faraday旋轉(zhuǎn)量做定性分析，得到被測(cè)電流與輸出直流量的關(guān)系。在不同的電流作用下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，其測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果如表1所示。表中，R表示輸入信號(hào)與參考信號(hào)作乘法運(yùn)算以后的幅值。角度θ表示輸入信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)頻率穩(wěn)定性。

表1 SR530鎖相放大器單端電壓輸入測(cè)試數(shù)據(jù)

(2)在不同電流作用下，SR530鎖相放大器差分電壓輸入測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 SR530鎖相放大器差分電壓輸入測(cè)試數(shù)據(jù)

表2中，R表示差分信號(hào)與參考信號(hào)作乘法運(yùn)算以后的幅值。角度θ表示差分信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)頻率的穩(wěn)定性。

2.3 結(jié)果分析

首先對(duì)SR530鎖相放大器單端電壓輸入和差分電壓輸入與參考信號(hào)之間的相位差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 SR530鎖相放大器輸出相位差與電流關(guān)系

從圖3可得到，如果去除誤差最大值，無(wú)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(nèi)，在同一種輸入情況下，SR530鎖相放大器輸入信號(hào)與參考信號(hào)間的相位差并未隨著電流的增大而變化，這說(shuō)明輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位差基本保持不變，可保證測(cè)量的順利進(jìn)行。

根據(jù)式(10)可知，經(jīng)過(guò)電路處理后的輸出幅值與被測(cè)電流成比例關(guān)系，因此可將表1和表2作數(shù)據(jù)處理得圖4、圖5所示。

圖4 SR530鎖相放大器單端輸入測(cè)試幅值與電流的關(guān)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(guān)系。根據(jù)k的定義可得，其比例系數(shù)為k≈12.46。

圖5 SR530鎖相放大器差分輸入測(cè)試幅值與電流關(guān)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(guān)系。同理，其比例系數(shù)為k≈5.2［4－6］。

通過(guò)分析表1和表2以及圖3～圖5可得到如下結(jié)論:

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

(2)SR530鎖相放大器測(cè)得的幅值均為mV量級(jí)。

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

(4)通過(guò)確認(rèn)比例系數(shù)k以及輸出測(cè)量值，反之可計(jì)算出被測(cè)電流值，即保證工作在線性區(qū)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步確認(rèn)比例系數(shù)k與測(cè)量值的關(guān)系，該設(shè)備可用于測(cè)量電流。

(5)由于模擬高壓線與傳輸導(dǎo)線之間的接入電阻較大，隨著電流的增大，發(fā)熱量也增大，若電流的輸入值超過(guò)800 A，則嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。同時(shí)測(cè)量電流的傳感器感應(yīng)到的電流也將受到影響。

由于雙折射、溫度、振動(dòng)等因素的影響，測(cè)試結(jié)果仍然存在一定的誤差甚至錯(cuò)誤。從圖2鎖相放大器測(cè)試系統(tǒng)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(dòng)也越大，進(jìn)而使繞制在模擬高壓輸電線上的傳感光纖也不停的振動(dòng)，既影響了光信號(hào)的傳輸模式的變化，又影響了傳輸光信號(hào)功率的穩(wěn)定性。且由于模擬高壓線與導(dǎo)線間的接入電阻較大，隨著電流的增大，模擬高壓線也越來(lái)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(dòng)以及溫度的升高不僅會(huì)使光纖對(duì)稱兩側(cè)受壓、改變端面橢圓度還將影響到光纖的雙折射效應(yīng)和Verdet常數(shù)，以上因素的存在直接影響到光纖電流互感器的測(cè)量靈敏度和精度，是亟待解決的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

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

［1］ 黃建華，王佳.光學(xué)電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009(12):94－97.

［2］ 安毓英，曾小東.光學(xué)傳感與測(cè)量［M］.北京:電子工業(yè)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(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［4］ 劉玉賓，丁萬(wàn)山.基于ARM與有理數(shù)濾波的甲烷體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電子科技，2011，24(2):37－40.

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

［6］ 王月娥，高守海，張麗娟.一種基于開關(guān)電容技術(shù)的鎖定放大器設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010(1):68－70.