基于鎖相放大器的光纖電流互感器研究

摘要 為了測(cè)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(hào)的方法，改進(jìn)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(hào)做單端電壓輸入測(cè)試和差分電壓輸入測(cè)試，并比較了單端輸入與差分輸入的測(cè)試效果，定性分析了輸出幅值與被測(cè)電流的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明，鎖相放大器輸出幅值與被測(cè)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(duì)外界干擾抑制性強(qiáng)。其成果為進(jìn)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(jì)量裝置，其通過測(cè)量光波在通過光纖材料時(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?，則輸出信噪比將遠(yuǎn)1，這說明信號(hào)被淹沒在噪聲當(dāng)中。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壓縮等效噪聲帶寬，從而抑制噪聲，探測(cè)出淹沒在噪聲中的周期信號(hào)的幅值與相位。

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。
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

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。