全光纤电流互感器检测系统的设计

第33卷第5期 光电工程V ol.33, No.5 2006年5月 Opto-Electronic Engineering May, 2006文章编号：1003-501X(2006)05-0095-04全光纤电流互感器检测系统的设计袁玉厂，冯丽爽，王夏霄，姜中英( 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100083 ) 摘要：介绍了全光纤电流互感器的工作原理，分析了系统光路输出信号的特点，由此提出了基于方波调制解调的数字相关检测方案，并阐述了其测量原理及实现方法。

实验结果表明，系统分辨率小于1A，系统的比例因数在-40℃~60℃下变化小于0.5％。

关键词：光纤电流互感器；Faraday效应；相关检测中图分类号：TM452 文献标识码：ADesign of measurement system on all-fiber-opticalcurrent transducerYUAN Yu-chang，FENG Li-shuang，WANG Xia-xiao，JIANG Zhong-ying( School of Instrument Science & Optoelectronic Engineering,Beihang University, Beijing 100083, China )Abstract:The work principle of Fiber Optical Current Transducer (FOCT) is introduced. By analyzing the characteristic of the optical apparatus, a measurement scheme based on square wave modulation and demodulation is put forward, and the measurement scheme is discussed at length. The data given in the paper shows the system distinguishing rate is less than 1A, and the scale rate changes less than 0.5% between -40℃ and 60℃.Key words: Optical current transducer; Faraday effect; Correlated measurement引 言光纤电流互感器(FOCT)是基于Faraday效应来测量电流的。

因为采用光纤作为传感介质，所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流互感器有很大的优势；而且它不含有交流线圈，不存在开路危险。

以前，光纤电流互感器的研究主要集中在磁光晶体结构的传感头方案上，欧洲ABB公司研制出达到IEC标准0.2级晶体结构FOCT[1]。

近年来，随着光纤技术的发展，全光纤结构的FOCT引起了人们的重视，北美NxtPhase公司已研制出超过IEC标准0.2S级的全光纤FOCT[2]。

国内研究大多采用的是晶体结构方案，清华大学、华中理工大学相继研制出正常环境下精度为0.3％的块状结构FOCT，但在抗干扰和长期稳定性方面还有待改进[3]。

本文给出了一种新型的全光纤电流互感器方案，传感光纤采用共光路设计，因而具有较好的互易性和较强的抗干扰能力。

文中分析了光路输出信号的特点，针对这种十分微弱的余弦信号，提出了基于方波调制解调的数字相关检测方案，详细阐述了其基本原理，给出了一种采用FPGA+DSP的实现方法。

测试结果表明，系统能复现直流和交流信号，全温下比例因数变化小于0.5％，表明该方案满足系统的信号检测要求。

收稿日期：2005-05-13；收到修改稿日期：2005-10-24作者简介：袁玉厂(1980-)，男(汉族)，河南周口人，硕士生，主要研究方向是微弱信号检测。

E-mail: yuanyc@光电工程 第33卷第5期961 工作原理和分析1.1 工作原理全光纤电流互感器系统构成如图1。

整个结构根据功能可分为光学传输、光学传感头和信号处理电路三部分。

其中，光学传输部分完成光学信号的产生、传输、转换和干涉；光学传感头部分敏感导线中的电流并将它转换成干涉光的相位信息；信号处理电路产生调制电压，对信号进行解算得到电流值。

具体工作原理是：SLD 光源发出的光经过单模耦合器后由起偏器起偏成为线偏光，线偏光以45° 注入保偏光纤分别沿X 轴和Y 轴向前传播。

当这两束正交模式的光经过λ /4波片后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。

由于受到导线中的电流产生的磁场作用，左右旋圆偏振光以不同的速度传播，从而引起光波相位变化。

光在由传感光纤端面的镜面反射后，这两束圆偏振光的偏振模式互换，再次通过传感光纤而再次受到磁场作用，使受到的作用效果加倍。

这两束返回的光再次通过λ /4波片后，恢复为线偏振光，并在起偏器处发生干涉。

最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进探测器。

在整个光的传播过程中，光都经历了保偏光纤的X 轴和Y 轴和传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差别，因此到达探测器的光只携带了由于法拉第效应产生的非互易相位差ϕf 。

那么探测器输出的光强[5]为)]cos(1[5.00d m f P loss P ϕϕ++⋅⋅= (1) 式中 loss 是光路损耗；P 0为光源输出光强；m ϕ是调制相移；NVI f 4=ϕ是Farady 相移，其中，N 为传感 光纤的匝数，V 为Verdet 常数，I 为导线中的电流。

1.2 信号特点光路系统的基本参数为P 0=100μW ，loss= 30dB ，N=5，V=1.10×10-6 rad/A 。

当I=1A 时，那么由式(1)知P d =3.3×10-12W 。

考虑到探测器的量子效率约0.9A/W ，跨阻抗为1.2M Ω，则探测器的输出电压为3.6μV 。

可以看出待测信号是很微弱的，而且噪声一般是毫伏级的，因此要把这么微弱的信号从噪声中提取出来，必须使用微弱信号检测的方法。

2 检测方案设计相关检测是利用信号和噪声不相干的特点，采用做相关运算的方法，从噪声中提取信号的方法。

相关检测分自相关检测和互相关检测。

自相关检测是取信号和经过时移的它本身之间的相关函数。

互相关检测是，使用“干净”的与被测信号同频的本地信号作为参考信号，与混有噪声的被测信号做相关运算，能够测量出信噪比很低的信号。

在微弱信号相关检测技术中，包括调制技术和解调技术两个部分，下面分别论述。

2.1 信号的调制 2.1.1 调制的原因在图1中，如果不在相位调制器处对光信号进行调制，那么到达探测器处的信号为]))(4cos(1[)cos 1()(00t VNi P P t f f +=+=ϕ (2) 式中参数的含义同前述。

由式(2)可知，干涉输出是一个余弦函数，由于余弦函数在零点的斜率为零，对小信号反应不灵敏，误差很大。

为了获得较高的灵敏度，使其工作在信号斜率较大的点附近，应该施加一个π/2偏置。

另外，通过调制，使信号频率调制到高频上，避开噪声信号较强的低频段，能够减少低频噪声的影响。

图1 全光纤电流互感器系统组成Fig.1 Component of the FOCT2006年5月 袁玉厂 等：全光纤电流互感器检测系统的设计972.1.2 调制的方法若施加的偏置2/π±=m ϕ，则信号变为)sin 1(])2πcos(1[)(00f f P P t f ϕϕ+=++= (3))sin 1(])2πcos(1[)(00f f P P t f ϕϕ−=−+= (4)也就是说，由于加了幅值为π/2的相位调制，干涉输出由一直流正弦信号变为叠加在直流上 P 0的幅值为f P ϕsin 0的方波信号，方波幅值的大小则反映了Faraday 相移的大小，调制示意图如图2所示。

因此，可以理解为电网电流的大小改变了方波的幅度，通过对方波幅值的检测就可以得到电流的大小，检测的过程称为解调。

2.2 信号的解调由式(3) 减去式(4)得f f f f f P P P P P ϕϕϕϕϕ00002sin 2)sin 1()sin 1()(≈=−−+= (5)也即是将图2所示的输出信号的正负半周期信号相减，由于相移很小，利用正弦函数的小角度近似，可知差值与Faraday 相移呈线性关系。

采用与输出信号的同频方波信号h (t )作为参考信号，与PIN 的输出信号f (t )相乘得∑∑∑−=−=−==−=1201210)()(1])()([1N i N N i N i i h i f Ni f i f N y (6)即输出y 是输入信号f (t )与参考信号h (t )的相关函数。

3 检测电路设计系统选用FPGA(EPF10K20TC144)和DSP(TMS320F206)组成信号处理单元，用FPGA 建立各个时序，生成中断信号等；发挥DSP 的高速运算的特点，用其中进行数据处理。

两者之间采用中断方式实现通讯。

检测系统的构成如图3。

PIN 输出的信号经A/D 转换送到FPGA 和DSP 中，运算后通过模拟多路开关形成调制方波，经D/A 转换形成模拟输出、数字输出和有效值显示。

FPGA 主要建立各个时序，利用锁相环产生基准时钟，进行分频，分别得到A/D 时钟、采样脉冲、D/A 时钟、调制方波和解调方波等时序。

在FPGA 中进行初步解调后向DSP 发送中断请求，DSP 响应中断后，对数据进行积分和滤波处理。

处理完成后在把数据送回FPGA ，进行一系列输出。

DSP程序图2 方波调制与电流的关系Fig.2 Relation between square-ware modulation and current图3 检测电路Fig.3 Measurement system图4 DSP 程序流程Fig.4 Flow of program in DSP流程如图4。

4 实验结果4.1 实验条件采用波长为1.3μm 的SLD 光源，光纤起偏器和相位调制器，PIN 型光电探测器，传感光纤匝数N = 5，用凡尔胜光纤制作λ/4波片，采用250m 保偏光纤作为延迟线，以降低调制频率。

4.2 交直流测试图5显示直流0A 和1A 的对比输出，图6是交流130A 时的输出。

图中横轴表示采样时间(单位：s)，由于还没有进行标定实验，纵轴是输出信号的数字量表示，其与输入电流成特定的比例关系。

可以看出，系统能够分辨出直流1A 、0A 对应系统的零偏；能够复现交流信号。

4.3 比例因数特性由于系统工作在室外，工作环境的温度变化很大。