1、第 33卷第 5期 光電工程 V ol.33, No.5 2006年 5月 Opto-Electronic Engineering May, 2006文章編號:1003-501X(200605-0095-04全光纖電流互感器檢測系統的設計袁玉廠,馮麗爽,王夏霄,姜中英( 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院,北京 100083 摘要:介紹了全光纖電流互感器的工作原理,分析了系統光路輸出信號的特點,由此提出了基于 方波調制解調的數字相關檢測方案,并闡述了其測量原理及實現方法。實驗結果表明,系統分辨 率小于 1A ,系統的比例因數在-40 60下變化小于 0.5%。關鍵詞:光纖電流互感器; F

2、araday 效應;相關檢測中圖分類號:TM452 文獻標識碼: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 F

3、iber 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 disting

4、uishing 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 言光纖電流互感器 (FOCT是基于 Faraday 效應來測量電流的。因為采用光纖作為傳感介質,所以在絕緣 性、抗電磁干擾、可靠性等方面比傳統的電磁式電流互感器有很大的優勢;而且它不含有交流線圈,不存 在開路危險。以前,光纖電流互感器的研究主要集中在磁光晶體

5、結構的傳感頭方案上,歐洲 ABB 公司研 制出達到 IEC 標準 0.2級晶體結構 FOCT 1。近年來,隨著光纖技術的發展,全光纖結構的 FOCT 引起了 人們的重視, 北美 NxtPhase 公司已研制出超過 IEC 標準 0.2S 級的全光纖 FOCT 2。 國內研究大多采用的是 晶體結構方案,清華大學、華中理工大學相繼研制出正常環境下精度為 0.3%的塊狀結構 FOCT ,但在抗干 擾和長期穩定性方面還有待改進 3。本文給出了一種新型的全光纖電流互感器方案,傳感光纖采用共光路設計,因而具有較好的互易性和 較強的抗干擾能力。文中分析了光路輸出信號的特點,針對這種十分微弱的余弦信號,提出了

6、基于方波調 制解調的數字相關檢測方案, 詳細闡述了其基本原理, 給出了一種采用 FPGA+DSP的實現方法。 測試結果 表明, 系統能復現直流和交流信號, 全溫下比例因數變化小于 0.5%, 表明該方案滿足系統的信號檢測要求。收稿日期:2005-05-13; 收到修改稿日期:2005-10-24作者簡介:袁玉廠(1980-,男(漢族,河南周口人,碩士生,主要研究方向是微弱信號檢測。 E -mail : yuanyc光電工程 第 33卷第 5期961 工作原理和分析1.1 工作原理 全光纖電流互感器系統構成如圖 1。整 個結構根據功能可分為光學傳輸、光學傳感 頭和信號處理電路三部分。其中,光學傳

7、輸 部分完成光學信號的產生、傳輸、轉換和干 涉;光學傳感頭部分敏感導線中的電流并將 它轉換成干涉光的相位信息;信號處理電路 產生調制電壓, 對信號進行解算得到電流值。具體工作原理是:SLD 光源發出的光經 過單模耦合器后由起偏器起偏成為線偏光,線偏光以 45° 注入保偏光纖分別沿 X 軸和 Y 軸向前傳播。當這兩束正交模式的光經過 /4波片后,分別變 為左旋和右旋的圓偏振光,進入傳感光纖。由于受到導線中的電流產生的磁場作用,左右旋圓偏振光以不 同的速度傳播,從而引起光波相位變化。光在由傳感光纖端面的鏡面反射后,這兩束圓偏振光的偏振模式 互換,再次通過傳感光纖而再次受到磁場作用,使受到

8、的作用效果加倍。這兩束返回的光再次通過 /4波 片后,恢復為線偏振光,并在起偏器處發生干涉。最后,攜帶相位信息的光由耦合器耦合進探測器。在整 個光的傳播過程中,光都經歷了保偏光纖的 X 軸和 Y 軸和傳感光纖的左旋和右旋模式,只在時間上略有差 別,因此到達探測器的光只攜帶了由于法拉第效應產生的非互易相位差 f 。那么探測器輸出的光強 5為cos(15. 00d m f P loss P += (1 式中 loss 是光路損耗; P 0為光源輸出光強; m 是調制相移; NVI f 4=是 Farady 相移,其中, N 為傳感 光纖的匝數, V 為 Verdet 常數, I 為導線中的電流。

9、1.2 信號特點光路系統的基本參數為 P 0=100W , loss= 30dB , N=5, V=1.10×10-6 rad/A。當 I=1A 時,那么由式 (1知 P d =3.3×10-12W 。 考慮到探測器的量子效率約 0.9A/W, 跨阻抗為 1.2M , 則探測器的輸出電壓為 3.6V 。 可以看出待測信號是很微弱的,而且噪聲一般是毫伏級的,因此要把這么微弱的信號從噪聲中提取出來, 必須使用微弱信號檢測的方法。2 檢測方案設計相 關檢測是利用信號和噪聲不相干的特點,采用做相關運算的方法,從噪聲中提取信號的方法。相關 檢測分自相關檢測和互相關檢測。自相關檢測是取

10、信號和經過時移的它本身之間的相關函數?；ハ嚓P檢測 是,使用“干凈”的與被測信號同頻的本地信號作為參考信號,與混有噪聲的被測信號做相關運算,能夠 測量出信噪比很低的信號。在微弱信號相關檢測技術中,包括調制技術和解調技術兩個部分,下面分別論述。 2.1 信號的調制 2.1.1 調制的原因在圖 1中,如果不在相位調制器處對光信號進行調制,那么到達探測器處的信號為 (4cos(1 cos 1( (00t VNi P P t f f +=+= (2 式中參數的含義同前述。由式 (2可知,干涉輸出是一個余弦函數,由于余弦函數在零點的斜率為零,對小信號反應不靈敏,誤 差很大。為了獲得較高的靈敏度,使其工作在

11、信號斜率較大的點附近,應該施加一個 /2偏置。另外, 通過調制, 使信號頻率調制到高頻上, 避開噪聲信號較強的低頻段, 能夠減少低頻噪聲的影響。圖 1 全光纖電流互感器系統組成Fig.1 Component of the FOCT2006年 5月 袁玉廠 等:全光纖電流互感器檢測系統的設計972.1.2 調制的方法若施加的偏置 2/±=m ,則信號變為sin 1( 2cos(1 (00f f P P t f +=+= (3 sin 1( 2cos(1 (00f f P P t f =+= (4也就是說,由于加了幅值為 /2的相位調制,干 涉 輸 出 由 一 直 流 正 弦 信 號 變

12、 為 疊 加 在 直 流 上 P 0的幅值為 f P sin 0的方波信號,方波幅值的大小則 反映了 Faraday 相移的大小,調制示意圖如圖 2所示。 因此,可以理解為電網電流的大小改變了方波的 幅度, 通過對方波幅值的檢測就可以得到電流的大小, 檢測的過程稱為解調。 2.2 信號的解調由式 (3 減去式 (4得f f f f f P P P P P 00002sin 2 sin 1( sin 1( (=+= (5也即是將圖 2所示的輸出信號的正負半周期信號相減,由于相移很小,利用正弦函數的小角度近似, 可知差值與 Faraday 相移呈線性關系。采用與輸出信號的同頻方波信號 h (t 作

13、為參考信號,與 PIN 的輸出 信號 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即輸出 y 是輸入信號 f (t 與參考信號 h (t 的相關函數。3 檢測電路設計系統選用 FPGA(EPF10K20TC144和 DSP(TMS320F206組成信號處理單元,用 FPGA 建立各個時序, 生成中斷信號等;發揮 DSP 的高速運算的特點,用其中進行數據處理。兩者之間采用中斷方式實現通訊。 檢測系統的構成如圖 3。 PIN 輸出的信號經 A/D轉換送到 FPGA 和 DSP 中, 運算后通 過模擬多路開關形成調制方

14、 波, 經 D/A轉換形成模擬輸 出、 數字輸出和有效值顯示。 FPGA 主要建立各個時 序,利用鎖相環產生基準時 鐘, 進行分頻, 分別得到 A/D時鐘、 采樣脈沖、 D/A時鐘、 調制方波和解調方波等時 序。在 FPGA 中進行初步解 調后向 DSP 發送中斷請求,DSP 響應中斷后,對數據進 行積分和濾波處理。處理完 成后在把數據送回 FPGA , 進行一系列輸出。 DSP程序圖 2 方波調制與電流的關系Fig.2 Relation between square-ware modulation and current圖 3 檢測電路Fig.3 Measurement system圖 4

15、DSP程序流程Fig.4 Flow of program in DSP流程如圖 4。4 實驗結果4.1 實驗條件采用波長為 1.3m 的 SLD 光源,光纖起偏器和相位調制器, PIN 型光電探測器,傳感光纖匝數 N = 5, 用凡爾勝光纖制作 /4波片,采用 250m 保偏光纖作為延遲線,以降低調制頻率。 4.2 交直流測試圖 5顯示直流 0A 和 1A 的對比輸出, 圖 6是交流 130A 時的輸出。圖中橫軸表示采樣時間 (單位:s ,由于還沒有 進行標定實驗,縱軸是輸出信號的數字量表示,其與輸入 電流成特定的比例關系?？梢钥闯?系統能夠分辨出直流1A 、 0A 對應系統的零偏;能夠復現交

16、流信號。 4.3 比例因數特性由于系統工作在室外,工作環境的溫度變化很大。圖7顯示了系統在 -4060 下的比例因數誤差曲線,可以看 出系統很穩定, 全溫下比例因數變化小于 0.5%。 常溫下重 復性測試顯示比例因數變化小于 0.4%。5 結 論本 文提出了一種新型全光纖電流互感器的微弱信號檢測方案。根據光路的輸出信號的特征,提出了基 于方波調制解調的數字相關檢測的方法,詳細論述了其工作原理及實現方法。搭建的原理樣機實驗表明 , 系統測量范圍很寬,達到 13600A,系統分辨率小于 1A ;比例因數受溫度影響小,全溫 (-40 60 下變 化小于 0.5%,具有很高的實用價值。 參考文獻:1

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19、40 -20 0 20 40 60Temperature/10.5 0 -0.5 -1E r r o r o f t h e s c a l e f a c t o r / %3 結 論以激光為光源, 以脈沖信號激勵產生渦流, 將法拉第磁光效應和渦流效應緊密結合的磁光 /脈沖渦流實 時成像檢測是一種提高檢測速度、使缺陷檢測結果實時、可視化的現實、可行的無損檢測新方法。磁光 /脈沖渦流成像檢測的深度主要取決于渦流的滲透深度 (與矩形脈沖信號頻率有關 ,檢測 (成像掃描 面積的 大小取決于激光光斑的直徑大小, 該檢測技術特別適用于被檢面積大 (如飛機機身鋁組件、 鋼和鈦合金鋁結 構 的表層及亞表層

20、缺陷 (如腐蝕、靠近鉚釘處的疲勞裂紋 檢測,在目前的實驗條件下,該方法可實現微納 米級的精度測量 2-4。參考文獻:1 任吉林 . 電磁無損檢測 M. 北京:航空工業出版社 . 1989. 181-186.REN Ji-lin. Electromagnetism Nondestructive Testing M. Beijing:Aviation Industry Press, 1989. 181-186.2 Gerald L. FITZPATRICK , David K.THOME, Richard L. SKAUGSET, et al. Magneto-optic/eddy current

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