毕业设计（论文）-反射式光纤电流传感器设计.doc

毕业设计（论文）摘 要随着电压和电流等级的提高，传统的电磁式电流互感器不能满足测量的要求，光纤电流传感器以其特有的优势，受到广泛的关注。本文对国内外的光纤电流传感器的研究状况进行了综合的概述，针对现行光纤电流传感器的不足，改进了相位调制型光纤电流传感器，利用Jones矩阵分析法建立了反射式光纤电流传感器的理论模型。并针对反射式光纤电流传感器进行了器件的选择。根据传感器的输出信号的特点，设计了信号处理电路。对信号进行了光电转换和前置放大，然后使用相关检测技术，将一次谐波的幅值转变成直流信号。然后设计低通滤波器分离直流信号，最后设计了处理器电路完成信号的AD转换，用于信号的数字处理和输出显示。关键词:光纤电流传感器，法拉第效应，相关检测，信号仿真ABSTRACTAs the increase of the current and voltage，the traditional electromagnetic current transformer could not satisfy the requirements of the measurement. The fiber-oPtic current sensor was investigated for its unique advantages.The research achievements of the fiber-optic current sensor have been summarized in the paper. The reflective fiber-oPtic current sensor has been designed basing on the Phase modulated type fiber-optic current sensor. The theory current sensor has been established using Jones matrix devices have been chose model of the reflective fiber-optic analyzing method and the proper device have been chose.According to the characteristics of the sensor's output, signal processing circuits including photoelectric translating circuit, preamplifier, correlation detector, low-pass filter and ARIvI processor have been designed. The fundamental wave was changed into direct-current component through correlation detector, and then the direct-current component was separated by low-pass filter. At last, the AD conversion was completed by ARM processor to do signal processing and output display.The simulation mode was established in the Matlab environment. The simulation analysis as well as the noise analysis was carried out. Finally, the analysis of the relationship between sensor's input and output was analyzed by using function-fitting method. The fitting coefficients and error were given and quadratic or quartic curve fitting was proposed. KEYWORDS: fiber-optic sensor, Faraday effect, correlation detection, signal simulation前 言作为信息时代的今天，传感技术、通信技术和计算机技术在产业信息中起着非常重要的作用，成为现代信息产业的三大支柱，分别承担着信息的采集、传输、处理和储存等任务。其中传感器作为采集信息的部件，占有非常重要的地位。传感技术已成为现代技术竞争的核心技术之一，它引起了世界各国的广泛关注和重视，将其列为各国重点发展的关键技术之一。 根据中华人民共和国国家标准（GB765.87）(传感器通用术语)，传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。光纤传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，他已广为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。光纤传感器相比于其他类型的传感器而言有很多优点，如：电绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀性等，受到了广泛的关注和应用。从光纤传感器问世以来，经过几十年的发展，现在的光纤传感器已经应用用到测量电流、电压、商业、医学、工业控制各个领域。作为一种新型传感器，光纤传感器将随着技术信息的发展，与光通信一起走进千家万户，深入到军事和民用的各个方面。目录第一章 绪 论11.1 光纤电流传感器研究背景及意义11.2光纤电流传感器的发展情况21.2.1 国外发展情况31.2.2国内发展情况41.3本论文的主要内容5第二章 反射式光纤电流传感器模型建立72.1光纤电流传感器的理论基础72.1.1偏振光72.1.2Faraday效应92.2光纤电流传感器对比研究112.2.1块状玻璃型光纤电流传感器112.2.2混合型光纤电流传感器122.3反射式光纤电流传感器模型设计132.3.1结构设计142.3.2反射式光纤电流传感器的偏振态分析152.3本章小结17第三章 反射式光纤电流传感器设计183.1光源183.2 延迟器的设计203.3相位调制器233.4光电探测器253.5本章小结25第四章 信号处理电路设计264.1信号处理总体方案264.2光电转换和前置放大电路284.4低通滤波器设计34.5本章小结3第五章 结论3参考文献340第一章 绪 论1.1 光纤电流传感器研究背景及意义 电流是电力系统主要参数之一，对电流的测量是基本而且非常重要的任务，根据测量的结果，可以为电力系统提供用于计量、控制和继电保护等所必需的信息，因此对测量工具有很高的要求，如必须具备很高的准确度和稳定性。现在对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流互感器，这种传统的电磁感应式电流互感器在应用过程中，积累了丰富的实践经验，它的各种技术性能、指标均还保持着一定的优势，同时电磁感应原理简单，可靠性高，不易损坏，上述这些优点，是其的已普遍应用的原因之一。但是由于电磁式电流互感器结构原理的特性，使得它存在以下几个致命缺点：（1）存在绝缘问题，冲油的电磁式电流互感器使用在高压环境时，有可能发生绝缘击穿，从而引起对地断路或者突然爆炸的危险；（2）出现磁饱和的问题，电流互感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁饱和，这严重的影响了电流互感器的测量精确度；（3）存在电磁干扰问题，在高压环境中，电磁式电流互感器信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；（4）成本问题，电磁式电流互感器的成本随着被测量电流等级的增大，成指数增加这些电磁式电流互感器的缺点是由其基本结构造成的，是无法改变的。因此，在这种情况下研究新型的电流传感器，光纤电流传感器就孕育而生了。光纤电流传感器真是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，自七十年代为史以来，受到各国广泛关注。与传统电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有以下优点：（1）绝缘性能非常好，从材料来说，光纤电流传感器所用的材料主要是石英光纤，它自身就是很好的绝缘体;（2）光纤电流传感器的结构中不含铁芯，因此不存在饱和、铁磁谐振等问题，测量准确度得到提高。（3）抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性，这样测量精度也能增大。（4）光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生的高压危险，从而消除了传统的电磁式电流互感器易燃易爆的问题。(5) 光纤电流传感器的体积小，重量轻，光纤电流传感器的传感头，重量小于一公斤。据美国西屋公司公布的磁光式345KV光纤电流互感器，其高度为2.7米，重量为100公斤，而同等电压等级的冲油式电磁式电流互感器，高为6.1米，重达7718公斤。(6)适应了电力保护和计量数字化、智能化以及光通信的发展趋势。（7）测量的动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。（8）测量的频带宽。1.2光纤电流传感器的发展情况随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，促进了各国对新型互感器的研究。国外早在60年代就已经开始对光纤电流传感器进行研究了，到现在从事光纤电流传感器研究的单位有：美国国家标准技术研究所。ABB跨国公司、法国的ALTHOM公司，加拿大的NXTPhase公司、日本的东电、住友公司等等。在国内，从80年代起，也开始投入了大量的人力和财力从事光纤电流传感器的研究开发，主要是：清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、燕山大学等，并且取得较好成果。1.2.1 国外发展情况20世纪60年代，在1963年安装在美国俄勒冈州Bonneville电力局（BPA）的230kV电网上装置Traser，它通过玻璃波导实现了信号传输，这是光纤电流传感器得最初形式。同时，GHMoulton等人设计了一套高压保护装置，采用了脉冲传输原理。S.Saito等人进行了超高压电力电流测量研究，他们采用的是慈光效应原理。可以看出，这一时期的研究维权光纤电流传感器的发展打下了初步理论和技术基础，是光纤电流传感器的兴起阶段，光线电流传感理论、方法的试验期。20世纪70年代，光导纤维制造技术逐步完善，光纤电流传感器因此也得到迅速发展。人们发现：全光型光纤电流传感器因为结构简单、重量轻、形状随意等优点，它一被提出，就成了研究者们追求的目标。1977年英国电力研究所中心的AJ Rogers和AM smith等人从原理方面对全光型光纤电流传感器进行了大量研究在实验室对实验装置进行试验并获得成功。在1979年成功安装在发电站上，开始运行，并获得成功。在此之后，德国APapp等人对全光纤式光纤电流传感器的原理、结构、特性、测量及信号处理等方面，进行了系统专题研究，取得了较大成果。他们的研究为光纤电流传感器的进一步发展做出了巨大贡献。90年代起，各国对光纤电流传感器的研究进一步深入。在1995年，ABB公司研发出多种电压等级的交流、直流数字光电式光纤电流传感器。Nxtphase公司采用相位调制原理研制出了全光纤电流传感器，由230kv和138kv两个电压等级在正常计量范围准确度高达0.2%段，在1998年，光纤电流传感器通过各种工业性试验，开始商业生产。2000年5月12号，Nxtphase公司在英国的lngledow变电站安装了额定电压为