基于锁相放大器的光纤电流互感器研究

摘要 为了测试光纤电流互感器中由于Faraday效应引起的旋转量，提出了采用锁相放大器处理信号的方法，改进了传统的将交流成分与直流成分相除的方法。系统将采集信号做单端电压输入测试和差分电压输入测试，并比较了单端输入与差分输入的测试效果，定性分析了输出幅值与被测电流的关系。测试结果表明，锁相放大器输出幅值与被测电流具有线性关系，且差分输入较单端输入幅值大、线性度好、对外界干扰抑制性强。其成果为进一步研究基于旋光效应的光纤电流互感器的应用奠定了基础。
关键词 锁相放大器；Faraday效应；光纤电流互感器

    基于旋光效应的光纤电流互感器是以Faraday效应为基础、以光纤为传感介质的新兴电力计量装置，其通过测量光波在通过光纤材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。在实际应用中，由于Faraday旋转量较小，且外界对传感器的干扰较大，若直接检测Faraday旋转角则极为困难。当输入信噪比时，直接探测光信号的方法将十分困难。因为若输入信噪比<1，则输出信噪比将远<1，这说明信号被淹没在噪声当中。这种情况下的光信号探测被称作微弱信号检测。对于淹没在噪声中的周期光信号，采用锁定放大法将使输出信噪比获得明显改善。锁定放大法是通过锁相放大器实现的，其采用相敏检波器和低通滤波器来压缩等效噪声带宽，从而抑制噪声，探测出淹没在噪声中的周期信号的幅值与相位。

1 锁相放大器测试原理
    光纤电流互感器的信号处理是将携带被测电流信息的光信号转换为电信号，经放大、滤波后输送到信号处理单元。信号处理电路在光纤电流互感器中被称为二次转换器。光纤电流互感器的信号处理电路基本功能是：将携带有Faraday偏转角信息的光信号通过光电转换器件转换为被测电流的电信号，用于补偿光源光强起伏对输出信号的干扰。电路中带通滤波及放大器的功能是：提高系统的输出信噪比，并将输出信号放大到规定的幅值。
    将光信号转化为被测电流的电信号有两种方法：(1)单光路检测法。此方法是将输出光经光探头转化为电流信号送入信号处理电路。(2)双光路检测法。此方法利用偏振分光镜将被电流信号调制的光分为两束，分别用两个光电探测器接收其输出光强，再将两束光的采集信号作信号处理。实际上，由于Faraday旋转量较小，采用单光路法和双光路法难以实现直接测量，文中将使用锁相放大器对去直流的采集信号进行处理分析。
    当通过导线的电流I=0时，假设出射光的振动方向沿y轴，输出光强为J0，检偏器相对于起偏器的方位角为α。当I≠0时，Faraday旋转角为θ，则探测器输出光强J为

    由式(4)可知，J0／2为直流项，&plusmn;[J0sin(2θ)]／2为交流项，当在处理电路作隔直通交处理后，余下的信号只有交流项&plusmn;[J0sin(2θ)]／2。信号处理框图如图1所示。

    其中，k’=1／(2J0VN)，表示测量值与被测电流之间的比例系数。与单路输入相同可推出被测电流与测量值成比例关系。
    此方案的双光路检测法不仅输出信号大，噪声小，且外界因素对系统的输出影响较小，提高了系统的稳定性及光源输出光强起伏、振动导致光纤输出光强波动等不利因素的抵御能力。同时单光路法也可得到较好的输出结果，便于比较分析。

2 测试
2．1 测试系统
    采用的测试系统框图如图2所示。该设备不仅可作单端电压输入测试，还可实现差分电压输入测试。

2．2 测试结果
    该研究使用的测试方法主要有两种：一是单端输入法，二是差分输入法。单端输入法虽能检测信号，但易受到干扰噪声的影响，而差分输入法是将PBS模分出的P光和S光作差分输入，此方法既能较好的检测信号，也可抑制噪声，提高差模，抑制共模。这两种方法的测试设备均是SR530锁相放大器。采用该设备可对Faraday旋转量做定性分析，得到被测电流与输出直流量的关系。在不同的电流作用下，经过多次测试，其测试结果如下：
    (1)在不同电流作用下，SR530锁相放大器单端电压输入测试结果如表1所示。

    表中，R表示输入信号与参考信号作乘法运算以后的幅值。角度θ表示输入信号与参考信号的相位差。从表1中可看出，在不同电流作用下，参考频率均为49．9 Hz，保证了参考信号频率稳定性。
    (2)在不同电流作用下，SR530锁相放大器差分电压输入测试数据如表2所示。

    表2中，R表示差分信号与参考信号作乘法运算以后的幅值。角度θ表示差分信号与参考信号的相位差。从表2中可看出，在不同电流作用下，参考频率均为49．9 Hz，保证了参考信号频率的稳定性。
2．3 结果分析
    首先对SR530锁相放大器单端电压输入和差分电压输入与参考信号之间的相位差进行数据处理，得到结果如图3所示。

    从图3可得到，如果去除误差最大值，无论是单端输入或差分输入，其相位差基本保持在一条直线上。即在误差允许的范围内，在同一种输人情况下，SR530锁相放大器输入信号与参考信号间的相位差并未随着电流的增大而变化，这说明输入信号与参考信号的相位差基本保持不变，可保证测量的顺利进行。
    根据式(10)可知，经过电路处理后的输出幅值与被测电流成比例关系，因此可将表1和表2作数据处理得图4、图5所示。

    由图4可知，在0～800 A电流作用下，输出幅值与电流基本成线性关系。根据k的定义可得，其比例系数为k≈12．46。
    由图5可知，在0～800 A电流作用下，输出幅值与电流基本成线性关系。同理，其比例系数为k≈5．2。
    通过分析表1和表2以及图3～图5可得到如下结论：
    (1)在同一种输入状况下，锁相放大器输入信号与参考信号间的相位差并未随着电流的增大而变化，这说明输入信号与参考信号的相位差基本保持不变，可保证测量的顺利进行。
    (2)SR530锁相放大器测得的幅值均为mV量级。
    (3)SR530锁相放大器单端输入所测得的幅值均小于相同电流作用下差分输入所测得的幅值，且差分输入的比例系数k比单端输入的比例系数小。相比之下，在电流为0～800 A作用时，使用差分输入测量数据时比单端输入线性度好。
    (4)通过确认比例系数k以及输出测量值，反之可计算出被测电流值，即保证工作在线性区，经过进一步确认比例系数k与测量值的关系，该设备可用于测量电流。
    (5)由于模拟高压线与传输导线之间的接入电阻较大，随着电流的增大，发热量也增大，若电流的输入值超过800 A，则严重影响测量结果。同时测量电流的传感器感应到的电流也将受到影响。
    由于双折射、温度、振动等因素的影响，测试结果仍然存在一定的误差甚至错误。从图2锁相放大器测试系统可知，传感光纤绕制在模拟高压输电线上，随着电流的增大，变压器的抖动也越大，进而使绕制在模拟高压输电线上的传感光纤也不停的振动，既影响了光信号的传输模式的变化，又影响了传输光信号功率的稳定性。且由于模拟高压线与导线间的接入电阻较大，随着电流的增大，模拟高压线也越来越热，温度不断升高，使传感光纤的温度也逐渐升高。光纤的抖动以及温度的升高不仅会使光纤对称两侧受压、改变端面椭圆度还将影响到光纤的双折射效应和Verdet常数，以上因素的存在直接影响到光纤电流互感器的测量灵敏度和精度，是亟待解决的问题。

3 结束语
    从SR530锁相放大器的测试中可看出，单端输入时，由于受到外界因素的影响，其输出结果较小。而差分输入可抑制振动、双折射等外界因素的影响，其输出结果比单端输入的结果大。当然测试结果仍不完善，仅能作定性分析，至于精度及准确度仍需进一步研究。