專利名稱：調制光源閉環檢測光纖電流傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到光纖大電流傳感器，適用于102～106安培的直流、交流及脈沖電流的測量，特別是在高壓變電系統和環境惡劣的化工系統中應用，更具有明顯的優點。
光纖電流傳感器是近年來發展起來的一種新型大電流傳感器，它由光源、光傳感器、光電信號檢測器、顯示器等四部分組成。其基本原理是基于光纖材料的法拉第(Faraday)效應，光為信息載體，光纖是信息的傳感元件。附圖1是光纖電流傳感器的原理框圖，1－1是光源、1－2起偏器、1－3、1－5透鏡、1－4傳感頭、1－6渥拉斯頓棱鏡、1－7、1－8光電探測器、1－9信號處理器、1－10顯示器。起偏器、透鏡、傳感頭、渥拉斯頓棱鏡組成光傳感器，光電探測器、信號處理器組成光電信號檢測器，起偏器1－2將光源1－1輸出的光變成線偏振光，由透鏡1－3耦合進光纖，由于法拉第效應，待測電流I在導線周圍產生的環繞磁場使光纖中傳輸的線偏振光的偏振面發生旋轉，旋轉角θ與待測電流I的關系為θ＝V·N·I式中V是光纖材料的維爾德(Verdet)常數，N是光纖環繞導線的圈數。透鏡1－5將光纖出射的光耦合到渥拉斯頓棱鏡1－6，再由渥拉斯頓棱鏡將線偏光偏振面旋轉角θ的變化轉換成光強的變化，即將入射光強分解成兩束偏振態相互垂直的線偏振光J1、J2，當起偏器1－2與渥拉斯頓棱鏡1－6的兩透光軸互成45°角時，輸出光強與θ角的關系式如下J1＝Jo／2(1＋sin2θ)J2＝Jo／2(1－sin2θ)式中Jo為入射光強。光電探測器1－7、1－8將渥拉斯頓棱鏡1－6輸出的光信號變成電信號，再由信號處理器1－9對電信號進行處理，最后送至顯示器1－10，便可直接讀出待測電流。
目前，依據這一原理國際上已出現少量樣機，其中清華大學研制的″光纖交直流大電流傳感器″是比較先進的一種，該傳感器的傳感頭采用具有90°角的三角塊整體結構作為繞制框架，在三角塊的兩個垂直面上粘有外徑為10～12厘米的圓形玻璃片，光纖成8字形交叉繞制在玻璃片上，其優點是框架整體化、剛性好，抗振、不易變形，提高了傳感性能(″光纖交直流大電流傳感器″，中國專利號85205626)。該傳感器的光電信號檢測器采用雙路檢測方案，其框圖如附圖2所示，2－1、2－3光電探測器、2－2、2－4放大器、2－5加法器、2－6減法器、2－7低通濾波器、2－8帶通濾波器，2－9除法器，其中放大器、加法器、減法器、低通濾波器、帶通濾波器組成信號處理器，從渥拉斯頓棱鏡出射的J1、J2兩束光，通過各自的光電探測器2－1、2－3進行光電轉換，變為兩路電信號，這兩路電信號由各自的放大器2－2、2－4放大，再經過加法器2－5、減法器2－6得到兩個信號的和與差，P1＝k(J1＋J2)＝kJoP2＝k(J1－J2)＝kJosin2θ式中K為光電探測器及放大器引入的系統常量。P1、P2分別通過低通濾波器2－7、帶通濾波器2－8送入除法器2－9進行除法運算，以消除光源光強Jo的起伏對光纖電流傳感器測量精度的影響，其結果為P＝p2／p1＝sin2θ信號P再送入顯示器就可得到待測電流I的值。低通濾波器2－7和帶通濾波器2－8是為提高信噪比而設置的(″光纖電流傳感器檢測系統的分析″《中國激光》1986年第14卷第5期，第312～316頁)。這種雙路光電信號檢測器具有信噪比高、能用于交直流電流測量的優點，但仍有需改進之處1.由于采用非調制的He－Ne激光器作為光源，在光電信號檢測器中必須采用直流放大器，而直流放大器的零點漂移及低頻噪聲的干擾，影響傳感器的測量精度和工作穩定性；2.由于采用除法器消除光源光強起伏之影響，而除法器本身的精度、帶寬及動態范圍限制了傳感器測量精度及測量范圍；3.由于帶通濾波器的特征參數固定，其傳遞函數隨待測電流頻率的波動而變化，影響傳感器的測量精度。
本實用新型的目的是為了提高光纖電流傳感器工作穩定性、提高測量精度和測量范圍，針對上述傳感器存在的不足之處和待測電流實際存在的頻率漂移，對光源和光電信號檢測電路進行了改進，使其更適于實用。
本實用新型的技術要點是1.采用調制光源作為信息載體，在光電信號檢測器中采用交流放大器，消除了直流放大器零點漂移和低頻噪聲的干擾；2.在光電信號檢測器中采用自動增益控制電路自動跟蹤光源光強的起伏，避免了采用除法器對傳感器的測量精度和測量范圍的限制；3.增設了自適應濾波電路，自動跟蹤待測電流頻率的波動，提高測量精度。
以下結合附圖對本實用新型進行詳細描述1.調制光源如附圖3所示，它可由半導體發光二極管(LED)3－1、驅動電路3－2、調制信號發生器3－3、電源3－4組成。調制信號可為方波、也可為正弦波或等幅脈沖。光源也可用半導體激光器(LD)或者用可進行內調制并帶有布儒斯特(Brews－ter)窗的He－Ne激光器及其激光電源。
2.帶有自動增益控制的光電信號檢測器如附圖4所示，4－1、4－2光電探測器，4－3、4－4交流放大器，4－5、4－6增益可控放大器，4－7加法器，4－8減法器，4－9、4－10檢波器，4－11比較器，4－12積分器，其中增益可控放大器4－5、4－6，比較器4－11、積分器4－12組成自動增益控制電路。當光源光強增強時，由加法器4－7輸出的信號經檢波器4－9后送至比較器4－11，與一標準電壓信號進行比較，其輸出經積分器4－12平滑后送出反饋信號至增益可控放大器4－5、4－6的增益控制端，使放大器的增益減小，反之當光源光強減弱時，反饋信號使放大器增益增大，從而使加法器輸出的信號幅值保持恒定，使減法器輸出信號的幅值不受光源光強起伏的影響，從而使減法器的輸出直接反映待測電流的大小。減法器送出信號至檢波器4－10，省去了除法運算，避免了除法器對測量精度的影響。
3.自適應濾波電路框圖如附圖5所示，它由開關電容濾波器5－1、鑒相器5－2，環路濾波器5－3、壓控振蕩器5－4和分頻器5－5構成，其中鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成常規的鎖相環。來自減法器5－6的信號經檢波器5－7后送至鎖相環進行頻率合成，形成開關電容濾波器5－1的時鐘信號，使開關電容濾波器的通帶的中心頻率準確地等于待測電流的頻率，達到了自動跟蹤待測電流頻率之目的，消除了由待測電流頻率波動對測量精度帶來的影響。開關電容濾波器送出信號至顯示器。
為了進一步提高傳感器的測量精度，在減法器和檢波器之間加自適應濾波電路，通過鎖相環對光源的調制信號進行頻率合成后做為開關電容濾波器的時鐘，使得通帶的中心頻率與調制光源的調制頻率一致。具體做法是在減法器和檢波器之間加一開關電容濾波器，該自適應濾波電路的鎖相環的輸入信號來自調制光源的調制信號B，鎖相環的壓控振蕩器的輸出控制開關電容濾波器。
本實用新型不僅提高了測量精度，而且穩定性好，整個系統的長期穩定性優于3／1000，適于實用。
實施例測量50HZ、1000安培的光纖電流傳感器框圖如附圖6所示6－1為調制光源，光源采用半導體發光二極管(LED)，調制信號為正弦波，調制頻率為3KHZ，電源和驅動電路為常規電路。光傳感器由6－2起偏器、6－3、6－5透鏡、6－4傳感頭、6－6渥拉斯頓棱鏡構成，傳感頭采用90°三角塊整體結構的框架，在三角塊的兩個垂直面上粘有外徑為10厘米的圓形玻璃片，光纖成8字形交叉繞制在玻璃片上。起偏器、透鏡、渥拉斯頓棱鏡為標準件。帶有自動增益控制和自適應濾波電路的光電信號檢測器由6－7、6－8光電探測器、6－9、6－10交流放大器、6－11、6－12電壓控制放大器、6－13加法器、6－14減法器、6－15，6－23檢波器、6－16比較器、6－17積分器、6－18、6－24開關電容濾波器、6－19、6－25鑒相器、6－20、6－26環路濾波器、6－21、6－27壓控振蕩器、6－22、6－28分頻器構成。
其中6－11、6－12電壓控制放大器、6－16比較器和6－17積分器組成自動增益控制電路，電路圖如附圖7所示，7－1、7－2和兩個場效應管3DJ6組成電壓控制放大器，7－3為比較器，7－4為積分器，7－5是場效應管的偏置電路。7－1、7－2、7－4、7－5均采用運算放大器LF412，7－3采用LM311。當光源光強增強時，加法器7－6輸出的信號經檢波器7－8檢波后，送至比較器7－3，與LM336給出的標準信號進行比較，其輸出經積分器7－4平滑后送出反饋信號至電壓可控放大器7－1、7－2的控制端，使放大器的增益減小，反之當光源光強減弱時，反饋信號使放大器增益增大，從而使加法器輸出的信號幅值保持恒定，使減法器7－7輸出信號的幅值不受光源光強起伏的影響，從而使減法器的輸出直接反映待測電流的大小，達到省去除法運算的目的。
6－18開關電容濾波器、6－19鑒相器、6－－20環路濾波器、6－－21壓控振蕩器、6－22分頻器組成自適應濾波電路，其電路圖如附圖8所示，開關電容濾波器采用一片MF10，鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器由一片鎖相器4046組成，由兩片4017計數器組成分頻器，這兩片4017和一片4046組成鎖相環，與開關電容濾波器一起組成自適應濾波電路，其接法均按組件手冊的通常接法，鎖相器4046的輸入B是來自調制光源的調制信號，開關電容濾器MF10的輸入來自減法器6－14的輸出C，其輸出送至檢波器6－23的輸入D，此鎖相環用于跟蹤自調制光源來的調制信號的頻率。6－24電容開關濾波器、6－25鑒相器、6－－26環路濾波器、6－－27壓控振蕩器、6－28分頻器組成另一個自適應濾波電路，電路圖與附圖8一樣，只是鎖相器的輸入和開關電容濾波器的輸入均來自檢波器6－23的輸出E，開關電容濾波器的輸出A送往顯示器。此鎖相環用于跟蹤待測電流的頻率，上述這些電路均為常規電路。
附圖1 光纖電流傳感器原理框圖1－1光源，1－2起偏器，1－3、1－5透鏡，1－4傳感頭，1－6渥拉斯頓棱鏡，1－7、1－8光電探測器，1－9信號處理器，1－10顯示器。
附圖2 雙路檢測光電信號檢測器框圖2－1、2－3光電探測器，2－2、2－4放大器，2－5加法器，2－6減法器，2－7低通濾波器，2－8帶通濾波器，2－9除法器，P至顯示器。
附圖3 調制光源框圖3－1半導體發光二極管(LED)，3－2驅動電路，3－3調制信號發生器，3－4電源。
附圖4 帶自動增益控制的光電信號檢測器框圖4－1、4－2光電探測器，4－3、4－4交流放大器，4－5、4－6增益可控放大器，4－7加法器，4－8減法器，4－9、4－10檢波器，4－11比較器，4－12積分器。
附圖5 自適應濾波電路框圖5－1開關電容濾波器，5－2鑒相器，5－3環路濾波器，5－4壓控振蕩器，5－5分頻器，5－6減法器，5－7檢波器。A至顯示器。
附圖6 測量50HZ，1000安培的光纖電流傳感器框圖6－1調制光源，6－2起偏器，6－3、6－5透鏡，6－4傳感頭，6－6渥拉斯頓棱鏡，6－7、6－8光電探測器，6－9、6－10交流放大器，6－11、6－12電壓控制放大器，6－13加法器，6－14減法器，6－15、6－23檢波器，6－16比較器，6－17積分器，6－18、6－24開關電容濾波器，6－19、6－25鑒相器，6－20、6－26環路濾波器，6－21、6－27壓控振蕩器，6－22、6－28分頻器，A至顯示器，B來自調制光源的調制信號，C減法器輸出，D檢波器6－23的輸入，E檢波器6－23的輸出。
附圖7 自動增益控制電路圖7－1、7－2電壓可控放大器，7－3比較器，7－4積分器，7－5偏置電路，7－6加法器，7－7減法器，7－8減法器。M1、M2分別來自交流放大器輸出。
附圖8 自適應濾波電路4046鎖相器，4047計數器，MF10開關電容濾波器，B來自調制光源的調制信號，C來自減法器的輸出，D送至6－23檢波器的輸入。
權利要求1.一種調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，由光傳感器、顯示器組成，其特征在于采用了調制光源和帶有自動增益控制、自適應濾波電路的光電信號檢測器。
2.按照權利要求1所說的調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，其特征在于調制光源由半導體發光二極管、驅動電路、調制信號發生器和電源構成，調制信號可為方波、正弦波或等幅脈沖。
3.按照權利要求1所說的調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，其特征在于調制光源也可用半導體激光器或者用可進行內調制并帶有布儒斯特窗的He－Ne激光器及其激光電源。
4.按照權利要求1所說的調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，其特征在于光電信號檢測器的自動增益控制電路由比較器、積分器和兩個增益可控放大器構成，加法器的輸出信號經檢波后送至比較器與一標準電壓信號進行比較，再經積分器平滑后形成反饋信號，此反饋信號控制兩路增益可控放大器，使加法器輸出信號保持恒定，減法器的輸出信號不隨光源光強起伏而變化。
5.按照權利要求1和4所說的調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，其特征在于自適應濾波電路由開關電容濾波器和由鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器、分頻器構成的鎖相環組成，來自減法器的信號經檢波器檢波后，送至鎖相環進行頻率合成，形成開關電容濾波器的時鐘，使開關電容濾波器的通帶的中心頻率準確地等于待測電流的頻率。
6.按照權利要求1和4所說的調制光源閉環檢測光纖電流傳感器，其特征在于自適應濾波電路也可用于減法器后的帶通濾波，具體做法是減法器與檢波器之間加一開關電容濾波器，該自適應濾波電路的鎖相環的壓控振蕩器的輸出控制開關電容濾波器，而鎖相環的輸入信號則來自調制光源的調制信號。
專利摘要本實用新型涉及到光纖大電流傳感器，適用于10
文檔編號G01R19/00GK2060892SQ88221188
公開日1990年8月22日 申請日期1988年12月22日 優先權日1988年12月22日
發明者趙華鳳, 張鵬崗, 廖延彪 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
