基于鎖相放大器的光纖電流互感器研究

摘要 為了測試光纖電流互感器中由于Faraday效應引起的旋轉量，提出了采用鎖相放大器處理信號的方法，改進了傳統的將交流成分與直流成分相除的方法。系統將采集信號做單端電壓輸入測試和差分電壓輸入測試，并比較了單端輸入與差分輸入的測試效果，定性分析了輸出幅值與被測電流的關系。測試結果表明，鎖相放大器輸出幅值與被測電流具有線性關系，且差分輸入較單端輸入幅值大、線性度好、對外界干擾抑制性強。其成果為進一步研究基于旋光效應的光纖電流互感器的應用奠定了基礎。
關鍵詞 鎖相放大器；Faraday效應；光纖電流互感器

基于旋光效應的光纖電流互感器是以Faraday效應為基礎、以光纖為傳感介質的新興電力計量裝置，其通過測量光波在通過光纖材料時其偏振面由于電流產生的磁場的作用而發生旋轉的角度來確定被測電流的大小。在實際應用中，由于Faraday旋轉量較小，且外界對傳感器的干擾較大，若直接檢測Faraday旋轉角則極為困難。當輸入信噪比時，直接探測光信號的方法將十分困難。因為若輸入信噪比1，則輸出信噪比將遠1，這說明信號被淹沒在噪聲當中。這種情況下的光信號探測被稱作微弱信號檢測。對于淹沒在噪聲中的周期光信號，采用鎖定放大法將使輸出信噪比獲得明顯改善。鎖定放大法是通過鎖相放大器實現的，其采用相敏檢波器和低通濾波器來壓縮等效噪聲帶寬，從而抑制噪聲，探測出淹沒在噪聲中的周期信號的幅值與相位。

1 鎖相放大器測試原理
光纖電流互感器的信號處理是將攜帶被測電流信息的光信號轉換為電信號，經放大、濾波后輸送到信號處理單元。信號處理電路在光纖電流互感器中被稱為二次轉換器。光纖電流互感器的信號處理電路基本功能是：將攜帶有Faraday偏轉角信息的光信號通過光電轉換器件轉換為被測電流的電信號，用于補償光源光強起伏對輸出信號的干擾。電路中帶通濾波及放大器的功能是：提高系統的輸出信噪比，并將輸出信號放大到規定的幅值。
將光信號轉化為被測電流的電信號有兩種方法：(1)單光路檢測法。此方法是將輸出光經光探頭轉化為電流信號送入信號處理電路。(2)雙光路檢測法。此方法利用偏振分光鏡將被電流信號調制的光分為兩束，分別用兩個光電探測器接收其輸出光強，再將兩束光的采集信號作信號處理。實際上，由于Faraday旋轉量較小，采用單光路法和雙光路法難以實現直接測量，文中將使用鎖相放大器對去直流的采集信號進行處理分析。
當通過導線的電流I=0時，假設出射光的振動方向沿y軸，輸出光強為J0，檢偏器相對于起偏器的方位角為α。當I≠0時，Faraday旋轉角為θ，則探測器輸出光強J為

由式(4)可知，J0／2為直流項，±[J0sin(2θ)]／2為交流項，當在處理電路作隔直通交處理后，余下的信號只有交流項±[J0sin(2θ)]／2。信號處理框圖如圖1所示。