摘要 為了測試光纖電流互感器中由于Faraday效應(yīng)引起的旋轉(zhuǎn)量，提出了采用鎖相放大器處理信號的方法，改進了傳統(tǒng)的將交流成分與直流成分相除的方法。系統(tǒng)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(guān)系。測試結(jié)果表明，鎖相放大器輸出幅值與被測電流具有線性關(guān)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(yīng)的光纖電流互感器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 鎖相放大器；Faraday效應(yīng)；光纖電流互感器
基于旋光效應(yīng)的光纖電流互感器是以Faraday效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為傳感介質(zhì)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(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小。在實際應(yīng)用中，由于Faraday旋轉(zhuǎn)量較小，且外界對傳感器的干擾較大，若直接檢測Faraday旋轉(zhuǎn)角則極為困難。當(dāng)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(yuǎn)<1，這說明信號被淹沒在噪聲當(dāng)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(xiàn)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(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角信息的光信號通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)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(tǒng)的輸出信噪比，并將輸出信號放大到規(guī)定的幅值。
將光信號轉(zhuǎn)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(jīng)光探頭轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)量較小，采用單光路法和雙光路法難以實現(xiàn)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(dāng)通過導(dǎo)線的電流I=0時，假設(shè)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(dāng)I≠0時，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)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(dāng)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。
其中，k’=1／(2J0VN)，表示測量值與被測電流之間的比例系數(shù)。與單路輸入相同可推出被測電流與測量值成比例關(guān)系。
此方案的雙光路檢測法不僅輸出信號大，噪聲小，且外界因素對系統(tǒng)的輸出影響較小，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及光源輸出光強起伏、振動導(dǎo)致光纖輸出光強波動等不利因素的抵御能力。同時單光路法也可得到較好的輸出結(jié)果，便于比較分析。
2 測試
2．1 測試系統(tǒng)
采用的測試系統(tǒng)框圖如圖2所示。該設(shè)備不僅可作單端電壓輸入測試，還可實現(xiàn)差分電壓輸入測試。
2．2 測試結(jié)果
該研究使用的測試方法主要有兩種：一是單端輸入法，二是差分輸入法。單端輸入法雖能檢測信號，但易受到干擾噪聲的影響，而差分輸入法是將PBS模分出的P光和S光作差分輸入，此方法既能較好的檢測信號，也可抑制噪聲，提高差模，抑制共模。這兩種方法的測試設(shè)備均是SR530鎖相放大器。采用該設(shè)備可對Faraday旋轉(zhuǎn)量做定性分析，得到被測電流與輸出直流量的關(guān)系。在不同的電流作用下，經(jīng)過多次測試，其測試結(jié)果如下：
(1)在不同電流作用下，SR530鎖相放大器單端電壓輸入測試結(jié)果如表1所示。
表中，R表示輸入信號與參考信號作乘法運算以后的幅值。角度θ表示輸入信號與參考信號的相位差。從表1中可看出，在不同電流作用下，參考頻率均為49．9 Hz，保證了參考信號頻率穩(wěn)定性。
(2)在不同電流作用下，SR530鎖相放大器差分電壓輸入測試數(shù)據(jù)如表2所示。
表2中，R表示差分信號與參考信號作乘法運算以后的幅值。角度θ表示差分信號與參考信號的相位差。從表2中可看出，在不同電流作用下，參考頻率均為49．9 Hz，保證了參考信號頻率的穩(wěn)定性。
2．3 結(jié)果分析
首先對SR530鎖相放大器單端電壓輸入和差分電壓輸入與參考信號之間的相位差進行數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果如圖3所示。
從圖3可得到，如果去除誤差最大值，無論是單端輸入或差分輸入，其相位差基本保持在一條直線上。即在誤差允許的范圍內(nèi)，在同一種輸人情況下，SR530鎖相放大器輸入信號與參考信號間的相位差并未隨著電流的增大而變化，這說明輸入信號與參考信號的相位差基本保持不變，可保證測量的順利進行。
根據(jù)式(10)可知，經(jīng)過電路處理后的輸出幅值與被測電流成比例關(guān)系，因此可將表1和表2作數(shù)據(jù)處理得圖4、圖5所示。
由圖4可知，在0～800 A電流作用下，輸出幅值與電流基本成線性關(guān)系。根據(jù)k的定義可得，其比例系數(shù)為k≈12．46。
由圖5可知，在0～800 A電流作用下，輸出幅值與電流基本成線性關(guān)系。同理，其比例系數(shù)為k≈5．2。
通過分析表1和表2以及圖3～圖5可得到如下結(jié)論：
(1)在同一種輸入狀況下，鎖相放大器輸入信號與參考信號間的相位差并未隨著電流的增大而變化，這說明輸入信號與參考信號的相位差基本保持不變，可保證測量的順利進行。
(2)SR530鎖相放大器測得的幅值均為mV量級。
(3)SR530鎖相放大器單端輸入所測得的幅值均小于相同電流作用下差分輸入所測得的幅值，且差分輸入的比例系數(shù)k比單端輸入的比例系數(shù)小。相比之下，在電流為0～800 A作用時，使用差分輸入測量數(shù)據(jù)時比單端輸入線性度好。
(4)通過確認(rèn)比例系數(shù)k以及輸出測量值，反之可計算出被測電流值，即保證工作在線性區(qū)，經(jīng)過進一步確認(rèn)比例系數(shù)k與測量值的關(guān)系，該設(shè)備可用于測量電流。
(5)由于模擬高壓線與傳輸導(dǎo)線之間的接入電阻較大，隨著電流的增大，發(fā)熱量也增大，若電流的輸入值超過800 A，則嚴(yán)重影響測量結(jié)果。同時測量電流的傳感器感應(yīng)到的電流也將受到影響。
由于雙折射、溫度、振動等因素的影響，測試結(jié)果仍然存在一定的誤差甚至錯誤。從圖2鎖相放大器測試系統(tǒng)可知，傳感光纖繞制在模擬高壓輸電線上，隨著電流的增大，變壓器的抖動也越大，進而使繞制在模擬高壓輸電線上的傳感光纖也不停的振動，既影響了光信號的傳輸模式的變化，又影響了傳輸光信號功率的穩(wěn)定性。且由于模擬高壓線與導(dǎo)線間的接入電阻較大，隨著電流的增大，模擬高壓線也越來越熱，溫度不斷升高，使傳感光纖的溫度也逐漸升高。光纖的抖動以及溫度的升高不僅會使光纖對稱兩側(cè)受壓、改變端面橢圓度還將影響到光纖的雙折射效應(yīng)和Verdet常數(shù)，以上因素的存在直接影響到光纖電流互感器的測量靈敏度和精度，是亟待解決的問題。
3 結(jié)束語
從SR530鎖相放大器的測試中可看出，單端輸入時，由于受到外界因素的影響，其輸出結(jié)果較小。而差分輸入可抑制振動、雙折射等外界因素的影響，其輸出結(jié)果比單端輸入的結(jié)果大。當(dāng)然測試結(jié)果仍不完善，僅能作定性分析，至于精度及準(zhǔn)確度仍需進一步研究。
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