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1、 西安电子科技大学硕士学位论文反射式全光纤电流互感器误差研究姓名：张海亮申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：李德昌201201 互感器作为电力系统的重要组成之一，为电力系统的正常运作提供测量、保护、线路诊断以及电力监控，随着电力系统的不断升级，互感器的研究也随之更新换代。本文以电流互感器的发展为背景，对反射式全光纤电流互感器的光路原理和性能进行了深入的研究。首先，本文论述了基于磁光效应的两种电流互感器的原理，并在此基础上对其光路结构做了详细的分析，给出了其偏振体系的理论推导。其次，通过对其光路的各个器件的分析，推导出其各器件的琼斯矩阵，用琼斯矩阵构建了全光纤电流互感器的理论模型。另外，
2、对全光纤电流互感器的信号检测方法做了详细描述，给出了基于数字闭环的相位调制及微信号检测方案。最后，用琼斯矩阵法对其光路系统的各个可能引起误差的器件做了详细分析，并给出其误差解决方法，对受温度影响的两大误差源，提出了通过改变波片初始相位的误差补偿方本文通过对互感器的整个光路系统的分析，分别给出各光路器件误差解决方案，对全光纤电流互感器的研究有一定的指导意义。关键词：光纤电流互感器琼斯矩阵传感光纤 ，猣 甎琭 第一章绪论全光纤电流互感器的介绍电力系统为了传输电能，往往采用交流电压、大电流回路把电力送往用户，无法用仪表进行直接测量。互感器就是将交流电压和大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，便于
3、仪表直接测量，同时为继电保护装置和自动装置提供电源。互感器是在电力系统中将高电压、高电流转变为低电压、低电流的信息，并且传递给二次侧的计量、保护以及自动装置的一种特殊的变压器，其在传递的过程中起一次、二次系统的联络作用，通过将互感器一次侧接入电网，二次侧接上信号测量仪表、自动装置和保护装置等，由信号测量仪表便可测量出一次的电流和电压等信息，再将此信息反馈给继电保护装置和自动装置，便可对电网实现保护与自动控制。由上可知，互感器性能直接影响整个电网的智能运作，互感器性能及其可靠性一直是电力系统研究领域的重点。目前，随着人们对电的日益需求，使电力系统领域飞速发展，伴随而来的是电力传输系统的容限不断加
4、强，传统的互感器越来越不能满足现今的诸多问题，其表现为：电力系统的电压等级不断升高，一次侧和二次侧的电绝缘问题，一次侧向二次侧传递信息的可靠性问题，电流电压的动态范围变大使传统互感器无用武之地。面对目前的大电流、大电压和强功率的电力系统，国内采用的互感器暴露出诸多缺点，相对高等级的一次电压、电流表现出体积大，重量重，制作成本高，且其采用的技术是以电磁感应原理为基础，在绝缘方面，动态检测范围方面等均不能满足现今需要，此外由于电子式电流互感器的固有磁饱和、频带窄、铁磁谐振以及易燃易爆，并且，现今的电力系统需要高精度，适时控制，在线检测等，使电力系统急需新一代替换产品【。全光纤电流互感器是以法拉第磁
5、光效应为原理来测量电流。根据安培定律和磁光法拉第效应原理，通电导线周围存在闭合磁场，这种磁场可以使得围绕在导线周围光纤中传输的偏振光的偏振面发生旋转。由于电流与偏振光的偏转角成线性比例关系，因此可以通过检测偏转角度来测电流。近年来，光学电流互感器的研究不断取得进展，与传统互感器相比，它具有如下优点：高压工作环境下绝缘要求，简化了庞杂的绝缘结构； 反射式全光纤电流互感器误差研究流互感器漏油、爆炸等危险及大气污染；控和测量为目的的高速遥感、遥测系统；器固有缺陷；因全光纤电流互感器有如此诸多优点，并且在实际应用中，电压等级越高，优势越明显，符合未来电站、变电所发展的需要，是传统电流互感器较为理想的更
6、新产品，因此被认为是必将取代传统电流互感器的新一代互感器。与传统电流互感器相比，在理论上存在着较大的优势，但在工程实际应用中所面临诸多新问题，阻碍了的实用化进程。国内经过多年的理论研究及工程实践，摸索出解决这些问题的一些行之有效的措施，为的工程应用奠定了技术基础。目前，温度对测量误差的影响，以及长期运行的稳定性方面，均对光路系统的设计提出了较为严格的设计界定，光路系统的设计是全光纤电流互感器的关键技术之一，因此我们对全光纤电流互感器的光路系统的深入研究是对新型的全光纤电流互感器的产业化发展有着十分重要的意义。国内外对全光纤电流互感器的研究现况为先进的的研发工作。年，美国五大电气公司成立了光纤电
7、流互感器 第一章绪论年挂网运行，在电网中起继电保护的作用，到年，成功研制出感器做了研究，对其理论、性能、材料做了深入研究。日本的东方电气公司与东压互感器安装在制造厂的条件下长时间运行试验，一直运行的很好】。工大学相继研制出正常环境下精度为的块状结构，但在抗干扰和长期迄今为止，的研究已经取得巨大进展，推出了实验用产品并有挂网实验报告，如日本的底庸尽拦竞吞锬晌髦萘饔虻缌芾砭尤其是美国公司于年推出一种全光纤型传感模块，据称在田纳西州挂网实验达到级技术精度。在国内，有清华大学、北京航空航天大学、华中辨搜流等鳗图全光纤电流互感器实物图南瑞航天本电气控制技术有限公司所研制的系列的阿海珐输配互感器虾有限公司
8、生产的系列式和气体绝缘式互感器，其中浇铸树脂式互感器为固体绝缘，测量电压为， 反射式全光纤电流互感器误差研究由于其的性质，在工作过程中有漏油漏气的现象。年后，国内才对光学互感器开始研究，相较于电磁式互感器设计实现较为简单，在绝缘方面以及数字处理方面有很大优势，电子式互感器属于光学互感器，主要分为有源式和无源式，无源式由于其精度和稳定性受温度振动影响较大，国内研究主要偏向有源式互感器，目前研究的重点是有源式互感器的供能问题，针对供能问题，国内多家机构提出各种供能方案，均获得很好的可靠性【。国内对全光纤的互感器研究起步比较晚，主要因为其数字闭环处理过程较传统互感器复杂，以及在工业应用中的诸多问题。
9、到目矸段饬烤范忍岣叩揭桓鲂碌乃剑浼屏烤瘸齀级和叮；瘸齀由中国电力科学研究院自主研发的智能变电站关键设备“瓹型总的来说，国内无论是从研制情况和技术角度都比国外落后，国内现今的研究重点还停滞在原理上的实验样机的实现，虽然掌握了其技术，但在信号处理方面、检测方案都未进行细致全面的研究，尤其是在其环境稳定性的问题上，总体来说，在全光纤电流传感器的研究上国内落后于国外，由于全光纤电流互感器是电流互感器的最终发展趋势，因此，对全光纤电流传感器的研究很有意义。课题来源及研究意义 全光纤电流互感器的光路系统是用光纤制作而成，其中的各种光学器件产生的误差不容忽视，光纤内部存在的线性双折射以及波片的相位受温度等外
10、界环境因素的影响极为敏感，各种问题阻碍了实用化进程。针对这些问题，在光纤的性能上采取了各种改进方案，终不能解决实际问题。这些问题主要表现为：本课题的主要工作及章节安排在新型的全光纤电流互感器中，反射式全光纤电流互感器由于采用共光路设计，有更好的互易性，优良的抗干扰能力，以及其优于传统电流互感器的众多优点，使其成为新一代电流互感器的研究重点。但因其在实际应用中的众多问题，：第一章：综述了研究全光纤电流互感器的重要意义、国内外全光纤电流互感器的研究概况、课题来源和本人的所做工作。重点介绍，引出光路的各个器件误差分析的重要性。方案。第四章：介绍全光纤电流互感器目前的研究的困难，重点对传感头引起的误差
11、做了详细的分析，并在此基础上提出了误差补偿方案。第五章：通过对全光纤电流互感器实用化进程的描述，对全光纤电流互感器的光路器件误差一一做了总结，给出了相应解决方案。并对课题进行总结。 反射式全光纤电流互感器误差研究 第二章全光纤电流互感器的总体结构和工作原理电流互感器是电力系统中监控测量和继电保护所必需的重要设备之一，随着电力系统的电压等级不断升高，一次侧和二次侧的电绝缘问题，一次侧向二次侧传递信息的可靠性问题，电流电压的动态范围变大使传统互感器无用武之地。面对目前的大电流、大电压和强功率的电力系统，国内采用的互感器暴露出诸多缺点，相对高等级的一次电压、电流表现出体积大，重量重，制作成本高，且其
12、采用的技术是以电磁感应原理为基础，在绝缘方面，动态检测范围方面等均不能满足现今需要，此外由于电子式电流互感器的固有磁饱和、频带窄、铁磁谐振以及易燃易爆，并且，现今的电力系统需要高精度，适时控制，在线检测等，使电力系统急需新一代替换产品。新型的全光纤电流互感器由于其无磁饱和，测量精度高，响应频带宽等众多优点而成为目前研究的热点，与常规电流互感器相比，具有尺寸小、重量轻的优势，即使在那些占地紧凑的变电所或者更新设备位置受限制的场合，都能顺利的安装使用。动态范围宽的特性使其能同时满足高精度计量和保护的双重需求，而作为无源式的互感器产品，其无可比拟的优点和标准化数字输出使其成为数字变电站中重要的组成部
13、分。本章就全光纤电流互感器的总体结构，工作原理，以及在实用过程中存在的问题进行分析和讨论。全光纤电流互感器的原理及特点全光纤电流互感器即采用干涉型的，其原理是通过检测受到法拉第效应作用的两束光的相位差，由其相位差的变化检测电流。从其光路结构上，干涉型在法拉第磁光效应的光纤电流互感器中，电流通过导体时产生的电磁场，会对环绕着导体的光纤中的光波的传输产生影响。当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过光纤时，线偏振光的振动平面将由于双折射而产生偏转。 反射式全光纤电流互感器误差研究囝检偏嚣一，式 电常量，由于光波的磁场强度中，。，喈朋一是疘真空介趓三皂， 式中为真空磁导率。设其入射光为线偏振光，则：，
14、将式代入麦氏方程组，即得：由于陋一，将的矩阵式代入上式得：一，筇一一卢，其中，分别表示波矢赬、轴方向的方向余弦。式的方程组有非零解的条件就能求得其两个不同的偏振光的折射率。对果光波传播路径为立方对称的介质，则。：，则由上推导可得：如果肚为实数，则可知介质对所发出的光波不存在吸收。则，这两圆偏振光相位差，通过合成后变为线偏振光，其偏振光的偏振面与入射时的偏振面相比发轴方向传播的，电场强度矢量豿轴方向。则：惑脄噊好玞一兰尝几髟巧一褚 反射式全光纤电流互感器误差研究矿鶫 环形结构的电流互感器的结构及工作原理如下图为环形结构的原理图。光源出射的光通过耦合器，到达偏振器，经偏振器起偏变为线偏振光，通过耦
15、合器后分为两束线偏振光，两束线偏振光分别在不同的光路中经过波片转变圆偏振光，最后进入光纤回路中，在光纤回路中经过光纤环绕着的电流导体的磁场的作用，两束圆偏振光在磁场的作用下发生偏转，即经过法拉第效应后从光纤传感头中射出，再次经过波片作用转变为两束线偏振光，通过耦合器后在偏振器中发生干涉。当两束圆偏振光在传感头中传发生了两倍的法拉第相移，即妒玢圾矿为光纤材料的常数，为光纤绕图环形结构原理图数，为导线中的电流值。其推导过程与反射式全光纤电流互感器理想模型相似，下节作详细分析。将戥及、醋鞒琁髦葡辔徊睢真结果如图所示，如图中反映，输入的交流信号，理论的输出结果得到了很好的响应，经过相应的相位调制以及数
16、据处理，即可得到想要的电流大小及波形。环形结构的全光纤电流互感器，从光纤传感头可知，其采用的是光纤陀螺的工艺，因此在其检测过程中，很容易受到萨格纳克效应的小的微信号，因此效应产生的影响不容忽视。此外本系统在光纤回路中使用两个波片，波片参数有对轴角度和相位延迟，相位延迟受温度影响下的误差极大，且使用两个波片，从而对系统产生更大影响。本系统与反射结构的 反射式全光纤电流互感器误差研究环形结构理想输出仿真反射结构的电流互感器的结构及工作原理反射结构的电流互感器如下图所示，光路主要由低相干光源、光探测器、保偏光纤耦合器、光纤起偏器、光纤相位调制器、保偏光纤延迟线、光纤波片和传感光纤组成。由光源发出的光
17、经过耦合器后由光纤起偏器起偏变成线性偏振光。然后经过一个度熔接庀似鹌骱拖辔坏髦破饕热劢，则偏振光被分为分别沿保偏光纤嵊隮轴传播的两束垂直的线偏振光，两束线偏振光经过相光转变为线偏振光，最后在起偏器发生干涉，通过测量相干的两束偏振光的位相 图全光纤电流互感器的基本结构旋圆偏振光旋圆偏振光图偏振光束在传感头处偏振态变化过程可以看出，如图所示，光经起偏器的度熔接，变为两束沿岷蚘轴传播的偏振光，在光纤内部传播时始终都经过相同的路径，假设外部有干扰的话，使两束光都受到相同的干扰，而我们在起偏器处取的是两束光的干涉结果，即相当于两束光的差值，则受到的干扰对结果并没有影响。因此，反射结构的电流互感器光路的干
18、涉结果中只携带了法拉第磁光效应产生的相位信息，其光路部分有很好的互易性。全光纤电流互感器的主要光学部件光纤电流传感器采用全数字闭环混偏方案，光路系统采用体系，由庠础詈掀鳌衿鳌晒庋辔坏髦破简称直波导直径保偏延迟光纤、光电探测器组件，以及光纤传感头庀泄庀七部分组成。庠矗汗庠纯梢允荢光源或者庠础庠吹娜阋G螅、要求光源有较高的输出光功率从而保证光纤电流传感器在测试电流时有较高的精度和 反射式全光纤电流互感器误差研究常数同工作波长的关系。保偏光切刀度熔接波片制作流程图 研磨后在保偏光纤上度金属铝膜，在研磨面上镀缓冲层，则当光在其中传输单一的线偏振光。图起偏器原理相位调制器：光纤电流传感器的相位调制器的作
19、用主要是用来产生偏置和调制相位，提高检测信号的灵敏度，同时抑制信号噪声。理想的相位调制器只会分别使传输的光的快轴和慢轴的相位分别发生改变，从而实现相位调制。本系统采理为通过改变光的传播路径即光纤的长度改变传输光的相位。传感头：传感头采用光纤陀螺制作工艺，同光纤陀螺一样，传感头为消除线性双折射的影响，通过改变光纤的形状，使人为的加入大量的圆双折射，但由于光纤的物理特性，有弹性又极易折断，所以在绕制过程中对其力量的控制是技术难点，也是传感头制作质量的关键因素，绕环过程中，张力过大容易使光纤受伤，张力过小则使与骨质环不能完全接触，使上层的绕制受到影响，如果其中绕制时使其中一节光纤受损，则整个传感头绕
20、制失败。此外，光纤直径并不是固定大小，而是在一定的误差范围内波动，这也使光纤绕制受到影响。理想的绕制结果是，绕制成功后，光纤环全部是理想的圆环，并且排列紧密，在温度变化下光纤环仍光路熔接顺序：光源和光电探测器的尾纤分别与耦合器的两根输入尾纤熔接，耦合器的尾纤与起偏器的输入尾纤熔接，起偏器的尾纤与另一个耦合器的输入尾纤熔接，相位调制器的尾纤和保偏延迟光缆的一端分别与此耦合器的两根输出尾纤熔接，相位调制器和保偏延迟光缆的另一端与两个波片连接，两个波片另一端分别与传感光纤两端熔接。通过对这些光路器件的分析可知，每一个部件都是精密的光学仪器，其在制作及使用的过程中不免受到外界的影响，人为因素或环境因素
21、均会对其整个的光 反射式全光纤电流互感器误差研究路系统受到损害，这便是全光纤电流互感器在工程应用中一直不能理想运作的缺陷，为避免这种缺陷，必须对其光路的各个器件造成的误差做出详细分析，分别做出相应的解决方案，这便是本文研究的重点。为：利用微元法对此光纤系统进行微处理，即将其长度三分为份，则每段长度为疦，其每段相位差延迟为棚，每相邻的两段间旋转角度为疦，同积分与微当光由第一段光纤传到第二段光纤时，由于第一段的相位延迟删，此时历、鼠分量变为：轕纠由上便可以推导出第段光纤的传出光，其在快轴及慢轴上的传播分量如下所示： 一删邰簦梳将线偏振光的琼斯矩阵式代入上式，忽略彻彻项的影响，就可以得到出咖洲忉锴一
22、盖黑删批，当饔谖耷钍保式求极限得：褂嘲亿，本章小结本章主要介绍了全光纤电流互感器的总体结构，从互感器光路传输传感原理，电流互感器的基本结构和工作原理，对其光路系统做了详细的介绍，并对光路系统的光学部件做了介绍，最后介绍了线偏振光转化成圆偏振光的理论基础，即 反射式全光纤电流互感器误差研究稳定。通过上述问题，从而引出本文的研究重点。 第三章反射式干涉输出结果的推导引言全光纤电流互感器从光信号检测出电流，需要根据光在各个光学器件中的偏振态得出光信号的干涉结果，描述偏振态的方法主要有三种：词噶糠琼斯卣蠓邦加球法。其中噶糠怯的矩阵表征偏振元件的特性，且当偏振光依次通过这些偏振元件时，可以将它们的卣笏炒
23、蜗喑耍纯杉扑愕贸銎窆獾淖钪掌裉緇引。琼斯矩阵法较为常用，运用矩阵进行运算分析可以使复杂的问题变得简洁、发出的光依次通过每个光学器件，得出最终输出光的表达式，从而得出光强信息。系，即可根据光强信息求出被测电流。为了推导光路系统的干涉输出结果，需要分析光束偏振态的变化过程，以及就光的偏振特性而言，光一般可以分类为自然光、偏振光，和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规律变化的光称为偏振光。对于偏振光又可以进一步分为线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。当偏振光在光纤内部传输时，其光矢量的方向、相位以及大小都会随时间发生断化，我们研究光波的偏振态，必须对其每一种形态做出分析，即对线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光
24、做电磁矢量分析，简要介绍如下。方向传输时，根据光的横波特性，电场只有琘方向的分量。此时，可将其电矢式中，是光波的圆频率或角频率。把上式写成分量形式为 反射式全光纤电流互感器误差研究九一司苦卟矿鲁则此时椭圆退化成圆，表明电场矢量的端点轨迹为圆，称为圆偏振光。石同理，当妒坏，时，则有： 说明乞的相位比南辔宦浜笄桑，因此其合成矢量的端点描绘的是一个顺时针方向旋转的圆，称为右旋圆偏振光。刀刽悖环跸钟取椤跤孟男鹜湟虏弧蛎踉测贸酚瓤贘用，炅裂一了一一箧拿“生：阂籪三种偏振光的图形表示如图所示：、荽。荽。，、荽。荽。厂夕。咖为各种值时的椭圆偏振 反射式全光纤电流互感器误差研究窆獾腏矩阵描述两个振动方向相互垂
25、直的偏振光叠加时，一般将形成椭圆偏振光。两偏振光丸浚。，按照式谋硎痉椒咂窆獾腏矩阵的矢量式表示如下：如下：矩阵方法是将其每个坐标轴上的光矢量除，：州啪一昝阵表示式和左旋的圆偏振光的琼斯矩阵表示式也满足这种关系，即也可称之为正 当偏振光衇通过一偏振器件后，其偏振态变成。可以用一个的矩阵来表示和的关系：州霩纠素仅与器件有关。因此卣蟊碚髁似骷云窆獾谋浠惶匦浴绻鸍矩阵中的元素受到某信息量的调制，则该器件出射偏振光的偏振态将相应地受到调饴废低持懈鞴芷骷腏矩阵表达式起偏器的琼斯矩阵：勿备：哆岛籲一、衣光矢量与岢蓀角的线偏振光。由表达入射偏振光与出射偏振 反射式全光纤电流互感器误差研究光关系的矩阵方程：蘈。
26、乏三躢。賡；，迹鹤覿由上式便可算出琼斯矩阵中各值，得：光比定义如下：一直方向的振幅。因此，不考虑对轴角度，一般起偏器的琼斯矩阵为 ，当时，波片的琼斯矩阵形式：、一即如图中所示，超前或滞后。 第三章反射式干涉输出结果的推导；多二轴波片坐标变换关系瞄甧桑子若口：。，而入射光线互：蚩傻贸錾涔庀咭祝篒鮥，簈蝗瘛瘛瘛馢 医堑茎全堂堑皇堕亘壁矍堡茎堡壅光源发出的光：向的线偏振光鹌鞯腏矩阵表示为：篒矩阵表示为：两束线偏光经过相位调制器后，沿着保偏光纤延迟线传输至传感头。在波示为：。，同的速度传输。腏矩阵表达式为：， 两束圆偏光在传感光纤末端发生镜面反射，模式互换后沿原光路返回。反射。模式互换后的两束圆偏光再
27、次穿过传感光纤，再次受到电流产生磁场的磁光在波片处，两束圆偏光被转换成模式互换了的两束线偏光，并经由保偏光矗篯当两束线偏光再次通过集成光学相位调制器时，再次接受认为相位调 制。相在相位调制器与起偏器的尾纤灾崛劢哟琂矩阵表达式为：，。口习综上所述，输出光的表达式为：因此，到达光电探测器的干涉光强信息可以表示为： 反射式全光纤电流互感器误差研究：等【籹一：譬一刚令相位调制器对两束偏振光的调制相位差为一，则有：其中，狥旋转角，9庀舜型返脑咽瑈为费德尔常蠢善黎蚕图未经调制时的理论输出与实际电流值对比 相位差的余弦函数成正比的。由于相位差通常很小，响应处于函数最不敏感的区域，为了提高测量的准确度，通常要
28、进行相位偏置和相位调制引。分析上式可知，当在两束偏振光间不加入人为相位调制时，互感器的干涉光强信息是嘁魄的余弦函数。由余弦函数在零相位附近的性质可知：涑龉馇坎荒芊从矲相移的符号，无论补的正负都输出同样的数值，相位处一阶导数为零。然而在大多数的应用场合，嘁坪苄、在研制的光纤电流互感器样机中，由所使用的光学器件基本参数限制，决定了光电探测器的输出电压是微伏级的微弱信息，而噪声却一般是毫伏量级，因此从这个意义上也必须应用微弱信号检测的方法提取信号。本方案为调制解调理论的微弱信号检测方法，提取偏振光间的相位信息，为了提高系统的响应灵敏度，有必要对信号进行调制，将系统工作点偏移到其它位置。这个调制过程将
29、通过集成光学相位调制器来实现。相位调制器的工作原理是：对相位调制器施加调制电压，电压引起调制器内部材料折射率变化，引起通过的光的传播速度变化，从而引起光的相位变化。一制电压不同时，通过的光所受到的调制作用不同。常用的相位调制器有压电陶瓷髦破骱蚅集成光学调制器。由于压电陶瓷的调制频率较低，所以本文研究的课题采用集成光学调制器。一般称如篧去为相位调制器的相位调制系数。 反射式全光纤电流互感器误差研究矿图调制相位与调制电压的关系器的驱动电压是矿窆馐艿降髦菩纬傻南辔黄剖强。之后偏振光束在保图相位调制不意图、 干涉输出光强经过光电探测器疐组件后，变为电信息，理想情况下其表达式为：叮緇】式中，是探测器的光
30、电转换系数。令甃，则有：咖：巾可以看出，原来呈余弦响应的干涉输出，通过加入方波调制偏置相移后，就变成了正弦响应。方波偏置调制前后的波形如图所示。图方波调制不意图可见，方波调制后的探测器输出信号是一个叠加在直流上的，幅值为由上面的分析可知，在光纤电流互感器系统中，通过加入：方波偏置调制，光电探测器的输出信号是一个叠加在厶埘上的、幅值为铀纷的方波信号，方波信号，所以必须采用微弱信号检测的方法才能将其提取出来。 反射式全光纤电流互感器误差研究关或互相关运算的方法，将待测信号从噪声中提取出来。相干检测技术是一种从强噪声中提取弱信号的重要手段，是近年来才发展性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，
31、达到去除噪声的目的。因此，后的探测器输出；枪饴泛偷缏分幸氲陌自肷渚滴A恪。已知的本罧一。是噪式中，实际应用中积分时间丁不可能真的无穷大，可用下式估计互相关函数：“将上式离散化后得到互相关序列的估计：如歧刀雘互相关检测需要的是一个“干净”的本地参考信号，它的频率与待测信号的频率 由上面的分析可知，通过方波调制技术，成功地把互感器系统干涉输出调制感器系统的本征频率厶渲衦是光束在互感器光路系统中的传输时间；检观察式，对于探测器输出，把幅值为册卯的方波信号相邻前后半周期相减可得：解调。而方波正负半周期信号相减，则可以通过将干涉输出的方波信号与一个同：在实际解算过程中，探测器输出信号经过疍转换数字化后，
32、假设在方波前、解调输出为战埘，则：一趌一啤弧啤胍图数字相关检测示意图 反射式全光纤电流互感器误差研究这也是开环信号检测方案的基本原理。在光纤电流互感器的开环信号检测方案中，经过方波调制后，干涉输出变成数字的阶梯波通过数模转换电路后，其模拟信号可表示为：一加一 因为全光纤电流互感器的总的输出信号为周期函数，用此周期波来代替如上所述的阶梯波，即当如时，相位调制转变为初始相位，如图所示。图阶梯波及其反馈的相位关系由上可知通过这种周期性的阶梯波来调制相位时，当模拟信号输出为最高时，如下【】：垒：血式中，以为数模转换器的位数。因为在闭环的条件下，其相位调制与法拉第相移的关第如下：把式酱胧式得：啤乓辉啤朋
33、鹤梗阂弧狽万 反射式全光纤电流互感器误差研究本章小结进而推导得出两束偏振光束干涉输出的结果，并最终得到互感器系统的输入输出 第四章全光纤电流互感器光路器件误差研究引言使其成为新一代电流互感器的研究重点。但因其光路各种误差，导致其一直难以实用化。全光纤电流互感器采用全光纤结构，传感光纤的线性双折射会造成输人偏振光偏振面的旋转，产生一个与法拉第效应偏角无法区分的误差信号，对光纤电流互感器测试性能造成严重影响，这也是其一直难以实用化的最主要原因之一。除光路光纤传输误差外，各光学器件的不理想情况也造成误差，总体而言全光纤电流互感器有如下误差源：其中，波片位相差误差，传感光纤常数和线性双折射产生的误差是
34、互感器系统最主要误差源。起偏器引起的误差全光纤电流互感器的光路系统中，光波在每一刻的偏振态都需要严格满足要求，在传感头外为线偏振光，传感头内为圆偏振光O咝运凵涞挠跋，但光源发出的光为自然光，就需要起偏器将之转化为满足要求的线偏振光。但是在实际应用中，起偏器对光路系统的影响不容忽视，其性能的好坏表现为消光比，此外，起偏器在光路中的对轴角度也会对其输出结果产生影响。对起偏器本身而言，为使起偏后的线偏振光满足要求，起偏器的性能好坏即消光比对全光纤电流互感器检测系统的影响不容忽视，设其消光比系数为，则其 反射式全光纤电流互感器误差研究遥宏肌丁雘】根据相对误差【】：由匕为理想时输出，匕取甗蕀噏则，图消光
35、系数与相对误差仿真结果由上图可以看出，起偏器消光比对全光纤电流互感器的检测结果有影响，可见时，全光纤电流互感器的检测结果的灵敏度会受到很大影响。除此之外，起偏器在光路中的性能参数还有对轴角度，对轴角度是引起偏振 第四章全光纤电流互感器光路器件误差研究误差的主要因素，以任意角度对轴的起偏器琼斯矩阵形式如剑渲为起偏在一般实验条件下，很难达到完美的对轴。把上式代入理想光纤电流传感器数学模型中，结果为：竽：毕。由于相对误差：匕为钡氖涑觯蠢硐胧涑觯贺 ，即：，日一三 ，相对墨器：图起偏器对轴角度误差影响系统测量精度。由式看出，起偏器的对轴角度误差只影响其输出光强的幅值，理想性，造成输出中存在快轴慢轴的相
36、互耦合，是造成其输出误差的一个较大的因素，因此，起偏器的对轴角度误差越小越好。起偏器的消光比以及对轴角度引起的误差均会对电流互感器的正常工作带来 反射式全光纤电流互感器误差研究相位调制器引起的误差当相位调制器存在误差时，即在相位调制器的快轴与慢轴上加入相同的相位调制误差，并代入总光路，可得：睾【】当相位调制器的快轴与慢轴误差不同时，结果如下：当调制误差为零时：，相对误差得：鑟 第四章全光纤电流互感器光路器件误差研究图光纤电流互感器相位调制误差一致性增大，光纤电流互感器输出的相对误差随之增大。已知相位调制器使两束偏振光相位发生改变，其原理是使光的快轴与慢轴的相位发生改变，从而实现相位调制，与此同
37、时，相位调制器也会使快慢轴上的光产生耦合，这种耦合作用会使光强产生变化，其频率与调制频率相同，使输出结果发生改变。为了减小这种耦合的寄生效应，必须在相位调制前让两束偏振光消除这种相关，从而减少相位调制时快慢轴间的耦合。具体做法即在偏振器后到相位调制器间加一段保偏光纤。波片引起的误差波片是在光纤电流互感器光路系统中对光的偏振态起主要影响的器件，波片在全光纤电流互感器中是起到线偏振光与圆偏振光之间的转化，即一束线偏振光经度熔接后，转化为两束相互垂直的线偏振光，再经过波片，两束线偏振光转化为两束圆偏振光，且其两束圆偏振光模式正交，经传感头产生法拉第相移后，再次经过波片，使两束载有相位差信息的圆偏振光
38、转化为线偏振光，其模式仍为正交。由波片的制作过程可知，其从头至尾制作都为手工操作，截 反射式全光纤电流互感器误差研究接角度为杵湎辔谎映傥，则对应的琼斯矩阵为：郺詓加。篙籪咖将上式代入到反射式全光纤电流互感器的输出结果中，化简后便可得到如下一心籹雘】。、，可得相对误差与对轴角度拖辔谎映的关系：一一 第四章全光纤电流互感器光路器件误差研究日强魔图反射式波片相对误差取接近理想值的几组数据，其对应的数据表如下：表对轴角度与相位延迟关系嵌经过数学推导和理论分析，由上可知，光纤电流互感器的输出直接受波片性能的影响。由图可以看出，波片造成系统误差的两个因子，对轴角度和相位延迟的改变，均对光路系统造成很大影响
39、，其对轴角度偏离理想值越大，其相对误差将近，如此大的误差极大的影响检测系统的输出结果。与起偏器及 反射式全光纤电流互感器误差研究变，其光纤电流互感器的尺度因子特性就会发生变化，从而使互感器比差加大。当纤制作而成的波片长度变化可达到，由此看来，即使在制作波片时，一，已知保偏光纤位相差随温度变化成线性关系。即：厶髀琽籺 第四章全光纤电流互感器光路器件误差研究争一结果如图所示：图波片温度与相对误差关系由图可以看出，由于波片的相位延迟变化造成的光纤电流互感器的尺度因用的要求，所以必须采用补偿措施。 反射式全光纤电流互感器误差研究传感头误差分析洚，其中：毗街校篢为传感头的圆双屏三其中：式中：卢鄖，欢艿 第四章全光纤电