光纤光栅内腔式法布里—珀罗电流传感器研究

摘要

电流互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的正常运行和电力的精确计量有非常重要的作用。随着电力工业的发展，输变电电压等级不断提高，系统的测量和保护精度要求不断提高，传统的电流传感器已经不能很好的满足电力工业的需要，新型光电式电流互感器替代传统的电磁式电流互感器是必然的趋势。光纤电流传感器是一种集光纤传感技术、光电技术、非线性光学及信号处理技术等多个学科的理论和应用于一体的新型传感器。由于其具有电气绝缘性好，不受电磁场的干扰，无电源，体积小，灵敏度高等固有的特点和优势，将成为传统电流互感器的最具优势的替代品。 本文针对目前电力工业对电流互感器的要求，在详细研究了国内外光纤电流传感器发展现状的基础上，提出了一种新型光纤电流传感器方案。传感头的设计是基于磁致伸缩效应，采用光纤光栅法布里一珀罗(Fabry-Perot)干涉仪结构。通过在一根单模光纤上制作两个参数完全相同的光纤布拉格光栅(FBG)作为Fabry-Perot干涉腔的两个反射镜，构成一个光纤光栅内腔式Fabry-Perot电流传感头。该传感器不仅具有一体化光纤结构的全部优点，而且采用了光强变化频率测量技术，和传统的光强测量技术相比，避免了直接测量模拟信号带来的较大误差，使传感器系统具有较强的抗干扰能力和稳定性。 在光电信号检测方面，本文设计了传感器光电信号处理的电子线路。利用最新的数字信号处理技术，实现了光强变化频率测量。在器件的选用、信号处理和软件算法等方面都作了深入的研究，对光电转换、信号处理等各部分的组成和工作原理进行了详细地分析和阐述，力求精简电路并提高测量精度。 在上述工作的基础对该光纤电流传感器系统进行了初步的实验研究，分析了实验系统的测量结果和试验误差。利用实验中获得的数据画出了与理论值对比的输入输出特性曲线，初步证明了该电流传感器系统的可行性。研究结果表明该传感器结构简单、灵敏度高、价格低、输出特性良好、易于应用，对进一步的实用化设计和产品研制提供研究基础。最后，针对系统中的不足之处提出了改进措施，并对所做工作进行了总结。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2光纤传感器简介

1.2.1光纤传感器的特点

1.2.2光纤传感器基本原理

1.2.3光纤电流传感器分类

1.3光纤电流传感器研究概况

1.3.1国外研究进展

1.3.2国内研究进展

1.4光纤电流传感器的主要问题

1.4.1磁光型电流传感器及所存在的问题

1.4.2全光纤型光纤电流传感器及所存在的问题

1.4.3混合型光纤电流传感器及所存在的问题

1.4.4光电式电流传感器及所存在的问题

1.5光纤电流传感器的发展趋势

1.6本文的主要工作

第2章理论基础与传感头设计

2.1超磁致伸缩材料及特性研究

2.1.1概述

2.1.2 TbDyFe2的性能参数

2.2光纤布喇格光栅(FBG)

2.2.1概述

2.2.2 FBG基本原理及特性

2.3光纤光栅Fabry-Perot干涉原理

2.3.1概述

2.3.2 Fabry-Perot干涉仪原理

2.3.3常用光纤Fabry-Perot干涉结构

2.4光纤光栅F-P干涉仪特性分析

2.4.1概述

2.4.2耦合模理论

2.4.3传输矩阵理论

2.5结构化感头设计

2.5.1概述

2.5.2传感头数学模型

2.6本章小结

第3章光纤光栅F-P电流传感器系统设计

3.1系统总体结构

3.2光纤传感器子系统

3.3信号处理子系统

3.3.1硬件结构与功能

3.3.2软件算法及流程

3.4本章小结

第4章光电检测与信号处理

4.1电路部分系统功能与总体设计

4.2信号预处理电路的设计

4.2.1光电转换电路设计

4.2.2放大及滤波电路设计

4.2.3模数转换电路设计

4.3信号处理与PC通信

4.3.1单片机及复位电路

4.3.2时钟发生电路

4.3.3 ISP程序下载电路

4.3.4 JTAG调试口电路

4.3.5程序状态指示电路

4.3.6电平转换与计算机通信电路

4.4数据处理与显示

4.5硬件抗干扰电路设计要点

4.6本章小结

第5章实验研究与讨论

5.1实验装置的基本结构

5.2光学元件的选择

5.3实验研究

5.3.1实验步骤

5.3.2实验结果

5.3.3分析与讨论

5.4本章小节

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望及有待进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士期间发表和完成的学术论文及参加的科研项目

致谢

附录 光电检测与信号处理电路实物图: