专利名称：一种数字闭环型光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子学与信息系统中之敏感电子学与传感器领域，以及电工学科之高 电压与大电流测量领域，具体涉及数字闭环型光纤电流传感器。本发明同时适用于数字闭 环型光纤陀螺仪，以及包括数字闭环型光纤Sagnac干涉仪在内的各种数字闭环型光纤干 涉仪，特别是光路输出的光信号中被提取信号对应的光强微弱的上述传感器、陀螺仪、干涉 仪。
背景技术：
随着电力系统的发展，直流输电技术、灵活交流输电技术、数字化变电站等以电力 电子为基础的新技术在电力系统的应用越来越广泛，电力系统对于实用化的光学电流、电 压互感器(以下简称光纤电流传感器、光PT)的要求比以往更加迫切。目前采用的高电位端 依靠电子电路提供测量信号的有电源式光纤电流传感器、光PT的运行实践表明，这种光纤 电流传感器、光PT存在安全隐患，应研制高电位端不需要电源的无源式光纤电流传感器、 光ρτ。上世纪六十年代以来，国内外曾提出过多种无源式光纤电流传感器方案，这些方 案分别利用电流产生的磁能、电能、热能、机械能等与有关的光学效应，调制光波的幅值 (光强)、频率、相位、偏振态，所利用的效应包括被称为法拉第效应的磁致圆双折射或磁致 偏振面旋转效应(偏振态)，被称为科登_冒登效应的磁致线双折射效应(偏振态)，磁致 伸缩_弹光效应(相位)，电流热效应_热胀冷缩_弹光效应(相位)，磁致伸缩_布喇格 衍射效应(频率)，电流热效应_瑞利散射、拉曼散射(光强)等，后来逐渐集中到基于法 拉第效应的方案上；法拉第效应光纤电流传感器又逐渐集中到偏振仪型与干涉仪两种方案 上。偏振仪型光纤电流传感器，通过测量偏振面互相垂直的两束输出光的光强，确定 被测电流引起的光波偏振面的旋转角，进而确定被测电流。这种光纤电流传感器只涉及线 偏振光，光路产生的损耗及附加噪声小，前置放大器(简称前放，下同)要求的带宽与被测 信号的带宽相同，比如为5千赫，信号处理电路简单。不过这种光纤电流传感器的信号处 理电路只能被动接受光路产生的误差，不能干预光路的工作(1980年前曾提出几种偏振仪 型光纤电流传感器闭环方案，都因原理上响应速度慢、功耗大而放弃，见文献[1])，因此国 外从1966年日本东京大学的“Laser Current Transformer”. [2]开始，国内从1978年中 国电力科学研究院在全国科学大会上展示的“激光电流互感器”开始，直至发展成英、中学 者共同探索的光纤型双光束、四路输出光的复杂方案[3]，以及ABB公司开发的块状光学媒 质_光纤传输型双光束、四路输出光的偏振仪型光纤电流传感器[4]，都不能很好解决环境 温度、震动感应的双折射引起的精度与长期稳定性难以达到要求的问题。有鉴如此，有关学者在已有的Sagnac干涉仪光纤电流传感器的基础上[5]，参照 数字闭环光纤陀螺的军用技术，提出了一种相位调制型Sagnac干涉仪光纤电流传感器方 案[6]，[7]。对照图1。这种方案中，传感光纤圈以外的光路传输的是幅度相等、偏振方向互相垂直的两种线偏光；每种线偏光进入传感光纤圈前经过45°取向的λ/4波片转变为 幅度相等、旋转方向相反的两种圆偏光。被测电流的磁场在传感光纤圈中产生的电子磁矩 的拉莫尔(Larmor)进动，使得进入传感光纤圈的旋转方向与电子进动方向相同或相反的 圆偏光产生幅度不同的频率移动，从而导致两种圆偏光之间的相位差(法拉第效应来源于 此)。从传感光纤圈射出的两种圆偏光再经过45°取向的λ/4波片返回传输光路时，又恢 复为偏振方向互相垂直的两种线偏光，圆偏光的相位差转换为线偏光的相位差，并在起偏 方向与两种线偏光的偏振方向成45°角的起偏器产生干涉，于是对电流磁场的测量转变为 对线偏光相位的测量，可用成熟的干涉仪技术实现。由于精确测量光波相位远比精确测量 光波偏振态容易[8]，因此这种光纤电流传感器的精度理论上优于常见的偏振仪型；又由 于线偏光相位便于用电压调制型光波导相位调制器予以补偿，因此这种光纤电流传感器容 易实现数字闭环运行，有利于提高系统的稳定性与进一步提高测量精度。数字闭环Sagnac干涉仪光纤电流传感器方案一经提出就受到重视，国外各大公 司竞相研制[9]_[19]。国内中国电力科学研究院、北京航空航天大学、航天部等单位也先后 加入研究行列。不过这种光纤电流传感器也存在偏振仪型光纤电流传感器不存在的问题。其一是需要用λ /4波片实现光波的线偏_圆偏_线偏的偏振态转换带来的问题。 由于这种λ /4波片目前都用一段快轴_慢轴的延迟相位(相位差)等于90°的高(线) 双折射光纤制成，而这种光纤的延迟相位的温度系数大，通常在2 X 10_4/°C左右，因此温度 变化时这种λ/4波片的延迟相位将偏离90°，不能真正实现光波偏振态的线偏-圆偏-线 偏转换的功能，使得光信号的调制效率下降[8]’ [10](见美国专利5987195)，引起光纤电流传 感器的比差变化，噪声增加(见美国专利7038718,5987195)。其二是光路相位调制与电路信号处理均依赖方波的闭环策略(以下简称方波-方 波方案)带来的噪声大，这不仅使这种光纤电流传感器在小信号端的测量准确度下降，动 态范围变窄，还使这种光纤电流传感器的响应速度慢。与偏振仪型光纤电流传感器相比， 采用这种闭环的光纤电流传感器所需处理的不是与信号波形相似的光信号，而是携带信号 信息的调幅方波，并且还混杂有方波调制造成的极强的相位突变尖峰spikes(见美国专 利5684591,5280339)。由于被测电流磁场引起的两种圆偏振光的相位差很小，总的输出 光电流为微安级时，信号电流对应的方波幅度仅为纳安级；而调幅方波的带宽则很宽，比如 信号带宽5千赫时，调幅方波的带宽至少在6兆赫以上，超过这种情况下的偏振仪型光纤 电流传感器前放带宽的1200倍。仅仅这一点，在同样的等效输入噪声电流密度谱的情况 下，数字闭环光纤电流传感器前放输出信号的噪声电平就将超过偏振仪型光纤电流传感器 前放输出信号的噪声电平的1200倍。由于这个原因，这种光纤电流传感器除了要在这样 的输入信号的基础上进行方波幅值检测、产生反馈阶梯斜坡、修正反馈增益等数字闭环必 需的一系列运算外，还得进行大量的降噪运算，而且某点数据的降噪结果与该点前后的大 量数据有关(理论上应与全局数据有关)，从而方法本身的滞后时间(不是与器件运行速 度有关的计算时间)长，导致响应速度慢，所以最新美国专利“Optical sensor, optical current sensor and optical voltage sensor” (申请号20090212763)将“响应速度难 以提高”(Itis difficult to improve response speed···)列为这种光纤电流传感器存 在的问题之一。关于λ/4波片延迟相位随温度变化的问题，可利用我们设计出的零温度系数光纤波片予以解决，详见我们正在申请的专利“零温度系数光学波片与偏振态转换器”。本申 请专利要解决的是上述第二个问题。参考专利美国专禾Ij :7038786,6188811B1, . 6023311，6356351，6166816，6302632，5987195， 5644397,7102757B2,7075286B2,6636321B2,6734657B2,7046867B2,5953121,5677622, 6281672B1，6831749B2，6301400B1，7425820，5684591，5280339 ；国际专利申请W0/2002/004964 ；中国专利=ZL 01812641. 3，ZL 01801947. 1 ；中国专利申请03825967. 2，200580015090. 0,200510076617. 2,200810056486. 5。参考文献[1],陈祥训，光电子学技术在电力测量系统中的应用[C]，第一届电力系统光电 技术应用研讨会，1981，8，山东，泰安.[2]· S. 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发明内容
本发明的目的是降低数字闭环光纤电流传感器的输出噪声电平，提高数字闭环 光纤电流传感器的带宽、灵敏度与动态范围。本发明的技术方案是一种数字闭环型光纤电流传感器，所述光纤电流传感器光路 系统中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则仅提取光电转换器输 出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息。其光路的组成为一宽带光源，该光源的输出光经过起偏器后变为低相干长度的线偏振光；一集成波导型光波相位调制器，作用是在线偏振光已有相位的基础上，附加周期 为设定值的正、负90°偏置相位，以及与光波已有相位相反的反馈相位；至少一个保偏光纤延迟线，其作用是使线偏振光通过该延迟线后产生所需的时 延，以便能从干涉仪输出信号中提取被测电流信息；至少一个使偏振方向互相垂直的两束线偏振光产生90°相位差的λ/4波片，该 波片的快轴方向与保偏光纤延迟线的快轴方向的夹角为45°，其作用是使来自保偏光纤延 迟线的偏振方向互相垂直的两束线偏振光通过该波片后转变为左园偏振光与右园偏振光，使左、右园偏振光从相反方向通过该波片后恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光；至少一个将传输被测电流的导体包围在内的单匝或多匝光纤圈，其作用是使通过 该光纤圈的左、右园偏振光在被测电流磁场的作用下产生遵循法拉第效应的相位差θ c，在 左、右园偏振光反向通过λ/4光纤波片后，θ ^又转变为偏振方向互相垂直的两束线偏振光 之间的相位差θ ρ并且V= θε；其电路的组成为—个光电转换器，其作用是将光波相位受到cps、cpb与CPf共同调制的相位调制型光 信号转变为幅值只受到CPs调制的调幅方波形电信号，其中CPs是被测电流产生的信号相位， CPb是相位调制器产生的偏置相位，(Pf是反馈相位；一个跨阻抗放大器TIA，其作用是将光电探测器输出的低信噪比的微弱电流信号 转换为可驱动后续A/D转换电路的高信噪比的电压信号，其特征是反馈网络不是现有技术 中采用的低通滤波网络，而是带阻滤波网络；输出电压波形不是现有技术中那样的信噪比 低的调幅方波，而是代表调幅方波的某次谐波的信噪比高的正弦波，从而可扩展数字闭环 型光纤电流传感器小信号区的线性范围；—个以方波幅值检测、方波幅值累加、反馈阶梯斜坡生成为主的数字式反馈相位 形成电路及光波相位反馈环路，其作用是抵消被测电流引起的光波相位变化，其特征是方 波幅值由信噪比高的数字化的调幅正弦波调幅确定，而不是像现有技术那样由信噪比低的 调幅方波幅值确定，从而可避免现有技术必需的大量的降噪运算，提高闭环型光纤电流传 感器的响应速度；一个主要由调制增益累加、调制增益标定组成的调制增益控制环路，其作用是通 过累计到的反馈相位回扫(fly-back)时出现的相位误差，调整所述光波相位反馈环路的 增益，以便使反馈相位回扫时的误差为零；一个偏置方波形成电路，其作用是通过集成波导型光波相位调制器，在光波已有 相位的基础上附加周期为设定值的正、负90°偏置相位，使调相型光波信号经过光电转换 器后，变为调幅型方波信号。其中跨阻抗放大器TIA输出的调幅正弦波的中心频率是所述调幅方波的基波频率。其中跨阻抗放大器TIA输出的调幅正弦波的中心频率是所述调幅方波的谐波频率。其中跨阻抗放大器TIA包括一个高增益放大器A，一个以光电转换器为主要组成 部分的输入电路，一个连接在A的反向输入端和输出端的带阻滤波器型反馈网络BSF;所述 TIA的输出信号从A的输出端取出，该信号可直接进行后续信号处理，也可进一步放大后再 进行后续信号处理。其中跨阻抗放大器TIA反馈网络所用的带阻型滤波器由第一支路1与第二支路2 并联组成。其中跨阻抗放大器TIA反馈网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电阻RL与 电感L串联组成，第二支路2由电阻RC与电容C串联组成。其中跨阻抗放大器TIA反馈网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电阻RL与 电感L串联组成，第二支路2由电容C组成。
其中跨阻抗放大器TIA反馈网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电感L组 成，第二支路2由电阻RC与电容C串联组成。其中跨阻抗放大器TIA反馈网络所用的带阻型滤波器分别由权利要求7-9任一所 述的η个中心频率不同的带阻型滤波器串联组成。其中TIA的最高工作频率与该TIA的电流-电压转换增益无关，从而可提高该TIA 的电流-电压转换增益而不降低它的最高工作频率。其中TIA的电流_电压转换增益不取决于反馈网络中的电阻值，从而在反馈网络 中采用低阻值电阻亦能保持要求的电流_电压转换增益不变，但却可使TIA输出噪声电平 中占很大比重的电阻热噪声可忽略不计。本发明还提出了一种调整跨阻抗放大器TIA的频带宽度的方法，其特征在于调 整权利要求6-10所述反馈网络中的电阻值即可调整对应的跨阻抗放大器TIA的频带宽度， 并能保持要求的电流_电压转换增益不变。本发明还提出了一种改变跨阻抗放大器TIA的频带宽度的方法，其特征在于通 过改变权利要求10中所述的串联连接的多级RLC串-并联带阻型滤波器的中心频率的差 别来改变权利要求10中所述的跨阻抗放大器TIA的频带宽度，并能保持要求的电流_电压 转换增益不变。本发明的有益效果是(1)使数字闭环光纤电流传感器的光接收机前置放大器TIA的主要噪声电平，即 噪声功率正比于带宽的热噪声与散粒噪声(shot noise)电平，降低到现有技术所需的TIA 的噪声电平的1/650以下，从而可大大提高数字闭环光纤电流传感器的灵敏度、动态范围、 时域响应速度或频带宽度。(2)使数字闭环光纤电流传感器的光接收机前置放大器TIA的电流-电压转换增 益不取决于TIA的反馈网络中的电阻，从而可在该反馈网络中不采用电阻，或采用低阻电 阻，使得电阻器热噪声可忽略不计；相比之下，现有技术所需的TIA必须通过提高反馈网络 中的电阻器的电阻值来提高电流-电压转换增益，从而电阻器的热噪声在现有技术所需的 TIA的输出噪声中占很大比重。(3)使数字闭环光纤电流传感器的信号处理系统的工作频率不受电流_电压转换 增益的影响，从而提高系统的电流-电压转换增益将不影响系统的最高工作频率；相比之 下，提高现有技术的电流_电压转换增益，将使它的最高工作频率成比例地下降。(4)使数字闭环光纤电流传感器的带宽不受电流-电压转换增益的影响，从而提 高系统的电流_电压转换增益将不影响系统的带宽；相比之下，提高现有技术的电流-电压 转换增益，将使它的带宽成比例地下降。(5)使数字闭环光纤电流传感器的带宽可通过改变TIA的反馈网络中的电阻值来 予以调节，但确不会因此而改变数字闭环光纤电流传感器的电流-电压转换增益；相比之 下，现有数字闭环光纤电流传感器的TIA反馈网络中的电阻值增加或减少时，电流-电压转 换增益将随之增加或减少。


下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是现有方波调制-方波检测型数字闭环光纤电流传感器的光路、电路简化图。图2. (a)是本发明的方波-正弦波结合型反射式数字闭环光纤电流传感器的实施 方案示意图，图2. (b)是本发明的方波-正弦波结合型环路式数字闭环光纤电流传感器的 实施方案示意图。图3是现有技术采用的跨阻抗放大器(Transimpedance Amplifier,以下简称 TIA)的基本结构示意图。图4是现有技术的最佳反馈电容型TIA的结构示意图，其目的在于使TIA工作稳 定，不至于因噪声电压而引起振荡。图5是现有技术的R-C补偿反馈网络型TIA的结构示意图，其目的在于减少反馈 电容对TIA带宽与噪声性能的影响。图6是现有技术的自举输入级型TIA的结构示意图，其目的在于减少PIN电容对 TIA带宽与噪声性能的影响，图中缓冲器(Buffer)的电压增益为1。图7是本发明采用的TIA的基本结构示意图。图8是本发明采用的TIA的带阻滤波型反馈网络的输入电流与输出电压之间的关 系；图中Zbsf是TIA的电流-电压转换增益，该增益在反馈网络的中心频率时的值记作Z。。图9是本发明采用的TIA的反馈网络的理想阻抗(即电流-电压转换增益)特性。图10是本发明的TIA采用的反馈网络由单一并联RLC构成时，利用Matlab仿真 软件simulink中的元件级仿真电路得到的TIA的输入电流(上图)与输出电压(下图) 波形。
具体实施例方式为提高数字闭环光纤电流传感器的动态范围与响应速度，可从降低信号处理系统 前置放大器输出信号的噪声电平入手，因为这样既可提高小信号端的测量准确度，又可降 低信号处理的滞后时间。本申请专利提出的解决方案是光波相位调制采用方波，信号处理 则不再基于方波，而是基于正弦波(以下简称方波-正弦波方案)。为了说明这样的方案为 什么能实现这个目标，我们先分析数字闭环光纤电流传感器所需处理的信号特点。以图1所示的现有反射式方波调制_方波检测型数字闭环光纤电流传感器的光 路、电路简化图(参见美国专利5914781等)为例，图中“低通TIA”是采用跨阻抗放大器 (Transimpedance Amplifier =TIA)技术的电流-电压转换型低通前置放大器，光路中的起 (检)偏器、消偏器、延迟线等未画出。对已选定的集成波导型相位调制器，产生η/2相移 所需的相位偏置方波幅值Up是已知常数，与被测量信号无关，方波周期T也是由光路光程 决定的参数，也与被测量信号无关。探测器PIN(即光电转换器)输出的与信号光对应的电 流波形，是瞬时幅值Um (t) = Up · i (t)的调幅方波，式中i(t)是被测电流。闭环的目的， 是根据i(t)的变化生成并跟踪调整反馈信号，迫使系统的输出信号为零。数字反馈信号是 Serrodyne调制对应的阶梯斜坡(staircase)信号，由各个时刻的方波瞬时幅值确定；数字 闭环所需进行的工作是生成正确的阶梯斜坡反馈相位，并在阶梯斜坡对应的相位超过2 π 时回扫(flyback)到零，再生成下一个阶梯斜坡。由于在相位回扫时，PIN、前放、A/D以及 方波幅值检测等处可能产生相应的相位误差，因此须根据这样的相位误差调整阶梯斜坡的 幅度，这种功能由图中的调制增益累加、调制增益标定环节实现。
现有方波-方波方案，利用低通TIA将PIN输出的波形为调幅方波的光电流转换 为调幅方波电压，然后从调幅方波电压信号中提取调幅方波的瞬时幅值。然而由图1可知，不管用什么方法，只要在图中的方波幅值检测部分正确检测到 调幅方波的幅值，后面的信号处理部分就能按照相同的方式工作，现有方波-方波方案能 实现的数字闭环功能就能同样实现。因此，不一定非得采用低通TIA不可。下面解释这种光纤电流传感器的数字闭环功能为何只取决于调幅方波的幅值，本 申请提出的方波_正弦波方案为何能检测调幅方波的幅值、提高信号处理系统前置放大器 输出信号的信噪比。对一般的光纤干涉仪型传感器而言，光电转换器输出的光电流I (t)可表示 为(T. Giallorenzi, J. Bucaro, A. Dandridge, G.Sigel, et al. , Optical Fiber Sensor Technology[J], IEEE Trans. MTT,1982,30(4) :472_511)
7(0=/o[l+ -cos(1)式中Itl正比于系统的输入光功率，α是与光路衰减、调制效率有关的系数， φ奶、_、竹(0分别是被测信号S、偏置调制信号Sb、反馈信号Sf在传播路径(或模式) 不同的两路光波中引起的相位差或补偿相位。在图ι所示的数字闭环情况下，偏置相位仰W 表现为幅值为η/2、占空比为1、周期为T的正、负方波形式，由加在电光调制器上的正、负 方波电压产生。为简化分析，取α = 1。这时灼(0=π/2、-π//2时对应的I(t)分别为
/+(0=/o[l+cos (^,(Ο+ΜΟ+π/2)] =/0[l-sin (灼(0+^(0)] (0< t< Γ/2) (2)
7_(0=/o[l+cos=/0[l+sin(^(0+^(0)] (T/2< t< Τ) (3)未加反馈信号时，I+(t)、I_(t)为
m=Io[ ι -sin (^i(O)] (0< t< Γ/2)(4)
7_(i)=/o[l+sin ((^s(O)] (Γ/2< t< Τ)(5)可见，附加幅值为+ π /2的偏置相位后，传感器输出的干涉信号是叠加在直流Itl 上的幅值为sin外的正、负方波，即幅值被sin外调制的调幅方波，方波幅值反映了外的大小，
也即被测信号的大小。原因是I 士⑴的最终表达式来源于cos(外±W2)= T sinf-sin内，其
中Tsin^代表幅值为1的平顶正、负方波Ptl (t)，sin外(0代表内(0对该平顶正、负方波幅值的 调制。为了满足测量精度，设计中使工作于sin^OWO的线性段，即外(0 1弧度的 区域。可见被测信号的信息携带在正、负方波的幅值上，测出正、负方波的瞬时幅值，就可以 测出被测信号。对图1的光纤电流传感器，内(0=4iVN(0，式中N是传感光纤的匝数，V是光纤的 Verdet常数，i⑴是被测电流。对应的幅值为sin内的正、负方波/UO=外(0·灼(0可表示
为
1权利要求
一种数字闭环型光纤电流传感器，其特征在于所述光纤电流传感器光路系统中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则仅提取光电转换器输出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息。
2.如权利要求1所述的传感器，其光路的组成为一宽带光源，该光源的输出光经过起偏器后变为低相干长度的线偏振光； 一集成波导型光波相位调制器，作用是在线偏振光已有相位的基础上，附加周期为设 定值的正、负90°偏置相位，以及与光波已有相位相反的反馈相位；至少一个保偏光纤延迟线，其作用是使线偏振光通过该延迟线后产生所需的时延，以 便能从干涉仪输出信号中提取被测电流信息；至少一个使偏振方向互相垂直的两束线偏振光产生90°相位差的λ/4波片，该波片 的快轴方向与保偏光纤延迟线的快轴方向的夹角为45°，其作用是使来自保偏光纤延迟 线的偏振方向互相垂直的两束线偏振光通过该波片后转变为左园偏振光与右园偏振光，使 左、右园偏振光从相反方向通过该波片后恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光；至少一个将传输被测电流的导体包围在内的单匝或多匝光纤圈，其作用是使通过该光 纤圈的左、右园偏振光在被测电流磁场的作用下产生遵循法拉第效应的相位差θ e，在左、 右园偏振光反向通过λ/4光纤波片后，θ e又转变为偏振方向互相垂直的两束线偏振光之 间的相位差θ ρ并且V= θε； 其电路的组成为一个光电转换器，其作用是将光波相位受到恥、(Pb与CPf共同调制的相位调制型光信号 转变为幅值只受到cps调制的调幅方波形电信号，其中％是被测电流产生的信号相位，(Pb是 相位调制器产生的偏置相位，Tf是反馈相位；一个跨阻抗放大器TIA，其作用是将光电探测器输出的低信噪比的微弱电流信号转换 为可驱动后续A/D转换电路的高信噪比的电压信号，其特征是反馈网络不是现有技术中采 用的低通滤波网络，而是带阻滤波网络；输出电压波形不是现有技术中那样的信噪比低的 调幅方波，而是代表调幅方波的某次谐波的信噪比高的正弦波，从而可扩展数字闭环型光 纤电流传感器小信号区的线性范围；一个以方波幅值检测、方波幅值累加、反馈阶梯斜坡生成为主的数字式反馈相位形成 电路及光波相位反馈环路，其作用是抵消被测电流引起的光波相位变化，其特征是方波幅 值由信噪比高的数字化的调幅正弦波调幅确定，而不是像现有技术那样由信噪比低的调幅 方波幅值确定，从而可避免现有技术必需的大量的降噪运算，提高闭环型光纤电流传感器 的响应速度；一个主要由调制增益累加、调制增益标定组成的调制增益控制环路，其作用是通过累 计到的反馈相位回扫(flyback)时出现的相位误差，调整所述光波相位反馈环路的增益， 以便使反馈相位回扫时的误差为零；一个偏置方波形成电路，其作用是通过集成波导型光波相位调制器，在光波已有相位 的基础上附加周期为设定值的正、负90°偏置相位，使调相型光波信号经过光电转换器后， 变为调幅型方波信号。
3.—种如权利要求2所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA输出 的调幅正弦波的中心频率是所述调幅方波的基波频率。
4.一种如权利要求2所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA输出 的调幅正弦波的中心频率是所述调幅方波的谐波频率。
5.如权利要求2-4任一所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA包 括一个高增益放大器A，一个以光电转换器为主要组成部分的输入电路，一个连接在A的 反向输入端和输出端的带阻滤波器型反馈网络BSF ；所述TIA的输出信号从A的输出端取 出，该信号可直接进行后续信号处理，也可进一步放大后再进行后续信号处理。
6.如权利要求2-5任一所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA反 馈网络所用的带阻型滤波器由第一支路1与第二支路2并联组成。
7.—种如权利要求6所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA反馈 网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电阻&与电感L串联组成，第二支路2由电阻Rc 与电容C串联组成。
8.—种如权利要求6所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA反馈 网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电阻&与电感L串联组成，第二支路2由电容C 组成。
9.一种如权利要求6所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA反馈 网络所用的带阻型滤波器的第一支路1由电感L组成，第二支路2由电阻Rc与电容C串联 组成。
10.如权利要求2-5任一所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器TIA反 馈网络所用的带阻型滤波器分别由权利要求7-9任一所述的η个中心频率不同的带阻型滤 波器串联组成。
11.一种权利要求5-10任一所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中TIA的最高工作 频率与该TIA的电流-电压转换增益无关，从而可提高该TIA的电流-电压转换增益而不 降低它的最高工作频率。
12.—种权利要求5-10任一所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中TIA的电流-电 压转换增益不取决于反馈网络中的电阻值，从而在反馈网络中采用低阻值电阻亦能保持要 求的电流-电压转换增益不变，但却可使TIA输出噪声电平中占很大比重的电阻热噪声可 忽略不计。
13.—种调整跨阻抗放大器TIA的频带宽度的方法，其特征在于调整权利要求6-10 所述反馈网络中的电阻值即可调整对应的跨阻抗放大器TIA的频带宽度，并能保持要求的 电流-电压转换增益不变。
14.一种改变跨阻抗放大器TIA的频带宽度的方法，其特征在于通过改变权利要求10 中所述的串联连接的多级RLC串-并联带阻型滤波器的中心频率的差别来改变权利要求10 中所述的跨阻抗放大器TIA的频带宽度，并能保持要求的电流_电压转换增益不变。
全文摘要
本发明提供一种数字闭环光纤电流传感器。该传感器光路系统的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理系统则提取光电转换器输出的调幅方波电流的任一次谐波，并从中提取被测电流信息；信号处理系统的前置放大器为跨阻抗放大器TIA，其带宽是直接从调幅方波中提取方波瞬时幅值(现有技术)时的1/650以下，从而该前置放大器输出的热噪声与散粒噪声电平也降低到现有技术的1/650以下；跨阻抗放大器TIA的电流-电压转换增益不取决于它的反馈网络的电阻值，从而在具有高电流-电压转换增益的同时，能在TIA的反馈网络中采用低阻值电阻，使TIA输出噪声电平中占很大比重的电阻热噪声降低到可忽略不计。
文档编号G01R15/24GK101957399SQ20101028823
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者刘占元, 尹树杰, 陈硕, 陈祥训 申请人:中国电力科学研究院