专利名称：用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器，属于电力系统计量测试技术领域。
目前所提出的各种光学电流互感器，多采用法拉第磁光效应进行测量，由此称这样的互感器为磁光式电流互感器。磁光效应的本质是光学材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生一种非线性极化过程。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转；通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。
由块状磁光玻璃实现的磁光式电流互感器一般由下列器件和单元组成光源、起偏器、光学玻璃传感头、检偏器、光电探测器、信号处理单元等。以上器件本身及它们的组合都与温度、应力等外界环境影响有关。光传感头的材料一般选用光学玻璃，在外场作用下将会产生不同的光学效应，如电光效应、弹光效应、声光效应、热光效应、光折变效应等等。连同上面的磁光效应，它们都是温度的函数。因此在磁光式电流互感器中发生的光学效应实际上是各种效应综合的结果，其中温度及应力方面影响的最为严重，并使磁光式电流互感器的发展遇到了前所未有的困难。
磁光式电流互感器已研究了二十多年，在原理上已基本成熟，但商品实用化方面还存在一些问题，如上所述，温度、双折射是影响磁光式电流互感器测量精确度的主要因素，尽管人们采用起偏器和检偏器有固定定向角，起偏器与光轴定向10.45°，检偏器定向55.45°；输出信号交流分量与直流分量相除；双正交全反射几何相位补偿法补偿全反射相差；精确反射临界角等方法，但仍没有从根本上解决温度及应力对磁光式电流互感器的影响。本专利正是在此背景下产生的，它利用半导体吸收式温度传感器对磁光式电流互感器的传感头进行温度直接补偿，用以消除温度变化对互感器的影响；同时光源驱动电流采用恒流控制，减少光强变化对磁光式电流互感器的影响。最后，把这些信号处理电路及其他器件制作在一个单元板上，形成了一个用于磁光式电流互感器具有温度补偿功能的模拟信号处理器。
本发明的目的是提出一种用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器，以有效地抑制温度、双折射及其他噪声和干扰对磁光式电流互感器的影响。利用半导体吸收式温度传感器对磁光式电流互感器的传感头进行温度直接补偿，用以消除温度变化对互感器的影响；同时用光源驱动电流采用恒流控制，减少光强变化对磁光式电流互感器的影响。
本发明提出的用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器，包括前置放大器、交流通道、直流通道、除法电路、温度补偿反馈电路、光源恒流驱动电路。其中，所述的前置放大器接受由光电探测器输出的电信号，并将其放大，它包括光电探测器、比例放大器、一个电阻和电容。所述的交流通道用于对来自前置放大器的交流信号再次放大、滤波、移相，从而得到10Hz～2kHz的交流信号，包括AD624放大器、低通滤波器、高通滤波器、移相器。所述的直流通道用于将来自前置放大器的信号进行小于1Hz的低通滤波，再放大，以产生所需的直流电压信号，它包括一个无源低通滤波器和一个比例放大器。所述的除法电路用于将交流与直流电压信号进行除法运算，消除光强变化给互感器带来的影响，它由一个AD734除法器组成。所述的温度补偿反馈电路用于将计算机标定的与温度传感器直接测定的温度电压信号比较后的结果反馈给交流通道，用以补偿温度对互感器的影响，它包括偏置电压设置电路和放大器。所述的恒流驱动电路用于供给发光二极管一个恒流，使用于光电式电流互感器的光源功率保持恒定，它有电阻、可调电阻及三端稳压块组成。
本发明提出的用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器，采取温度直接补偿和光源驱动电流恒流控制措施对困扰磁光式电流互感器发展的温度问题和双折射问题进行了改进，使其具有稳定性好、精度高、温度影响小等特点。它可用于有法拉第效应实现的磁光式电流互感器，它还适用于所有光电测量系统的温度补偿及信号处理，因此是很有使用价值的。由于光电式电流互感器与电磁式电流互感器相比，有很多突出的优点，是电磁感应式电流互感器较为理想的换代产品，并预计在未来的五到十年中，光电式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。另外，除了在电网中安装和使用外，光电式电流互感器还可用于一些其他的场合便携式电流测量；高频电流测量；电网中的零序电流测量和确定电网中的故障地点。因此，该发明专利有广泛的应用前景。
图1为本发明的模拟信号处理器框图。
图2为本发明的具有温度补偿功能的模拟信号处理器电路图。
图3为LED恒流驱动电路图。
图4为用本发明的信号处理器实现的磁光式电流互感器比差特性图。
图5为用本发明的信号处理器实现的磁光式电流互感器角差特性图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容图1是具有温度补偿功能的模拟信号处理器的原理框图。恒流驱动电路供给发光二极管一个恒流源，发光二极管发出的光SOUT通过光纤进入起偏器变为一束偏振光，射入由ZF6制成的玻璃传感头，围绕导体绕行一圈后光偏振态的偏振角随导体电流的大小发生变化，经检偏器变为光强量，再通过光纤得到SIN信号进入光电探测器把光信号变为电信号，此电信号经前置放大器分为直流与交流通道，进入A/D变换器变为数字信号由计算机处理。直接温度补偿是由光纤温度传感器实现的，由砷化镓半导体材料组成的光纤温度传感器头放入传感头玻璃块附近，它也通过光纤把温度信号传出，经信号处理后变为电压信号，进入A/D变换器与标定好的温度对磁光式电流互感器的影响数据进行比较，比较结果送入温度补偿反馈电路调节交流通道的输出，达到直接补偿的目的。
图2为具有温度补偿功能的模拟信号处理器电路图。图中包括前置放大器、交流通道、直流通道、除法电路、温度补偿反馈电路五部分，以下分别对各部分进行讨论。
(1)前置放大器的设计如图2中虚线方框“前置放大器”所示，前置放大器是在电流电压变换器基础上增加了一个反馈电容C0，前置放大器的闭环增益G1为G1＝-R0。此电路具有零输入、输出电阻的特点，使光电探测器工作在短路工作方式，可以消除由于PN结正向电流(光电探测器的暗电流)带来的影响，并使硅光电二极管得到最佳信噪比，被放大的信号只与光强成正比。采用的放大器为模拟器件公司的超低噪声运算放大器AD OP-27。前置放大器设计方法如下考虑到可能的光强变化，前置放大器的直流输出选为1.5V～2.5V，根据输入光电流的大小确定反馈电阻R0的大小，最后根据信号的频率范围及反馈电阻R0的大小确定C0的大小。
(2)交流通道的设计经过上面前置放大器放大后，在1000A电流下，交流分量还只有百分之几伏，故交流通道的放大倍数需约为100。交流通道的增益放大主要由仪表放大器AD624承担，交流通道还有用于降噪的带通滤波器及调节相位的移相器。图中Ahp为高通滤波电路，Alp为低通滤波电路，App为移相器电路。
选用仪表放大器AD624作为增益放大主要因为它具有特别高的精确度和共模抑制比、性能稳定并能通过改变引脚的互连来决定增益倍数，无须接入外部元器件。使用表明，AD624仪表放大器对放大带宽以外的噪声有很强的抑制作用。
带通滤波器的通带为10Hz～2kHz，由截止频率为10Hz的二阶压控高通滤波器和截止频率为2kHz的二阶压控低通滤波器组成。移相器实际上就是全通滤波器。对这两部分来说，器件噪声已不是主要问题，且是比较典型的电路，在此不作详细介绍。
另外，Ahp是一个VCA610宽带压控运算放大器，它的管脚1、8分别为正反相输入端，管脚6、7分别为正负电源，而管脚3为压控端。当温度电压信号与标定好的温度对磁光式电流互感器的影响数据进行比较时，得出一个比较后的电压信号，该信号作为反馈信号供给VCA610的管脚3，用以调节交流通道的输出电压，从而达到温度补偿的效果。
(3)直流放大通道的设计由于前置放大器的直流输出电平已达1.5V～2.5V，其中噪声的考虑不是主要的。直流放大器主要任务是进一步放大直流电平，达到A/D转换要求的电压范围，并滤除交流及噪声分量。直流放大通道就是一般的低通滤波器，其截止频率约为5Hz。
图2中的交流通道和直流通道输出VAC、VDC进入A/D转换单元，进行数字信号处理。磁光式电流互感器的电流信号最终是由微机采用数字技术来处理与提取。在数字信号处理中，首先把交流和直流信号相除，再经过数字滤波、去噪等处理后，与预先确定的温度对传感器的影响数据进行比较，实现温度补偿，从而输出跟被测电流成正比的模拟电流信号。
(4)除法电路如图2中虚线方框“除法电路”所示，有交流通道和直流信号输出的信号VAC、VDC同时进入有高精度除法器AD734构成的除法电路。直流信号连接AD734的X1端，交流信号连接Z2端，而X2、Z1、Y1均接地，从而实现交流与直流相除的功能，输出信号为VOUT＝10Z2/X1。进行除法处理，其目的是为了消除发光二极管光强及光纤连接损耗变化对磁光式电流互感器的影响(5)温度补偿反馈电路反馈电路如图2虚线单元方框FEED所示。从计算机输出的温度补偿信号，经D/A转换后获得VDA模拟电压信号，它一般保持在2mV～2V。图中V+f是直流参考信号，一般取0.1～1V直流。VDA和V+f信号比较以后通过OPA620取样放大，反馈控制VCA610的3脚。V-f及Rf3、Rf4的目的是使控制电压3端的电压能在0～-2V之间变化。由此看出传感头温度的变化将会改变温度补偿信号电压VDA的变化，进而改变Vhp的增益，最后实现温度直接补偿的目的。
图3为发光二极管恒流驱动电路。光源发光二极管的输出光强应保持稳定，这就要求发光二极管的驱动电流必须稳定。发光二极管的电流驱动由一个简单、可靠的恒流源电路构成。图中以三端稳压块LM317为核心构成的恒流源驱动电路。LM317的Vout输出一个稳定的1.27V电压，从而保证发光二极管有一个恒定的电流。图中可调电阻用来调节驱动电流的大小。
图4为用该信号处理器实现的磁光式电流互感器比差特性图。图中e为比差，I为被测电流。为了表示MOCT在不同电流下的测量结果的分散性情况，特在一定电流值下多次测量，并以点的形式在图上表示，其中实线为0.2级电流互感器比差限，图中圆点为测量比差值。从图可看出在80A～2300A电流范围内的比差在0.2级电流互感器所规定的精确度内。
图5为用该信号处理器实现的磁光式电流互感器角差特性图。图中中ψ为角差，I为被测电流。其中，空心圆圈为0.5级电流互感器角差限，实心圆圈为测量角差值。从图可看出在80A～2300A电流范围内的角差差在0.5级电流互感器所规定的精确度内。
因此，用该模拟信号处理器实现的磁光式电流互感器比差和角差均优于0.5级电流互感器所规定的精确度，它说明该模拟信号处理器是实用的、温度补偿效果是显著的。
权利要求
1.一种用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器，其特征在于，该处理器包括前置放大器、交流通道、直流通道、除法电路、温度补偿反馈电路、光源恒流驱动电路，所述的前置放大器接受由光电探测器输出的电信号，并将其放大，它由光电探测器、比例放大器、一个电阻和电容组成；所述的交流通道用于对来自前置放大器的交流信号再次放大、滤波、移相，从而得到10Hz～2kHz的交流信号，由AD624放大器、低通滤波器、高通滤波器和移相器组成；所述的直流通道用于将来自前置放大器的信号进行小于1Hz的低通滤波，再放大，以产生所需的直流电压信号，它由一个无源低通滤波器和一个比例放大器组成；所述的除法电路用于将交流与直流电压信号进行除法运算，消除光强变化给互感器带来的影响，它由一个AD734除法器组成；所述的温度补偿反馈电路用于将计算机标定的与温度传感器直接测定的温度电压信号比较后的结果反馈给交流通道，用以补偿温度对互感器的影响，它由偏置电压设置电路和放大器组成；所述的恒流驱动电路用于供给发光二极管一个恒流，使用于光电式电流互感器的光源功率保持恒定，它由电阻、可调电阻及三端稳压块组成。
全文摘要
本发明涉及一种用于磁光式电流互感器的模拟信号处理器,包括接受由光电探测器输出的电信号,并将其放大的前置放大器,用于对来自前置放大器的交流信号再次放大、滤波、移相,从而得到交流信号的交流通道,用于将来自前置放大器的信号进行小于1Hz的低通滤波,再放大,以产生所需的直流电压信号的直流通道,用于将交流与直流电压信号进行除法运算的除法电路。本发明可以抑制温度、双折射及其他噪声和干扰对磁光式电流互感器的影响。
文档编号G01R15/14GK1267832SQ0010593
公开日2000年9月27日 申请日期2000年4月21日 优先权日2000年4月21日
发明者罗承沐, 王廷云, 马仙云 申请人:清华大学