CN101957399B - 一种数字闭环型光纤电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字闭环光纤电流传感器。该传感器光路***的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理***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***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。

Description

一种数字闭环型光纤电流传感器
技术领域
本发明属于电子学与信息***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***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***的应用越来越广泛，电力***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PT。
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***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2×10-4/℃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
美国专利：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：WO/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
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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***中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理***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θC，在左、右园偏振光反向通过λ/4光纤波片后，θC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θL，并且θL＝θC；
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
Figure BSA00000278663500061
与
Figure BSA00000278663500062
共同调制的相位调制型光信号转变为幅值只受到调制的调幅方波形电信号，其中
Figure BSA00000278663500064
是被测电流产生的信号相位，
Figure BSA00000278663500065
是相位调制器产生的偏置相位，
Figure BSA00000278663500066
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(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n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***的工作频率不受电流-电压转换增益的影响，从而提高***的电流-电压转换增益将不影响***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***的电流-电压转换增益将不影响***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。
附图说明
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Z0。
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***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(TransimpedanceAmplifier：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π/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***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2π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***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)：
Figure BSA00000278663500091
式中I0正比于***的输入光功率，α是与光路衰减、调制效率有关的系数，
Figure BSA00000278663500092
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1所示的数字闭环情况下，偏置相位
Figure BSA00000278663500093
表现为幅值为π/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
Figure BSA00000278663500094
-π/2时对应的I(t)分别为：
Figure BSA00000278663500101
未加反馈信号
Figure BSA00000278663500102
时，I+(t)、I-(t)为：
Figure BSA00000278663500103
Figure BSA00000278663500104
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I0上的幅值为
Figure BSA00000278663500105
的正、负方波，即幅值被
Figure BSA00000278663500106
调制的调幅方波，方波幅值反映了
Figure BSA00000278663500107
的大小，也即被测信号的大小。原因是I±(t)的最终表达式来源于
Figure BSA00000278663500108
其中
Figure BSA00000278663500109
代表幅值为1的平顶正、负方波p0(t)，
Figure BSA000002786635001010
代表
Figure BSA000002786635001011
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
Figure BSA000002786635001012
工作于
Figure BSA000002786635001013
的线性段，即
Figure BSA000002786635001014
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，
Figure BSA000002786635001015
式中N是传感光纤的匝数，V是光纤的Verdet常数，i(t)是被测电流。对应的幅值为
Figure BSA000002786635001016
的正、负方波
Figure BSA000002786635001017
可表示为：
Figure BSA000002786635001018
式中ω0＝2πf0，f0＝1/T是p0(t)的基波频率。这说明
Figure BSA000002786635001019
由一系列以(1/(2n-1))sin((2n-1)ω0t)为载波、以
Figure BSA000002786635001020
为调制信号的调幅波组成，每一个调幅波都携带了
Figure BSA000002786635001021
的幅值
Figure BSA000002786635001022
的信息，因此只须利用
Figure BSA000002786635001023
中的任一个调幅波(比如基波调幅波)，就可正确检测到调幅方波的幅值。由于每一个调幅波的带宽都是
Figure BSA000002786635001024
的带宽(也就是i(t)的带宽)Wi的两倍，中心频率分别在(2n-1)f0处，因此利用低通型前放输出的方波波形提取调幅方波幅值的现有方案，在f0＝500kHz、Wi＝5kHz的情况下，即使只由
Figure BSA000002786635001025
的前7个调幅波来近似恢复
Figure BSA000002786635001026
低通前放的带宽也应在6.5MHz以上；相比之下，利用一个调幅波提取调幅方波幅值时，前放的带宽只有10kHz，是现有方案的前放带宽的1/650。仅凭这一点，就能使前放的主要噪声电平，即噪声功率正比于带宽的热噪声与散粒噪声(shot noise)电平，降低到现有方案的1/650。这就是本专利申请提出的利用调幅正弦波提取调幅方波幅值，以便极大地提高信号处理***前置放大器输出信号的信噪比，从而提高***的动态范围与响应速度的原理。
图2是本发明的方波-正弦波结合型数字闭环光纤电流传感器的实施方案示意图。图中，光接收机前置放大器不再是现有数字闭环光纤电流传感器中采用的低通TIA，而是只放大选定频带信号的选频放大器。
图7是本实施方案采用的选频放大型TIA的一般化结构，图中的带阻滤波(bandstop filter：BSF)型反馈网络的输入电流与输出电压关系见图8，该反馈网络的理想阻抗(即电流-电压转换增益)特性见图9。
由电路理论可知，TIA采用权利要求7、8、9、10所述的带阻滤波型反馈网络时，该TIA将具有如下优点：
(1).TIA的最高工作频率与该TIA的电流-电压转换增益无关，从而提高电流-电压转换增益将不像现有技术那样受到最高工作频率以及要求的信号带宽的限制。
(2).TIA的电流-电压转换增益不取决于该TIA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，以便使TIA输出噪声中占很大比重的电阻热噪声降低到可忽略不计。
(3).调整反馈网络中的电阻值即可调整跨阻抗放大器TIA的频带宽度，并能保持要求的电流-电压转换增益。
采用权利要求11中所述的多级RLC串-并联带阻滤波型反馈网络时，上述前两条优点仍具备，TIA的频带宽度可不用“调整反馈网络中的电阻值”的方法来改变，而是可采用“改变各级RLC串-并联带阻滤波器的中心频率”的方法来改变，而且采用这种改变TIA带宽的方法同样也能保持要求的电流-电压转换增益。
下面以权利要求9所述的反馈网络为例，对本发明技术采用的TIA的优点作进一步说明。权利要求9所述的反馈网络由Z1、Z2并联组成，其中Z1为电感L的阻抗，Z2为电容C与电阻RC的串联阻抗。该反馈网络的带宽WB、中心频率f0、中心频率阻抗Z0(即选频放大型TIA在中心频率处的电流-电压转换增益)可单独选定，网络中的L、C、RC与这三个已选定参数的关系为：
L = 1 2 π · f 0 W B f 0 2 - W B 2 Z 0 - - - ( 10 )
C = 1 2 π · W B f 0 f 0 2 - W B 2 1 Z 0 - - - ( 11 )
R C = ( W B f 0 ) 2 Z 0 - - - ( 12 )
现有数字闭环光纤电流传感器采用的低通型TIA中，反馈回路中的反馈电阻RF大于或约等于TIA的电流-电压转换增益Z0，因此要求的Z0＝1MΩ时，RF应大于或约等于1MΩ；而由(12)式，在通常采用的WB＝10kHz，f0＝500kHz的工作条件下，以权利要求9所述的反馈网络为例，反馈网络中所需的电阻RC＝(10/500)2Z0＝4×10-4Z0＝400Ω，反馈网络电阻输出噪声输出电平只有采用现有技术时的(4×102/106)1/2＝1/50。
前已证明，通过采用跨阻抗放大器TIA，本发明技术能使TIA输出信号中的热噪声与散粒噪声电平降低到现有方案的1/650以下；这里又进一步证明，与现有数字闭环光纤电流传感器采用的低通滤波型TIA相比，在TIA的电流-电压增益相同的条件下，本发明技术的TIA所需采用的反馈网络阻值远比现有技术TIA必须采用的反馈电阻值低，因而可大大降低反馈网络电阻在TIA输出端产生的噪声电平。
图10是本发明的TIA采用权利要求9所述的反馈网络时，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。调幅方波的周期2微秒，幅值随频率为5kHz的被测量信号变化，但在图中所示的5个周期内，方波幅值几乎没有变化，对应的方波基波的幅值也几乎没有变化，所以可由调幅方波的基波调幅波确定方波的瞬时幅值。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (12)

1. 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***中的光波“相位调制器”的调制信号为调幅方波，信号处理***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；
该传感器的光路组成为： 
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 C 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 L ，并且θ L =θ C ；
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js、jb与jf共同调制的相位调制型光信号转变为幅值只受到jS调制的调幅方波形电信号，其中js是被测电流产生的信号相位，jb是相位调制器产生的偏置相位，jf是反馈相位；
一个跨阻抗放大器（TIA），其作用是将光电转换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。
2. 一种如权利要求1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。
3. 一种如权利要求1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。
4. 如权利要求1-3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），一个连接在高增益放大器（A）的反向输入端和输出端的带阻滤波器型反馈网络（BSF）；所述跨阻抗放大器（TIA）的输出信号从高增益放大器（A）的输出端取出，该信号直接进行后续信号处理或进一步放大后再进行后续信号处理。
5. 如权利要求4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与第二支路并联组成。
6. 一种如权利要求5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由电阻RL与电感L串联组成，第二支路由电阻RC与电容C串联组成。
7. 一种如权利要求5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由电阻RL与电感L串联组成，第二支路由电容C组成。
8. 一种如权利要求5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由电感L组成，第二支路由电阻RC与电容C串联组成。
9. 如权利要求4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n个中心频率不同的权利要求6-8任一所述的带阻型滤波器串联组成。
10. 一种权利要求4所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器（TIA）的最高工作频率与该跨阻抗放大器（TIA）的电流-电压转换增益无关，从而可提高该跨阻抗放大器（TIA）的电流-电压转换增益而不降低它的最高工作频率。
11. 一种权利要求4所述的数字闭环型光纤电流传感器，其中跨阻抗放大器（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，但却可使跨阻抗放大器（TIA）输出噪声电平中占很大比重的电阻热噪声可忽略不计。
12. 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5-9之一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。
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王立辉等.数字闭环光纤电流互感器动态特性仿真与测试.《仪器仪表学报》.2010,第31卷(第8期),第1891-1892页第2.1节、图1.

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