微弱信号检测取样积分
BOXCAR
BOXCAR 取样积分器实验(凝聚态物理 北京师范大学)[摘要] 本实验利用Boxcar 取样积分器探测微弱光电信号，对含有噪声的信号进行取样处理，根据相关原理，信号经过多次重复提取，从而使噪声的统计平均趋于零，提高了信噪比。
本实验通过设计Boxcar 参数，验证了原理中改善信噪比的公式，并设计电路，探测仪器中内置电路的exponential curves 。
一、 实验原理1. 取样积分器取样积分器又称Boxcar ，是测量噪声中微弱的周期性重复信号的有力工具。
取样积分器利用一个与信号重复频率一致的参考信号，对含有噪声的信号进行取样处理。
根据相关原理，信号经过多次重复提取，从而使噪声的统计平均趋于零。
1.1取样积分原理设输入信号f (t )由被测信号S (t )和大小由方均根给出的随机噪声N (t )组成，且以周期T 重复，则：⋯⋯=+++=+=2,,1 n ,)()()()()(2nT t N nT t S t N t S t f对其进行m 次取样积分后累加得：)()()2()()()()(22111t N m t mS T t N T t N nT t S nT t N nT t S m n mn m n +=⋯⋯++++++=+++∑∑∑=== 输入输出的信噪改善比为：m t N t S t N m t mS SNR SNR SNIR in out ===)()()()()()( 即若取样100次，则改善10倍。
而每一次取样积分相当一次互相关检测。
1.2两种工作方式取样积分器一般有两种工作模式，其原理框图如下：个周期T 的同一固定点进行取样积分，从而测量该点的瞬时值。
此时，若被测信号S (t )不是周期信号，但相对周期T 而言是缓变的，则可将其从噪声中提取并记录下来。
此种情况相当于，门不动而波形动。
但m 次取样积分累积的结果抹去了mT 间隔内波形的变化。
当使用顺序延时器时，仪器处于“波形测量方式”。
3微弱信号检测的原理和方法
V s0 V n0
2
2
n
V si
2 2
V ni
由此可得 :
SNIR
Ps 0 Pn 0 P si / Pni n
根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值 要求，可计算重复测量的次数n。
例如，若已知输入信噪比 要求输出信噪比
则测量次数:
Ps 0 n Pn 0 P si / Pni 4 1 10
信号应为周期信号 有适当的累积器 能做到同相累积
要保证做到同相累积，则要根据不同的被检测 信号波形，确定不同的参考信号。
§3.5 锁定接收法
●锁定接收法的原理框图如下:
V1(t)为输入信号， V2(t)为参考信号， 这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，
再经过积分器，得到输出信号V0(t)。
1．考虑最简单的情况: 信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号
即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，
因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常 它只用在对噪声特性要求不很高的场合。 更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后 面再作讨论。
检测单次信号：
窄带滤波法不仅适用于周期性正弦信号波 形的复现，而且也能用来检测单次信号是 否存在。 原理：由于一个单次信号（例如单个脉冲 信号或有限正弦波）的绝大部分频率分量 集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内。 主峰的频宽Δ f与单次信号的持续时间Δ t 之间满足下述关系：
n
n
V s n
1 n
[V s 1 V s 2 V sn ] n V s
1
其中
Vs
1
微弱信号的检测方案设计
微弱信号的检测方案设计一、原理分析针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。
下面就针对这几种方法做一简要说明。
方案一：滤波法。
在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。
常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。
但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。
虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。
方案二：取样积分器取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形。
由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。
其系统原理图如图2-1所示。
取样门脉冲产生与控制积分器放大器Vs(t)+Vn(t)Vr(t)Vo(t)一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC 积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。
取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。
定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m 次取样平均后，其幅值信噪比改善为ni sin s V V m V V ；扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。
方案三：锁相放大器锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA ）。
它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。
它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。
锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。
微弱信号检测技术 第五讲取样积分与数字式平均
V0
(t)
1 Tg
t
tT g Vm exp( jwt')dt'
Vm
exp( jwt jwTg
)
[1
exp(
jwTg
)]
xi (t)
jwTg
[1
c os (wTg
)
j sin(wTg )]
xi
(t)
exp(
jwTg
/
2)
sin(wTg wTg /
/ 2) 2
• 取样积分的频率响应为：
sn0 =(Nsn2)1/2
• 输出信噪比为
SNR0=Ns/ sn0=N1/2SNRi
• 信噪改善比 SNIR＝√N
这就是√N法则。
• (2)噪声n(t)为高斯分布有色噪声
5.6.3 数字式平均的频域描述
• 将数字式累加平均输出等效为取样脉冲与输 入信号的卷积，即：
A(t)
1
N 1
[x(t) (t iT )]
• 信号通道输出为A，标准通道输出为B，在功
能模块进行A和B的数学运算：A/B、A-B、 A●B、lg(A/B)等。
5.4.3 多点取样积分系统
• 对于单点取样系统，每个信号周期内 只对信号取样一次，取样效率很低。如果 信号周期很长(频率很低)，会引入一系列 的问题，给测量结果造成误差。
• 如果在每个信号周期内取样多点，经 过不太多个信号周期就可得到测量结果。 这就是多点取样积分器，电路结构相对复 杂一些，但取样效率提高。
噪声的均值为0，使得输出的信噪比为无穷 大。因此，
SNIR →∞。
也就是说，只要N足够大，就可得到期望的
SNIR。
第五章 取样积分与数字式平均
tp(max)来衡量，定义为误差不超过1%的最大触发周期：
tg t p (max) A C 1 e TC
第五章 取样积分与数字式平均
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
4100 型Boxcar系统测量荧光光谱
10%反射 激 Βιβλιοθήκη 分束片样品池波长计 透镜 PMT
示波器
PD Y1 Y2
trig. in
前放 4121B 计算机
4144 trig.
4161A trig.
第五章 取样积分与数字式平均
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
我们要记录宽度为100ns的荧光辐射的时间谱，可
第五章 取样积分与数字式平均
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第五章 取样积分与数字式平均
第五章 取样积分与数字式平均
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
信号平均器（也称取样积分器或Boxcar）是用于处理脉冲信号的仪器， 是一种微弱信号检测系统。它利用周期性信号的重复特性，在每个周 期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各 个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信 号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零， 所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。
大于被测信号宽度，小于触发周期tP，这样便可以把整个信
号随时间的变化过程记录下来。
第五章 取样积分与数字式平均
微弱信号检测取样积分
微弱信号检测取样积分6.3取样积分在实际工程应用中信号通常是一个很复杂的宽带函数其中感兴趣的信号不一定全是正弦或方波有时不仅需要获得信号的振幅还希望获得信号的波形。
例如在很多科学研究中经常会遇到对淹没在噪声中的周期短脉冲波形的检测。
如生物医学中遇到的血流、脑电或心电信号测量、发光物质受激后所发出的荧光波形测量、核磁共振信号测量等。
这些信号的共同特点是信号微弱具有周期重复的短脉冲波形最短可到ps量级。
取样积分方法就是针对检测这类复杂宽带周期信号的波形检测而设计的。
这种方法能够把深埋在噪声中重复的微弱信号波形得以恢复并显示记录已经成为微弱信号检测的重要手段之一。
对淹没于噪声中的周期脉冲信号的测量主要是对波形的恢复。
必须在信号出现的时间内对信号进行等间隔采样采样时间间隔应符合采样定理的要求。
然后对这些信号进行多次采样并加以平均以期抑制混于信号中的噪声恢复脉冲信号各时刻的数值从而得到完整的波形恢复。
根据这种采样及积累平均原理制成的仪器称为取样积分器。
早在20世纪50年代初这种微弱信号检测方法已经提出最早的采样积分器是在1962年出现并命名为Boxcar。
目前模拟式取样积分器由于可以工作在很高的频率依然在许多领域有所应用。
而以计算机为核心的数字式取样积分器则逐渐成为主流在物理、化学、核磁共振、生物医学等领域中获得了广泛的应用。
6.3.1采样方法大体可分为两类实时采样和变换采样。
变换采样又分为时序变换采样随机变换采样两种。
所谓实时采样就是在被采样信号的一次有效持续时间内抽取复现原信号所必需全部采样信号。
在实时采样过程中采样脉冲的作用、采样过程以及信号的恢复是与被样信号在同一时间刻度上进行的。
由采样定理可知为了无失真地复现原信号采样频至少应为信号所包含的最高频率的2倍。
因此实时采样所需要的频率较高一般多用低频信号的处理。
对于短暂的时域信号实时采样难度较大。
单点取样积分器对信号每周或每重复出现一次采样并积分一次经过多次采样积分即平均得到该点信号的波形或特定点的幅值。
微弱信号检测 第三章
由普通指数积分电路，可 知，当t=RC时，有：
R Tg
u0(t) c
u O (t) 0.632Vi TC RC
而对门积分指数积分电 路，当开关闭合的占空因 子为Δ=Tg/T时有：
uo/Vi 0.632
r(t) 取样脉冲
产生电路
指数式门积分电路
Te
Tc
R' R V 当 uO (t ) 0.632 i 时有：
p(t)
n的
Δ
T
Tg
t
2π/Tg -ωs0 ωs
ω
0
如输入x(t)的频谱为X(ω),则有
X S () X () * P()
sin(n) X() * ( nS ) n n sin(n) X( nS ) n n
sin(n) n X( nS ) jRC n
滤播过程，滤波 器的积分常数为 RC/Δ。
微
弱
信
号
检
测
三、指数式门积分器的输出特性
对取样门电路的时域分析，任何周期信号都可以表 示为三角函数的组合，现假设输入被测信号中频率为ω 的单一频率的正弦信号分量。
即 x(t ) x m cos[(t )] ①当x(t)的频率ω等于取样脉冲ωs=2π/T，指数式门积分器 sin( ) 的稳态输出为
微
弱
信
号
检
测
第三章 取样积分与数字式平均
对于淹没在噪声中的频率相对较低的正弦信号的幅 度和相位可采用LIA进行检测。但如要恢复淹没在噪声 中的非正弦波，特别是脉冲波时，LIA中由于BPF和LPF 的存在会滤除高次谐波，使输出结果发生奇变。 取样积分 (BOXCAR)与数字式平均方法 把每个信号周期分成若干个时间间隔(取决于要 基本思路： 求精度)，然后对这些时间间隔的信号进行取样，并将各 周期中处于相同位臵的取样值进行积分或平均。积分过程 常用模拟电路实现，称之为取样积分；平均过程常用计算 机以数字处理的方式实现，称之为数字式平均。 应用：物理、化学、生物医学、核磁共振等领域。
南京理工大学微弱信号检测思考题及答案
16 思考题（1）取样积分与锁定放大有何区别？对湮没于强白噪声中的周期信号，按照取样定理的要求进行的等间隔取样。
锁定放大电路利用相关检测技术，基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄带滤波的双重作用。
取样积分是对采样信号N项累加平均，即取样信号后再积分；牺牲时间提高信噪比；锁定放大利用相关检测技术，基于互相关定理（2）Boxcar定点型和扫描型的参数有何区别？定点工作方式是反复取样被测信号波形上某个特定时刻点的幅度；定点型用与检测信号波形上某一特定位置的幅度被测信号的利用率低。
扫描工作方式每个周期取样一次，取样点沿着被测波形周期从前向后逐次移动，可以用于恢复和记录被测信号的波形用于恢复和记录被测信号的波形。
被测信号的利用率高。
（3）白噪声是一种什么噪声？(第一讲，幻灯片51)白噪声是电子器件和电路中最常见的一种噪声，电阻的热噪声、PN结的散弹噪声都是白噪声。
白噪声的功率谱密度为常数，各种频率成分的强度相等，类似于光化学中的白光，因此称之为“白噪声”。
（4）1/f噪声、散粒噪声和热噪声是怎样产生的？如何表示？1、1/f噪声普遍存在于电子器件中，是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的。
广义上来说，凡是噪声功率谱密度与频率成反比的随机涨落均可称为1/f 噪声。
在电子管中称为闪烁噪声，在电阻中称为过量噪声，在半导体中也称为接触噪声，也被称为粉红噪声 其噪声功率谱密度表示为：21(),(/)a f I S f K f V Hz f β=∆在晶体管中， 1/f 噪声是由于载流子在半导体表面能态上产生与复合而引起的；在电阻中， 1/f 噪声是由于直流电流流过不连续介质而引起的。
所以，对于一个实际电阻来说，除了有基本的热噪声外，还存在低频噪声。
1/f 噪声与频率有关，是非白噪声，主要影响低频区。
2、散粒噪声在半导体器件中，当电荷载流子扩散通过pn 结或从阴极发射时，由于载流子运动速度的不一样引起电流波动，从而产生散粒噪声。
弱信号检测理论研究
微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱信号的一门技术。
所谓“微弱信号”可以从两个方面理解：其一指有用信号的幅度相对于噪声很微弱，如输入信号的信噪比为10-1、10-2以致10-4:；其二是指有用信号的幅度绝对值极小，如检测微伏、纳伏量级的电信号振幅。
微弱信号的检测通常有以下几种检测方法：窄带滤波法、双路消噪法、同步累积法、锁定接受法、相关检测法和取样积分法。
无论采用何种方法，任何微弱信号检测系统均须把传感器输入的弱信号进行放大,为使信号不被噪声淹没得更深，选用低噪声放大器是必要的。
在微弱信号检测系统中，前级放大时很重要的一个环节。
要想取得良好的检测效果，关键是要处理好以下几点：（1）直流成分的抑制，防止直流的输入造成运算放大器的饱和。
（2）信号的总谐波失真要小。
减少外界干扰对系统的影响前级运算放大器是微弱信号检测系统中的一个关键环节，它必须具有优越的噪声特性和极小的总谐波失真率的特点。
弱信号检测理论的途径：（2）降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；(2) 是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件；(3) 是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。
摘要：微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号，其关键在于抑制噪声。
恢复、增加和提取有用信号。
本文将从信号处理系统信噪比的改善来简单地论述微弱信号检测的原理．重点介绍了用相关检测法和取样积分法检测微弱信号的原理、方法和应用。
关键词：SNIR；微弱信号检测；噪声引言．随着现代科学研究和技术的发展，人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号，于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科，其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。
微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比，从而提取有用信号。
第五讲取样积分与数字式平均
• 2、频响特性
设输入信号为：
xi(t)=Vmexp(jt)；
则在t时刻的积分平均结果为：
V0
(t)
1 Tg
t
tT g Vm exp( jt')dt'
Vm
exp( jt jTg
)
[1
exp(
jTg
)]
xi (t)
jTg
[1
c os (Tg
• （梳状滤波器）
取样积分的工作方式
• (，
经过(很) 多个信号周期后，得到测量结果。
– ① 单点定点式
重复对信号周期内某固定时刻的波形取样 积分，即在每个周期都在同一位置取样。
– ②单点扫描式 取样积分器门延迟的时间缓慢而连续地改变，使 取样脉冲和相应触发脉冲之间的延时依次增加， 于是对每一个新的触发脉冲，取样脉冲缓慢移动， 逐次扫描整个输入信号。
i0
iT ) 0
• 这样输出的电压为：
u0
1 N
N -1
s(t0
i0
iT ) s(t0 )
即：积分器的输出u0是在t0时刻从x(t)中恢复出 来的真实信号s(t0)。
取样积分器的频域特性
• 很明显，取样积分器是一个取样系统，它 的系统函数是：
h(t)
1 N
N -1
NTg RC
把NT看成t： NT=t，代入上式得：
uo (t)
Vi
NTg RC
t NT
Vit Tg Vit RC T （ R ）C Tg /T
• 令D=Tg/T（K闭合时间的占空比），则等效 积分电阻为R/D，等效的积分常数为： Te=RC/D＝Tc/D=RCT/Tg＝TcT/Tg
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微弱信号检测取样积分
6.3取样积分在实际工程应用中信号通常是一个很复杂的宽带函数其中感兴趣的信号不一定全是正弦或方波有时不仅需要获得信号的振幅还希望获得信号的波形。
例如在很多科学研究中经常会遇到对淹没在噪声中的周期短脉冲波形的检测。
如生物医学中遇到的血流、脑电或心电信号测量、发光物质受激后所发出的荧光波形测量、核磁共振信号测量等。
这些信号的共同特点是信号微弱具有周期重复的短脉冲波形最短可到ps量级。
取样积分方法就是针对检测这类复杂宽带周期信号的波形检测而设计的。
这种方法能够把深埋在噪声中重复的微弱信号波形得以恢复并显示记录已经成为微弱信号检测的重要手段之一。
对淹没于噪声中的周期脉冲信号的测量主要是对波形的恢复。
必须在信号出现的时间内对信号进行等间隔采样采样时间间隔应符合采样定理的要求。
然后对这些信号进行多次采样并加以平均以期抑制混于信号中的噪声恢复脉冲信号各时刻的数值从而得到完整的波形恢复。
根据这种采样及积累平均原理制成的仪器称为取样积分器。
早在20世纪50年代初这种微弱信号检测方法已经提出最早的采样积分器是在1962年出现并命名为Boxcar。
目前模拟式取样积分器由于可以工作在很高的频率依然在许多领域有所应用。
而以计算机为核心的数字式取样积分器则逐渐成为主流在物理、化学、核磁共振、生物医学等领域中获得了广泛的应用。
6.3.1采样方法大体可分为两类实时采样和变换采样。
变换采样又分为时序变换采样随机变换采样两种。
所谓实时采样就是在被采样信号的一次有效持续时间内抽取复现原信号所必需全部采样信号。
在实时采样过程中采样脉冲的作用、采样过程以及信号的恢复是与被样信号在同一时间刻度上进行的。
由采样定理可知为了无失真地复现原信号采样频至少应为信号所包含的最高频率的2倍。
因此实时采样所需要的频率较高一般多用低频信号的处理。
对于短暂的时域信号实时采样难度较大。
单点取样积分器对信号每周或每重复出现一次采样并积分一次经过多次采样积分即平均得到该点信号的波形或特定点的幅值。
采用变换采样的工作方式。
又称为Boxcar积分器。
如果信号是重复的产生时刻是已知的就可采用取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号。
图6-22是一个简单取样积分器的基本原理框图由信号通道、参考通道和门积分器3个主要部分组成。
6.3.3前面所述的单点取样积分器是一种单点平均器通过步进脉冲的延时对信号进行多次扫描平均测量。
多点信号平均器是一种实时取样系统。
它采用实时采样方式在信号的一个周期内取样多点并逐点存储在相应的存储器中再将多个周期的取样结果进行累积、平均得到被测信号一个周期的全部信息。
多点信号平均器等效于大量单点取样积分器工作在定点工作方式在不同初始延时情况下并联使用。
因此可以节省测量时间提高测试的实时性。
数字式多点信号平均器的基本原理为首先选取一个采样同步脉
冲该同步脉冲必须与被测信号严格同步、同频或有固定的相差但频率相同。
若信号及同步脉冲的频率为f在每次扫描时间TT为待测信号的周期内对信号以等间隔进行N点采样采样频率为NX f然后进行M 次扫描即对信号连续采样M个周期共采得MX N个点后将这M次扫描周期内序号相同的点即在信号周期内相对位置相同的那些点的采样值分别相加再除以M即可得到N个点的幅值平均值。
这N个点仍为信号一个周期内均匀分布的点由这N个点构成的波形即为去噪后的信号波形。
显然M越大则信噪比改善越好。
而一周内采样的点N越多信号恢复得越逼真。
图6-36给出多点平均后输出的波形。
采用数字多点平均器的方法当MN足够大时可以把微弱信号从强噪声背景中检测、恢复出来。
这种数字多点平均技术对白噪声l/f噪声等都适用。
图6-37所示为一种典型的双通道数字多点信号平均器。
在同步触发和定时控制下通过采样保持线路按时间顺序对输人信号取样并经ADC转换为数字量存放于存储器的相应地址。
经多次取样累加平均获得信噪比的提高。
6-37ADC与单点取样积分器类似数字多点信号平均器有效的基本条件是①信号必须是周期性重复信号但其周期重复次数不一定要求是无限的②同步信号必须准确可靠地与测试信号同步、同频由同步信号倍频后得到的采样时钟信号能可靠地、等间隔地启动各周期内的N次采样而且能够保证M次扫描中采样间隔均相同各采样点在信号周期内的相对位置不变③各个周期内的采样点数N及扫描周期数M必须足够大④硬件检测电路必须有足够的采样速率同时采样时钟产生及控制电路应有较大
的灵活性以便在测试过程中不断调整采样间隔和扫描次数。
作为一个例子下面介绍一个为采用数字多点平均技术的光纤电流传感器。
光纤传感器是近年来发展起来的一种新型检测器。
它利用光纤在待测媒质中感受外界物理量的变化使光纤材料本身特性发生变化继而引起所传输光的特性如光强、相位、偏振态、模式或波长等发生变化从而可实现对物理量的检测。
光纤传感器种类繁多目前可作为加速度、速度、位移、压力、应变、温度、流量、流速、浓度、pH 值、电压、电流、磁、声、射线等70多种物理量的传感器可称为“万能”的传感器。
光纤电流传感器在发电、输电、变电等电力系统中特别是在超高压系统中有着重要的作用。
在电压、电流、功率等参数的测试过程中时常伴随着高压大电流及强电磁场的干扰。
此外还可能由于高压情况下绝缘不良而存在危险。
由于这些因素造成了用电学敏感元件来检测高电压、大电流的困难使其测试系统结构复杂、造价昂贵。
按光纤电流传感器的变化特性分类目前常用的有光强型、相位型和偏振态型等光纤传感器。
最常用的光纤电流传感器一般为偏振态型光纤传感器。
它是利用某些外界物理量的变化引起光纤中传感器的偏振光的偏振态变化的原理制成的。
光纤偏振态对电流敏感的基本原理是利用熔融石英光纤材料的法拉第旋光效应。
基于法拉第磁光效应的光纤电流传感器和基于普克尔Pockels或克尔Kerr效应的光纤电压传感器可以很好地解决超高压系统中的电气绝缘问题。
在这些应用场合为了使大气天电干扰最小通常采用单模光纤。
有关光纤电流传感器的详细原理读者可参考专业书籍。
简单来说光纤电流传感器的主要性能特点如下1电气绝缘性能好。
表面耐压可达4kV/cm且不受周围电磁场的干扰2几何形状适应性强。
由于光纤有柔性使用及放置均很方便3传输频带宽。
带宽与距离之积可达30MHz·km-10GHz·km4无可动部分、无电源可看做无源系统。
使用安全特别在易燃、易爆场合更为适用外界振动引起的强烈噪声干扰。
外界振动和冲击对光纤产生的压力会对光纤中传输的激光束产生消偏振或起偏振作用这种偏振态改变的结果相当于给光纤电流传感器的输出施加了强烈的噪声。
这种噪声不仅远大于其他噪声而且往往会强于有用信号的强度。
因此可以认为光纤电流传感器的输出信号完全被淹没于噪声之中了。
基于数字多点平均技术的光纤电流传感器检测电路如图6-38所示。
该电路是基于PC总线设计的。
图中包括两个通道信号通道和参考通道。
在信号通道中含有噪声的信号首先送入LH0084增益可编程运算放大器放大后的信号经一低通滤波器MF10 滤去高频噪声后才被送入采样保持器LF398 和模数转换器AD1671。
AD1671为美国AD公司生产的12位高速模数转换器其最大吞吐速率为1. 25Mbps.图中AD1671的输出接至FIFO先人先出的数据缓冲存储器DS2009 。
DS2009为512X9的FIFO存储器这里用了两片DS2009以满足AD1671的12位数据宽度要求。
8255的A口和B口用于读取FIFO的12位A/D转换结果C口作为状态及控制口。
参考通道主要是用来产生与原始信号同步、同频的同步脉冲并产生N倍频的采样时钟。
信号经运算放大器LM358 放大后送人比
较器LM311。
比较器的输出信号为与原信号同步、同频的方波该方波被送人由锁相环CD4046E和12位二进制异步计数器CD4040E构成的锁相倍频电路。
得到频率为NX f的采样时钟信号。
采样时钟信号送至采样时钟控制器及定时器8253。
采样时钟控制器主要用来控制管理A/D转换器AD1671及FIFO.这样进行采样时A/D转换的启动及转换结果存人FIFO的操作均由硬件逻辑完成而无须计算机干预。
PC机通过8255的A口和B口读取FIFO中的采样结果。
8253则用于对采样间隔进行测试以便在重建信号波形时使用。