【光纤电流传感器故障诊断方法探析综述2600字】

光纤电流传感器故障诊断方法分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u30625光纤电流传感器故障诊断方法分析综述 1112771.1.1故障与光纤光功率的联系 1300161.1.2光纤电流传感器故障诊断原理 2故障与光纤光功率的联系光纤电流传感器中的光路部分器件众多，偏振光在传输的过程中不可避免会出现损耗。光纤的损耗是指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示。光在通过光纤传输的过程中，光功率会受损。也就是传输时光波不能整体全部通过光纤，其中部分光波会受到其中一些物质的阻挡或者从光纤中散射出去。这就是光纤的传输损耗。光纤的损耗包括固有损耗和附加损耗，固有损耗是指光纤先天的特性造成的损耗，附加损耗是指因后天使用不当而造成的损耗，固有损耗无法避免而附加损耗可以避免。其中附加损耗为造成光纤电流传感器故障的常见因素。除了上述两种损耗可能造成的故障，光纤电流传感器的故障类型还有光源故障、光器件故障、电路故障等等，其中光源故障表现为随着使用年限的增长，光源的电源电路老化，导致光源输出光功率过小。光器件的性能受温度的影响较大，光器件一般的正常工作温度范围为-5℃至70℃，当温度超出正常工作范围时光器件的性能会发生较大的劣化，导致传输光信号质量下降从而使测量精度降低，造成故障。光路出现故障的概率较小，但也不排除因为使用年限的上升而导致电路老化。这些故障的共同点反映在都会对光功率造成影响，因此通过检测光路中的光功率的变化能及时检测光纤电流传感器的运行状况。构成光纤电流传感器的光路器件包括光源、直波导、耦合器、探测器、光纤环等，如图3-1所示。除了上述分析的光损之外，温度的变化也会影响到这些器件，从而引起光路中光功率的变化。在参考文献[34]中，作者进行了光源光功率和温度的关系的实验，得到了温度变大，光功率变小，器件零偏漂移增大的结论。以上分析了引起光功率变化的主要因素，主要包括光纤的传输损耗以及温度的影响，组成光纤电流传感器的器件众多，无法检测每个器件的工作状况，但是共同点是一旦光器件出现了问题，均将无法正常对光路进行传输，且能够反映在光功率的变化上，因此可以通过检测光功率来监测光纤电流传感器是否正常[35]。以下提出了一种测量传感器光路光功率的方法。光纤电流传感器故障诊断原理根据已有的光纤电流传感器故障诊断方法，发现故障诊断的难点为在不影响测量精度和测量效率的前提下获得一种实施性较高的获得光纤中光功率的方法。针对目前遇到的难点，本文在此重点提出了一种计算光纤光功率的方法，该方法的原理为利用光纤电流传感器偏置调制解调电路，在不增加光路损耗、不影响测量精度和测量效率的基础下计算得到光纤中的光功率值，达到故障诊断的目的。光纤电流传感器的测量原理为偏振光干涉测量原理，即测量两束相干光波的光程差所导致的干涉条纹的移动。通过干涉条纹的移动变化可测量光程微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。光纤电流传感器的系统框图如图3-2所示。图中揭示了偏振反射干涉型FOCS的工作原理，简述如下。光从光源开始，经过光纤耦合器后，在光纤起偏器处由非偏振光变为线性偏振光。偏振器的尾纤和相位调制器的尾纤在45°角处熔合，线偏振光以45°角注入PM光纤，并沿PM光纤的延迟线圈传输。两个正交模的线偏振光通过λ/4波片后，分别成为左圆偏振光和右圆偏振光，并传播到传感光纤线圈中。载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，导致两个圆偏振光之间的相位差。两束圆偏振光经反射器反射后，偏振模式互换（即左圆偏振光变为右圆偏振光，右圆偏振光变为左圆偏振光）。再通过传感光纤线圈后，由于法拉第磁光效应的影响，两束光产生的相位差增加了一倍。两束光束再次通过λ/4波片后，返回线偏振光，在偏振器处发生干涉。相位差为Δφ的光功率分别为I1、I2的两束光波的干涉的一般公式为：（3-1）而在光纤电流传感器中，干涉光为同一个光源发出，且经过的回路也相同，所以两束干涉光的光功率相等，即I1=I2，则在光纤电流传感器中的光干涉公式为：（3-2）上式中的余弦函数在零点附近的线性度较差，为了提高效应的线性度，在法拉第相移的基础上施加一个偏置角度：（3-3）式中：I0=2I1反映了光纤中的传输光的光功率；φb——所加的偏置角度，也即方波调制的幅值；φs——磁光效应引起偏转角。当偏置角为π/2时，余弦函数转换为正弦函数，此时在零点附近斜率最大，测量精度也最高，即φb取±π/2，在正半周期时φb取+π/2，负半周期时取-π/2，即得到正半周期的方波调制信号为:（3-4）负半周期的方波调制信号为:（3-5）光纤电流传感器的方波调制解调原理为令式（3-5）减去式（3-4），得到式（3-6）如下：（3-6）由法拉第磁光效应和安培环路定律得到偏转角φs和待测电流的大小成正比，因此由干涉光的光功率经过电路处理后能得到待测电流的大小，这也是光纤电流传感器解调的原理，由此原理启发出故障诊断的原理。若对式（3-5）和式（3-4）进行相加，则得到式（3-7）如下：（3-7）其中I0反映了光纤中传输光的光功率，相加之后得到反映光路中光功率的量，相加处理是在图中的数字信号处理单元进行的，进入数字信号处理单元之前需要经过前置运放、滤波和A/D转换器，为了使信号能够进入AD采样范围并且能采样到正确信号，对电路需要一定的要求，接下来分析对电路所进行的改进。从光电探测器到数据处理模块的电路改进图如下图3-3所示。干涉光经过光电探测器之后由光信号转变为和其成正比的电信号，具体为光功率乘以响应度转变为电信号，假设响应度为常数K，单位为v/μW，则得到的电信号为：（3-8）当输入光功率为零时，光电探测器输出一电压常值，即无光电压，用U0表示，则可得光电探测器总输出为：（3-9）信号调节模块产生一电压常量，使信号经过运算放大器构成的加法电路后在AD采样范围内。设信号调节模块产生的电压常量为Ua。运算放大器模块对光电探测器和信号调节模块的信号进行相加，得到输出信号（3-10）在正半周期时，φb=+π/2，此时耦合信号W为:（3-11）在负半周期时，φb=-π/2，此时耦合信号W为:（3-12）AD采样模块采集相邻的W正、W负后输送到信号处理模块中进行处理，信号处理模块再对得到的数值进行相加处理，得到只含直流量的值。必须在两个相邻的半周期上进行信号采集，是因为相邻的半周期信号之间