【光纖電流傳感器故障診斷方法探析綜述2600字】

光纖電流傳感器故障診斷方法分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u30625光纖電流傳感器故障診斷方法分析綜述 1112771.1.1故障與光纖光功率的聯(lián)系 1300161.1.2光纖電流傳感器故障診斷原理 2故障與光纖光功率的聯(lián)系光纖電流傳感器中的光路部分器件眾多，偏振光在傳輸?shù)倪^(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)損耗。光纖的損耗是指光信號(hào)功率傳輸每單位長(zhǎng)度衰減的程度,用分貝/公里(dB/km)表示。光在通過(guò)光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中，光功率會(huì)受損。也就是傳輸時(shí)光波不能整體全部通過(guò)光纖，其中部分光波會(huì)受到其中一些物質(zhì)的阻擋或者從光纖中散射出去。這就是光纖的傳輸損耗。光纖的損耗包括固有損耗和附加損耗，固有損耗是指光纖先天的特性造成的損耗，附加損耗是指因后天使用不當(dāng)而造成的損耗，固有損耗無(wú)法避免而附加損耗可以避免。其中附加損耗為造成光纖電流傳感器故障的常見(jiàn)因素。除了上述兩種損耗可能造成的故障，光纖電流傳感器的故障類(lèi)型還有光源故障、光器件故障、電路故障等等，其中光源故障表現(xiàn)為隨著使用年限的增長(zhǎng)，光源的電源電路老化，導(dǎo)致光源輸出光功率過(guò)小。光器件的性能受溫度的影響較大，光器件一般的正常工作溫度范圍為-5℃至70℃，當(dāng)溫度超出正常工作范圍時(shí)光器件的性能會(huì)發(fā)生較大的劣化，導(dǎo)致傳輸光信號(hào)質(zhì)量下降從而使測(cè)量精度降低，造成故障。光路出現(xiàn)故障的概率較小，但也不排除因?yàn)槭褂媚晗薜纳仙鴮?dǎo)致電路老化。這些故障的共同點(diǎn)反映在都會(huì)對(duì)光功率造成影響，因此通過(guò)檢測(cè)光路中的光功率的變化能及時(shí)檢測(cè)光纖電流傳感器的運(yùn)行狀況。構(gòu)成光纖電流傳感器的光路器件包括光源、直波導(dǎo)、耦合器、探測(cè)器、光纖環(huán)等，如圖3-1所示。除了上述分析的光損之外，溫度的變化也會(huì)影響到這些器件，從而引起光路中光功率的變化。在參考文獻(xiàn)[34]中，作者進(jìn)行了光源光功率和溫度的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，得到了溫度變大，光功率變小，器件零偏漂移增大的結(jié)論。以上分析了引起光功率變化的主要因素，主要包括光纖的傳輸損耗以及溫度的影響，組成光纖電流傳感器的器件眾多，無(wú)法檢測(cè)每個(gè)器件的工作狀況，但是共同點(diǎn)是一旦光器件出現(xiàn)了問(wèn)題，均將無(wú)法正常對(duì)光路進(jìn)行傳輸，且能夠反映在光功率的變化上，因此可以通過(guò)檢測(cè)光功率來(lái)監(jiān)測(cè)光纖電流傳感器是否正常[35]。以下提出了一種測(cè)量傳感器光路光功率的方法。光纖電流傳感器故障診斷原理根據(jù)已有的光纖電流傳感器故障診斷方法，發(fā)現(xiàn)故障診斷的難點(diǎn)為在不影響測(cè)量精度和測(cè)量效率的前提下獲得一種實(shí)施性較高的獲得光纖中光功率的方法。針對(duì)目前遇到的難點(diǎn)，本文在此重點(diǎn)提出了一種計(jì)算光纖光功率的方法，該方法的原理為利用光纖電流傳感器偏置調(diào)制解調(diào)電路，在不增加光路損耗、不影響測(cè)量精度和測(cè)量效率的基礎(chǔ)下計(jì)算得到光纖中的光功率值，達(dá)到故障診斷的目的。光纖電流傳感器的測(cè)量原理為偏振光干涉測(cè)量原理，即測(cè)量?jī)墒喔晒獠ǖ墓獬滩钏鶎?dǎo)致的干涉條紋的移動(dòng)。通過(guò)干涉條紋的移動(dòng)變化可測(cè)量光程微小改變量，從而測(cè)得與此有關(guān)的其他物理量。光纖電流傳感器的系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。圖中揭示了偏振反射干涉型FOCS的工作原理，簡(jiǎn)述如下。光從光源開(kāi)始，經(jīng)過(guò)光纖耦合器后，在光纖起偏器處由非偏振光變?yōu)榫€性偏振光。偏振器的尾纖和相位調(diào)制器的尾纖在45°角處熔合，線偏振光以45°角注入PM光纖，并沿PM光纖的延遲線圈傳輸。兩個(gè)正交模的線偏振光通過(guò)λ/4波片后，分別成為左圓偏振光和右圓偏振光，并傳播到傳感光纖線圈中。載流導(dǎo)線中傳輸?shù)碾娏鳟a(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖中產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)，導(dǎo)致兩個(gè)圓偏振光之間的相位差。兩束圓偏振光經(jīng)反射器反射后，偏振模式互換（即左圓偏振光變?yōu)橛覉A偏振光，右圓偏振光變?yōu)樽髨A偏振光）。再通過(guò)傳感光纖線圈后，由于法拉第磁光效應(yīng)的影響，兩束光產(chǎn)生的相位差增加了一倍。兩束光束再次通過(guò)λ/4波片后，返回線偏振光，在偏振器處發(fā)生干涉。相位差為Δφ的光功率分別為I1、I2的兩束光波的干涉的一般公式為：（3-1）而在光纖電流傳感器中，干涉光為同一個(gè)光源發(fā)出，且經(jīng)過(guò)的回路也相同，所以兩束干涉光的光功率相等，即I1=I2，則在光纖電流傳感器中的光干涉公式為：（3-2）上式中的余弦函數(shù)在零點(diǎn)附近的線性度較差，為了提高效應(yīng)的線性度，在法拉第相移的基礎(chǔ)上施加一個(gè)偏置角度：（3-3）式中：I0=2I1反映了光纖中的傳輸光的光功率；φb——所加的偏置角度，也即方波調(diào)制的幅值；φs——磁光效應(yīng)引起偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)偏置角為π/2時(shí)，余弦函數(shù)轉(zhuǎn)換為正弦函數(shù)，此時(shí)在零點(diǎn)附近斜率最大，測(cè)量精度也最高，即φb取±π/2，在正半周期時(shí)φb取+π/2，負(fù)半周期時(shí)取-π/2，即得到正半周期的方波調(diào)制信號(hào)為:（3-4）負(fù)半周期的方波調(diào)制信號(hào)為:（3-5）光纖電流傳感器的方波調(diào)制解調(diào)原理為令式（3-5）減去式（3-4），得到式（3-6）如下：（3-6）由法拉第磁光效應(yīng)和安培環(huán)路定律得到偏轉(zhuǎn)角φs和待測(cè)電流的大小成正比，因此由干涉光的光功率經(jīng)過(guò)電路處理后能得到待測(cè)電流的大小，這也是光纖電流傳感器解調(diào)的原理，由此原理啟發(fā)出故障診斷的原理。若對(duì)式（3-5）和式（3-4）進(jìn)行相加，則得到式（3-7）如下：（3-7）其中I0反映了光纖中傳輸光的光功率，相加之后得到反映光路中光功率的量，相加處理是在圖中的數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行的，進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理單元之前需要經(jīng)過(guò)前置運(yùn)放、濾波和A/D轉(zhuǎn)換器，為了使信號(hào)能夠進(jìn)入AD采樣范圍并且能采樣到正確信號(hào)，對(duì)電路需要一定的要求，接下來(lái)分析對(duì)電路所進(jìn)行的改進(jìn)。從光電探測(cè)器到數(shù)據(jù)處理模塊的電路改進(jìn)圖如下圖3-3所示。干涉光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器之后由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹推涑烧鹊碾娦盘?hào)，具體為光功率乘以響應(yīng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，假設(shè)響應(yīng)度為常數(shù)K，單位為v/μW，則得到的電信號(hào)為：（3-8）當(dāng)輸入光功率為零時(shí)，光電探測(cè)器輸出一電壓常值，即無(wú)光電壓，用U0表示，則可得光電探測(cè)器總輸出為：（3-9）信號(hào)調(diào)節(jié)模塊產(chǎn)生一電壓常量，使信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成的加法電路后在AD采樣范圍內(nèi)。設(shè)信號(hào)調(diào)節(jié)模塊產(chǎn)生的電壓常量為Ua。運(yùn)算放大器模塊對(duì)光電探測(cè)器和信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的信號(hào)進(jìn)行相加，得到輸出信號(hào)（3-10）在正半周期時(shí)，φb=+π/2，此時(shí)耦合信號(hào)W為:（3-11）在負(fù)半周期時(shí)，φb=-π/2，此時(shí)耦合信號(hào)W為:（3-12）AD采樣模塊采集相鄰的W正、W負(fù)后輸送到信號(hào)處理模塊中進(jìn)行處理，信號(hào)處理模塊再對(duì)得到的數(shù)值進(jìn)行相加處理，得到只含直流量的值。必須在兩個(gè)相鄰的半周期上進(jìn)行信號(hào)采集，是因?yàn)橄噜彽陌胫芷谛盘?hào)之間