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系光纖電流傳感器中的光路部分器件眾多，偏振光在傳輸的過程中不可避免會出現損耗。光纖的損耗是指光信號功率傳輸每單位長度衰減的程度,用分貝/公里(dB/km)表示。光在通過光纖傳輸的過程中，光功率會受損。也就是傳輸時光波不能整體全部通過光纖，其中部分光波會受到其中一些物質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而造成的損耗，固有損耗無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，其中光源故障表現為隨著使用年限的增長，光源的電源電路老化，導致光源輸出光功率過小。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℃，當溫度超出正常工作范圍時光器件的性能會發生較大的劣化，導致傳輸光信號質量下降從而使測量精度降低，造成故障。光路出現故障的概率較小，但也不排除因為使用年限的上升而導致電路老化。這些故障的共同點反映在都會對光功率造成影響，因此通過檢測光路中的光功率的變化能及時檢測光纖電流傳感器的運行狀況。構成光纖電流傳感器的光路器件包括光源、直波導、耦合器、探測器、光纖環等，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[34]中，作者進行了光源光功率和溫度的關系的實驗，得到了溫度變大，光功率變小，器件零偏漂移增大的結論。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，無法檢測每個器件的工作狀況，但是共同點是一旦光器件出現了問題，均將無法正常對光路進行傳輸，且能夠反映在光功率的變化上，因此可以通過檢測光功率來監測光纖電流傳感器是否正常[35]。以下提出了一種測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已有的光纖電流傳感器故障診斷方法，發現故障診斷的難點為在不影響測量精度和測量效率的前提下獲得一種實施性較高的獲得光纖中光功率的方法。針對目前遇到的難點，本文在此重點提出了一種計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制解調電路，在不增加光路損耗、不影響測量精度和測量效率的基礎下計算得到光纖中的光功率值，達到故障診斷的目的。光纖電流傳感器的測量原理為偏振光干涉測量原理，即測量兩束相干光波的光程差所導致的干涉條紋的移動。通過干涉條紋的移動變化可測量光程微小改變量，從而測得與此有關的其他物理量。光纖電流傳感器的系統框圖如圖3-2所示。圖中揭示了偏振反射干涉型FOCS的工作原理，簡述如下。光從光源開始，經過光纖耦合器后，在光纖起偏器處由非偏振光變為線性偏振光。偏振器的尾纖和相位調制器的尾纖在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。兩個正交模的線偏振光通過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。載流導線中傳輸的電流產生磁場，在傳感光纖中產生法拉第磁光效應，導致兩個圓偏振光之間的相位差。兩束圓偏振光經反射器反射后，偏振模式互換（即左圓偏振光變為右圓偏振光，右圓偏振光變為左圓偏振光）。再通過傳感光纖線圈后，由于法拉第磁光效應的影響，兩束光產生的相位差增加了一倍。兩束光束再次通過λ/4波片后，返回線偏振光，在偏振器處發生干涉。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，干涉光為同一個光源發出，且經過的回路也相同，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）上式中的余弦函數在零點附近的線性度較差，為了提高效應的線性度，在法拉第相移的基礎上施加一個偏置角度：（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，也即方波調制的幅值；φs——磁光效應引起偏轉角。當偏置角為π/2時，余弦函數轉換為正弦函數，此時在零點附近斜率最大，測量精度也最高，即φb取±π/2，在正半周期時φb取+π/2，負半周期時取-π/2，即得到正半周期的方波調制信號為:（3-4）負半周期的方波調制信號為:（3-5）光纖電流傳感器的方波調制解調原理為令式（3-5）減去式（3-4），得到式（3-6）如下：（3-6）由法拉第磁光效應和安培環路定律得到偏轉角φs和待測電流的大小成正比，因此由干涉光的光功率經過電路處理后能得到待測電流的大小，這也是光纖電流傳感器解調的原理，由此原理啟發出故障診斷的原理。若對式（3-5）和式（3-4）進行相加，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字信號處理單元進行的，進入數字信號處理單元之前需要經過前置運放、濾波和A/D轉換器，為了使信號能夠進入AD采樣范圍并且能采樣到正確信號，對電路需要一定的要求，接下來分析對電路所進行的改進。從光電探測器到數據處理模塊的電路改進圖如下圖3-3所示。干涉光經過光電探測器之后由光信號轉變為和其成正比的電信號，具體為光功率乘以響應度轉變為電信號，假設響應度為常數K，單位為v/μW，則得到的電信號為：（3-8）當輸入光功率為零時，光電探測器輸出一電壓常值，即無光電壓，用U0表示，則可得光電探測器總輸出為：（3-9）信號調節模塊產生一電壓常量，使信號經過運算放大器構成的加法電路后在AD采樣范圍內。設信號調節模塊產生的電壓常量為Ua。運算放大器模塊對光電探測器和信號調節模塊的信號進行相加，得到輸出信號（3-10）在正半周期時，φb=+π/2，此時耦合信號W為:（3-11）在負半周期時，φb=-π/2，此時耦合信號W為:（3-12）AD采樣模塊采集相鄰的W正、W負后輸送到信號處理模塊中進行處理，信號處理模塊再對得到的數值進行相加處理，得到只含直流量的值。必須在兩個相鄰的半周期上進行信號采集，是因為相鄰的半周期信號之間