CN104792409B - 一种高功率微波打火探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波打火探测系统，包括方波发生器、发光二极管、本底光传输光纤、至少一根弧光探测光纤、光电转换电路、信号放大电路、阈值电压产生电路、第一电压比较器和第二电压比较器；发光二极管、二极管、本底光传输光纤依次连接；本底光传输光纤的输出端置于本底光输入孔内，弧光探测光纤的输入端则置于弧光探测孔内；弧光探测光纤、光电转换电路、信号放大电路、阈值电压产生电路依次连接；而第一电压比较器和第二电压比较器的比较端连接信号放大电路，参考端连接阈值电压产生电路；本发明将本底光引入高功率微波系统，在实现打火探测的同时实现探测系统自检，在高功率微波打火探测系统的可靠性上面有极大的提高。

Description

一种高功率微波打火探测系统及方法

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，更具体地，涉及一种高功率微波打火探测系统及方法。

背景技术

高功率微波(功率在兆瓦量级)在产生和传输过程中，可能会因为拉弧而发生打火。打火发生后，微波会被打火形成的等离子体强烈反射，在高功率波源和打火点之间形成驻波。若不及时减小或关断波源输出，将会对微波传输系统和波源造成严重损坏。因此，在高功率微波系统中通常设计有打火监测及保护回路，一旦探测到系统波源内部或传输过程中发生打火，将在规定的时间(一般μs量级)内关断或减小系统的微波功率输出，以保证系统的安全可靠运行。

现有技术的打火探测系统可以检测打火，但不具备自检功能，不能实时监测打火探测系统自身的工作状态，当自身系统故障或探测光纤安放不当时不能上报故障，微波系统发生打火时无法及时做出反应，失去了对微波传输系统的可靠保护；且现有技术的打火探测系统的打火阈值需要手动逐一进行设置，工程应用极为不便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高功率微波打火探测系统和方法，其目的在于将本底光引入微波传输系统，将其作为参照进行自检，并在探测光强大于本底光强时判定为发生打火并触发保护，以解决微波打火探测系统不具备自检功能无法实现可靠保护的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高功率微波打火探测系统，用于对高功率微波系统进行打火探测，包括方波发生器、发光二极管、本底光传输光纤、至少一根弧光探测光纤、光电转换电路、信号放大电路、阈值电压产生电路、第一电压比较器和第二电压比较器；

发光二极管的输入端连接方波发生器的输出端；本底光传输光纤的输入端连接发光二极管的输出端，输出端置于高功率微波系统波导上的本底光输入孔内；弧光探测光纤的输入端均置于高功率微波系统波导上的弧光探测孔内；光电转换电路的输入端连接弧光探测光纤的输出端；信号放大电路的输入端连接光电转换电路的输出端；阈值电压产生电路的输入端连接信号放大电路的第一输出端；

第一电压比较器的同相输入端连接信号放大电路的第二输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路的第一输出端，输出端用于连接高功率微波系统的控制端；第二比较器的同相输入端连接信号放大电路的第三输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路的第二输出端；

其中，本底光输入孔是指设置在高功率微波系统波导上且位于波源窗上方的小孔，弧光探测孔是指设置在高功率微波系统波导上且位于本底光反射光路上的小孔；

其中，方波发生器用于产生频率与电压可调且频率在KHZ量级的方波信号；发光二极管用于将该方波信号转换为频率与光强可调的光信号，该光信号作为本底光经本底光传输光纤传输，照射到高功率微波系统的波源窗上，经波源窗反射后由弧光探测光纤捕捉到；其中，弧光探测光纤不止用于采集本底光，还用于采集打火弧光，采集到的本底光与打火弧光统称为探测光；

其中，光电转换电路用于将探测光的光强转换为电信号；信号放大电路用于放大该电信号以获取探测电压；由于本底光或打火弧光经过光电转换后生成的电信号十分微弱，因此需要将该电信号放大，便于后级处理；

其中，阈值电压产生电路用于根据标称电压生成打火阈值和自检阈值：打火阈值比标称电压高0.1V～0.2V，以防止误判；自检阈值比标称电压低0.1V～0.2V，以便于及时自检到系统故障；其中，标称电压是指：在高功率微波系统处于正常传输高功率微波的工作状态下，信号放大电路输出的电压；

其中，第一电压比较器用于将探测电压与打火阈值进行比较，并根据比较结果输出用于判定是否探测到打火弧光的电平信号；

其中，第二电压比较器用于将探测电压与自检阈值进行比较，并根据比较结果输出用于判定高功率微波打火探测系统是否存在故障的电平信号，实现探测系统自检。

优选的，阈值电压产生电路包括控制模块，用于根据标称电压自动调整打火阈值与自检阈值。

优选的，微波打火探测系统还包括光耦开关，光耦开关的输入端连接第二电压比较器的输出端，用于在高功率微波打火探测系统检测到自身故障时发送故障告警信号。

优选的，微波打火探测系统还包括光耦发光二极管，用作高功率微波打火探测系统的故障指示灯，其输入端连接第二电压比较器的输出端；发光表明高功率微波打火探探测系统正常，熄灭则表明高功率微波打火探探测系统故障；还可采用多色发光二极管作为高功率微波打火探测系统的故障指示灯。

按照本发明的另一方面，提供了一种高功率微波打火探测方法，基于上述高功率微波打火探测系统，引入本底光，以正常运行过程中的本底光强作为判定系统是否打火的参考信号，当监测到的光强大于本底光强时触发保护，具体如下：

(1)获取频率和电压幅值可调的方波信号；

(2)将上述方波信号转换为频率与方波相同且光强随方波电压幅值变化的本底光信号；

(3)本底光信号通过波源窗进入高功率微波系统，随高功率微波系统传输；在弧光探测点采集探测光；当未发生打火时，该探测光仅包括本底光，当发生打火，探测光则包括本底光和打火弧光；

(4)将探测光的光强转换为电压信号，并对该电压信号进行放大处理，获取探测电压；

(5)检测探测电压的电压值是否大于自检阈值，若是，则高功率微波打火探测系统工作正常；若否，则高功率微波打火探测系统故障；同步的，判断探测电压的电压值是否大于打火阈值，若是，则探测光强大于本底光强，且高功率微波系统发生了打火；若否，则高功率微波系统未发生打火。

优选地，在高功率微波系统处于开启但未传输高功率微波的状态下，给第一电压比较器(8)的反相端一个高电平，以避免第一电压比较器(8)误操作。

优选地，当检测到高功率微波打火探测系统故障，点亮系统故障指示灯，以便现场故障识别。

优选地，当检测到高功率微波系统发生打火，关断高功率微波源，以避免打火对高功率微波系统造成的损坏。

优选地，打火阈值与自检阈值根据标称电压自动调整：打火阈值比标称电压高0.1V～0.2V，以防止误判；自检阈值比标称电压低0.1V～0.2V，以便于及时自检到系统故障。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:

(1)由于本发明提供的高功率微波打火探测系统将本底光作为参照进行系统自检：通过判断是否捕捉到本底光，来判断该高功率微波打火探测系统自身是否存在故障，避免在高功率微波打火探测系统故障情况下失去对微波系统的保护，使得微波系统发生打火却未被探测到，导致微波源和传输系统损坏的后果，因此对微波系统的保护的可靠性上，有极大的提高；

(2)由于本发明提供的高功率微波打火探测系统的方波发生器产生的方波信号频率与电压可调，由此，经过光电转换得到的本地光的光强与频率可调；其中光强可调便于调节探测电压；频率可调便于将本底光与尖脉冲形态的打火弧光区分开；

(3)由于本发明提供的高功率微波打火探测系统的阈值电压产生电路包括控制模块，具有自动调整自检阈值和打火阈值的功能，因此在各类微波系统中的应用更广泛。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的高功率微波打火探测系统结构框图；

图2是本发明实施例2提供的高功率微波打火探测方法的流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为方波发生器、2为发光二极管、3为本底光传输光纤、4为弧光探测光纤、5为光电转换电路、6为信号放大电路、7为阈值电压产生电路、8为第一电压比较器、9为第二电压比较器、10为光耦开关、11为光耦发光二极管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例1提供的高功率微波探测打火系统包括方波发生器1、发光二极管2、本底光传输光纤3、弧光探测光纤4、光电转换电路5、信号放大电路6、阈值电压产生电路7、第一电压比较器8和第二电压比较器9；还包括光耦开关10和光耦发光二极管11；

发光二极管2的输入端连接方波发生器1；本底光传输光纤3的输入端连接发光二极管2，输出端置于本底光输入孔内；弧光探测光纤4的输入端置于弧光探测孔内；光电转换电路5的输入端连接弧光探测光纤；信号放大电路6的输入端连接光电转换电路5；阈值电压产生电路7的输入端连接信号放大电路6的第一输出端；第一电压比较器8的同相输入端连接信号放大电路6的第二输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路7的第一输出端，输出端用于连接高功率微波系统的控制端；第二比较器9的同相输入端连接信号放大电路6的第三输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路7的第二输出端；光耦开关10与光耦发光二极管11的输入端均连接第二电压比较器9的输出端。

以下结合实施例1具体描述本发明提供的高功率微波打火探测系统的工作原理：

由方波发生器1产生频率与幅度可调的方波信号，驱动发光二极管2，使之产生与于方波信号频率相同，光强可调的光信号，作为本底光，本底光通过本底光传输光纤3传输到高功率微波源窗附近，通过波源窗反射后，由弧光探测光纤4捕捉到；另外，若高功率微波源和传输系统存在打火，弧光探测光纤4也捕捉打火弧光；弧光探测光纤4采集到的探测光经由光电转换电路5转换为电信号，该电信号较弱，经由信号放大电路6进行放大处理，获取探测电压；探测系统无故障且高功率微波系统无打火的正常状态下的探测电压传输到阈值电压产生电路7，生成自检阈值与打火阈值；

工作状态下，第一电压比较器8将探测电压与打火阈值进行比较，以判定微波系统是否发生打火；第二比较器9将探测电压与自检阈值进行比较，以判定高功率微波打火探测系统自身是否存在故障；第一比较器8的输出端连接到了高功率微波系统的控制端；在非打火的状态下，第一电压比较器输出低电平；若发生打火，第一电压比较器输出高电平；高功率微波系统的控制端收到高电平则触发高功率微波源关断；

第二电压比较器9用于检测高功率微波打火探测系统是否存在故障：在探测系统正常工作状态，第二电压比较器9输出高电平，作用于光耦开关10和光耦发光二极管11，光耦开关10打开，输出一个信号给到高功率微波系统的远程界面，指示高功率微波打火探测系统正常工作的状态；光耦发光二极管11发光，指示系统正常；若高功率微波打火探测系统存在故障，信号放大电路6输出的探测电压低于自检阈值，第二电压比较器9输出低电平，光耦开关10关断；且光耦发光二极管11熄灭，指示探测系统故障。

如图2所示的，是本发明实施例2提供的高功率微波打火探测方法的流程图，具体如下：

(1)获取频率和电压幅值可调的方波信号；

(2)将上述方波信号转换为频率与方波相同且光强随方波电压幅值变化的本底光信号；

(3)本底光信号通过波源窗进入高功率微波系统，随高功率微波系统传输；在弧光探测点采集探测光；当未发生打火时，该探测光仅包括本底光，当发生打火，探测光则包括本底光和打火弧光；

(4)将探测光的光强转换为电压信号，并对该电压信号进行放大处理，获取探测电压；

(5)检测探测电压的电压值是否大于自检阈值，若是，则高功率微波打火探测系统工作正常；若否，则高功率微波打火探测系统故障；同步的，判断探测电压的电压值是否大于打火阈值，若是，则探测光强大于本底光强，且高功率微波系统发生了打火；若否，则高功率微波系统未发生打火。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高功率微波打火探测系统，用于对高功率微波系统进行打火探测，其特征在于，包括方波发生器(1)、发光二极管(2)、本底光传输光纤(3)、至少一根弧光探测光纤(4)、光电转换电路(5)、信号放大电路(6)、阈值电压产生电路(7)、第一电压比较器(8)和第二电压比较器(9)；

发光二极管(2)的输入端连接方波发生器(1)的输出端；本底光传输光纤(3)的输入端连接发光二极管(2)的输出端，输出端置于高功率微波系统波导上的本底光输入孔内；弧光探测光纤(4)的输入端均置于高功率微波系统波导上的弧光探测孔内；光电转换电路(5)的输入端连接弧光探测光纤(4)的输出端；信号放大电路(6)的输入端连接光电转换电路(5)的输出端；阈值电压产生电路(7)的输入端连接信号放大电路(6)的第一输出端；第一电压比较器(8)的同相输入端连接信号放大电路(6)的第二输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路(7)的第一输出端，输出端用于连接高功率微波系统的控制端；第二比较器(9)的同相输入端连接信号放大电路(6)的第三输出端，反相输入端连接阈值电压产生电路(7)的第二输出端；

所述方波发生器(1)用于产生频率与电压可调且频率在KHZ量级的方波信号；发光二极管(2)用于将所述方波信号转换为频率与光强可调的光信号，所述光信号作为本底光经本底光传输光纤(3)传输，照射到高功率微波系统的波源窗上，经波源窗反射后由弧光探测光纤(4)捕捉到；

所述光电转换电路(5)用于将探测光光强转换为电信号；信号放大电路(6)用于放大所述电信号以获取探测电压；

所述阈值电压产生电路(7)用于根据标称电压生成打火阈值和自检阈值，打火阈值比标称电压高0.1V～0.2V，自检阈值比标称电压低0.1V～0.2V；

所述第一电压比较器(8)用于将探测电压与打火阈值进行比较，并根据比较结果输出用于判定是否探测到打火弧光的电平信号；第二电压比较器(9)用于将探测电压与自检阈值进行比较，并根据比较结果输出用于判定高功率微波打火探测系统是否存在故障的电平信号，实现探测系统自检；

所述阈值电压产生电路(7)包括控制模块，用于根据标称电压自动调整打火阈值与自检阈值。

2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，还包括光耦开关(10)，光耦开关(10)的输入端连接第二电压比较器(9)的输出端；所述光耦开关(10)用于在高功率微波打火探测系统检测到自身故障时发送故障告警信号。

3.如权利要求1或2所述的探测系统，其特征在于，还包括光耦发光二极管(11)，用作高功率微波打火探测系统的故障指示灯，其输入端连接第二电压比较器(11)的输出端。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述的高功率微波打火探测系统的打火探测方法，其特征在于，以正常运行过程中的本底光强作为判定系统是否打火的参考信号，当监测到的探测光强大于本底光强时判定为发生打火，具体如下：

(1)获取频率和电压幅值可调的方波信号；

(2)将上述方波信号转换为频率与方波相同且光强随方波电压幅值变化的本底光信号；

(3)本底光信号通过波源窗进入高功率微波系统，随高功率微波系统传输；在弧光探测点采集探测光；当未发生打火时，该探测光仅包括本底光，当发生打火，探测光则包括本底光和打火弧光；

(4)将探测光的光强转换为电压信号，并对该电压信号进行放大处理，获取探测电压；

(5)检测探测电压的电压值是否大于自检阈值，若是，则高功率微波打火探测系统工作正常；若否，则高功率微波打火探测系统故障；同步的，判断探测电压的电压值是否大于打火阈值，若是，则探测光强大于本底光强，且高功率微波系统发生了打火；若否，则高功率微波系统未发生打火。

5.如权利要求4所述的打火探测方法，其特征在于，在高功率微波系统处于开启但未传输高功率微波的状态下，给第一电压比较器(8)的反相端一个高电平，以避免第一电压比较器(8)误操作。

6.如权利要求4或5所述的打火探测方法，其特征在于，当检测到高功率微波打火探测系统故障，点亮系统故障指示灯，以便现场故障识别。

7.如权利要求5或6所述的打火探测方法，其特征在于，当检测到高功率微波系统发生打火，关断高功率微波源，以避免打火对高功率微波系统造成的损坏。

8.如权利要求7所述的打火探测方法，其特征在于，所述打火阈值与自检阈值根据标称电压自动调整，打火阈值比标称电压高0.1V～0.2V；自检阈值比标称电压低0.1V～0.2V。