CN109444796A - 光纤电流传感器光路状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤电流传感器光路状态监测系统，监测点耦合器设置于光纤电流传感器光路中的第一光学器件和第二光学器件之间，监测点耦合器正向输入端与第一光学器件的第一输出端连接，其第二正向输出端与光开关的一个输入端连接，其反向输入端与第二光学器件的第二输出端连接，其第二反向输出端与光开关的另一输入端连接；光开关按照设定周期和设定顺序依次连通各输入端与输出端之间的光通路；状态监测探测器的输入端与光开关的输出端连接，状态监测探测器将光开关输出的光信号转换为对应的电信号并输出电信号。通过上述方案实现对光路本身的故障进行监测，保证光路故障监测的可靠性。

Description

光纤电流传感器光路状态监测系统

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，具体涉及一种光纤电流传感器光路状态监测系统。

背景技术

光纤电流传感器是一种基于法拉第磁光效应的无源电子式互感器，采用非介入式测量将被测电流以光信号的形式呈现出来并传送给相应的电路作进一步数据处理。

光纤电流传感器的原理结构框图如图1所示，宽谱光源101发出的光束经过耦合器102(或环行器)后的光束进入光纤电流传感器光之后经光路输出至探测器108进行探测。光束在光纤电流传感器光路中的传输过程具体包括：光束依次进入起偏器103和相位调制器104后变成偏振方向相互正交的两束线偏振光进入光纤延时环105，两束线偏振光分别沿光纤延时环105中保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两束正交模式的线偏振光经过λ/4波片106后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入敏感光纤环107中传播。载流导线中传输的电流产生磁场，在敏感光纤环107中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光产生相位差，经反射镜端面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)并沿原光路返回，再次通过敏感光纤环107时，两束圆偏振光再次受法拉第磁光效应影响，使之产生的相位差加倍。这两束圆偏振光返回时再次经过λ/4波片106，并分别恢复为线偏振光，然后在起偏器103块处两束线偏振光发生干涉。最后，携带由法拉第磁光效应产生的非互易相位差信息的光通过耦合器102(或环形器)到达探测器108并在此被转化为电信号。根据法拉第磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与光纤中两束光的相位差成正比，因此通过检测光的相位差信号可以计算出待测电流值。

但是，由于光纤电流传感器的光路结构复杂整条光路上使用到的光学器件繁多，导致光纤电流传感器在实际运行工况中故障频发。出现光路故障后，在不断开光路连接的前提下无法快速进行故障定位，而断开光路连接又会破坏故障现场，不利于光路故障分析，因此需在光路中增加辅助的状态监测方法，为光路故障分析提供数据支撑。

现有光纤电流传感器的光路状态监测方法是通过在图1所示耦合器102的一个分支处外接一光电转换器件监测光路中光源发射光功率的变化情况，然而其只能够监测到光源输出功率的变化情况也即只能监测到光源故障，而无法对后续光路的故障进行监测，因此这类方法在监测范围上具有局限性，可靠性差。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中光纤电流传感器光路状态监测系统在对光路故障进行监测时具有局限性、可靠性差的技术问题。

为此，本发明提供一种光纤电流传感器光路状态监测系统，包括监测点耦合器、光开关和状态监测探测器，其中：

所述监测点耦合器设置于光纤电流传感器光路中的第一光学器件和第二光学器件之间，所述第一光学器件和所述第二光学器件为光路中任意相邻两光学器件；

所述监测点耦合器，其正向输入端与所述第一光学器件的第一输出端连接，其第一正向输出端与所述第二光学器件的第一输入端连接，其第二正向输出端与所述光开关的一个输入端连接，其反向输入端与所述第二光学器件的第二输出端连接，其第一反向输出端与所述第一光学器件的第二输入端连接，其第二反向输出端与所述光开关的另一输入端连接；

所述光开关，按照设定周期和设定顺序依次连通各输入端与输出端之间的光通路；

所述状态监测探测器的输入端与所述光开关的输出端连接，所述状态监测探测器将所述光开关输出的光信号转换为对应的电信号并输出所述电信号。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中：

所述监测点耦合器包括多个，光纤电流传感器光路中每相邻两个光学器件之间均设置一个所述监测点耦合器；

所述光开关具有多个输入端，所述光开关的每一输入端均与一个所述监测点耦合器的所述第二正向输出端或第二反向输出端连接。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中：

所述监测点耦合器第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N大于1:1；

所述监测点耦合器第一反向输出端与第二反向输出端的分光等于N。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中：

所述监测点耦合器第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N＝90％：10％。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中：

所述光开关的一个输入端与光纤电流传感器的主光路耦合器的第二正向输出端连接；其中：

所述主光路耦合器，其正向输入端与光源的输出端连接，其第一正向输出端与所述光纤电流传感器光路的输入端连接，其反向输入端与所述光纤电流传感器光路的输出端连接，其反向输出端与探测器的输入端连接。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中，还包括控制模块：

所述控制模块预存有监测点耦合器输出信息与光开关的输入端序号的对应关系；其中监测点耦合器输出信息包括监测点耦合器的设置位置以及监测点耦合器输出信息对应的光束传输方向；

所述控制模块的输入端与所述状态监测探测器的输出端连接，接收所述状态监测探测器输出的电信号，将所述电信号与监测点耦合器输出信息关联后存储。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中，还包括故障提示电路：

所述故障提示电路的输入端与所述控制模块的输出端连接；

所述控制模块还预存有与监测点耦合器输出信息对应的理论电信号范围；若所述控制模块接收到的电信号值不在其对应的理论电信号范围内，则输出故障提示信号；

所述故障提示电路接收到所述故障提示信号后发出与监测点耦合器输出信息对应的报警提示信息。

可选地，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中：

所述故障提示电路包括数码管驱动电路和LED灯驱动电路；所述数码管驱动电路接收所述控制模块输出的故障提示信号后通过所述数码管显示光开关的输入端序号；所述LED灯驱动电路接收到所述控制模块输出的所述故障提示信号后按照设定频率闪烁。

本发明实施例所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，在任意两个相邻的光学器件之间接入监测点耦合器，通过监测点耦合器将光路中传输的部分光信号分束至光开关，并最终进入用于监测光路状态的状态监测探测器中。监测点耦合器的两个分束用的输出端口分别与光开关的一个输入端口相连接，通过光开关对光路中监测点耦合器的输出端口进行周期性扫描，获取光路中某一部位的光功率变化情况，实现对光路本身运行状态的在线监测。通过本发明的上述方案实现对光路本身的故障进行监测，并且根据实际情况能够对监测点耦合器的设置位置和设置数量进行调整，能够保证光路故障监测的可靠性和扩展性。

附图说明

图1是现有技术中光纤电流传感器的结构原理示意图；

图2是本发明一个实施例所述光纤电流传感器光路状态监测系统的结构示意图；

图3是本发明另一实施例所述光纤电流传感器光路状态监测系统的结构示意图；

图4是本发明另一实施例所述光纤电流传感器光路状态监测系统的结构示意图。

图5是本发明又一实施例所述光纤电流传感器光路状态监测系统的提示部分的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实施例中附图，对本发明中的技术方案进行示例描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种光纤电流传感器光路状态监测系统，如图2所示，包括监测点耦合器204、光开关208和状态监测探测器209，其中所述监测点耦合器204设置于光纤电流传感器光路中的第一光学器件和第二光学器件之间，所述第一光学器件和所述第二光学器件为光路中任意相邻两光学器件，如图中所示第一光学器件和第二光学器件可以分别为：起偏器203与相位调制器205，相位调制器205余光纤延时环206，光纤延时环206与敏感光纤环207。在实际应用中，监测点传感器204的设置位置和设置数量可以设定。优选在每两个光学器件之间均设置一个监测点耦合器204，如图2中所示。其中光路外部连接有宽谱光源201、主光路耦合器202和探测器210，由于这部分器件与现有技术的连接方式及工作原理并无调整，在此不再详细描述。

所述监测点耦合器204，其正向输入端与所述第一光学器件的第一输出端连接，其第一正向输出端与所述第二光学器件的第一输入端连接，其第二正向输出端与所述光开关208的一个输入端连接，其反向输入端与所述第二光学器件的第二输出端连接，其第一反向输出端与所述第一光学器件的第二输入端连接，其第二反向输出端与所述光开关208的另一输入端连接；所述光开关208，按照设定周期和设定顺序依次连通各输入端与输出端之间的光通路；所述状态监测探测器209的输入端与所述光开关208的输出端连接，所述状态监测探测器209将所述光开关208输出的光信号转换为对应的电信号并输出所述电信号。具体地，以起偏器203和相位调制器205之间接入监测点耦合器204为例，其中的光耦合器可采用现有技术中对称性的光耦合器实现即可，在光耦合器的每一侧均配置有一个输入端和两个输出端，在靠近起偏器203一侧，光耦合器的输入端用于接收起偏器203输出的光束，光耦合器的两个输出端用于将相位调制器205输出端的光束分为两束其中一束传送至起偏器203中，另一束传送至光开关208中。

对比图1和图2，可知本方案的关键点在于在光路中任意两个相邻的光学器件之间接入监测点耦合器204，通过监测点耦合器204将光路中传输的部分光信号分束至光开关208，并最终进入用于监测光路状态的状态监测探测器209中。通过光开关209对光路中监测点耦合器204的输出端口进行周期性扫描，获取光路中某一部位的光功率变化情况，实现对光路本身运行状态的在线监测。其中，上述涉及到的光学器件的连接方式以及光束在各光学模块中的传输原理可参考现有方案。

另外，上述方案中的光开关208采用的是现有1×N的多路光开关，其在工作时能够按照一定的周期和顺序依次导通各输入端与输出端之间的光通路，而现有光开关中，每一输入端均有其特定的唯一的序号，因此只要确定了监测点耦合器的设置位置，监测点耦合器输出端对应的光束传输方向，以及监测点耦合器输出端与光开关输入端序号的对应关系，就能够确定光开关输出的光信号是对应于当前哪一位置的哪一传输方向的，能够实现对光路中监测点处的光路信号传输故障进行监测。

另外，状态监测探测器209可以采用现有技术中已有的各种信号的光电探测器实现即可，可以根据宽谱光源201的光功率进行适应性的调整，光电探测器的灵敏度以能够探测到监测点耦合器分束出的光信号的功率为依据。

以上方案中，为了能够尽可能不影响光纤电流传感器的检测结果，其中监测点耦合器204中所分出的光信号所占比例较小，即所述监测点耦合器204第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N大于1:1；所述监测点耦合器204第一反向输出端与第二反向输出端的分光等于N。优选第，所述监测点耦合器第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N＝90％：10％。因此，监测点耦合器204分束出的光信号占原光信号的比例仅为10％，不会对光纤电流传感器的检测结果造成影响。

优选地，为了能够同时对光源输出功率的变化进行监测，如图2所示，所述光开关208的一个输入端与光纤电流传感器的主光路耦合器202的第二正向输出端连接；其中所述主光路耦合器202，其正向输入端与光源(图中所示宽谱光源201)的输出端连接，其第一正向输出端与所述光纤电流传感器光路的输入端连接(图中所示起偏器203的一个输入端)，其反向输入端与所述光纤电流传感器光路的输出端(图中所示起偏器203的一个输出端)连接，其反向输出端与探测器210的输入端连接。采用上述方案能够同时对光源输出功率进行监控，并且对光路中任意相邻两光学器件之间的光路输出信号进行监控，保证了光纤电流传感器整个光信号传输过程中故障监控的完备性和可靠性。

另外，本实施例中还提供了图3所示的光纤电流传感器的Y波导光路光功率实时监测原理图，其中具体的监测原理与图2相同，不同之处在于光路中采用的是Y波导相位调制器303替代了起偏器203，采用偏振合束器305替代了相位调制器205，Y波导光路的光束传输原理与现有技术中Y波导光路的光束传输原理相同，在此不再赘述。

图4所示为光纤电流传感器的直波导光路光功率实时监测原理图，其中具体的监测原理与图2相同，其中图2中的相位调制器优选为直波导相位调制器405，其余部分光束传输原理与现有技术相同。

由此可见，本实施例提供的上述方案能够适用于光纤电流传感器的各种光路形式。

实施例2

本实施例提供一种光纤电流传感器光路状态监测系统，在实施例1各方案的基础上还包括控制模块，所述控制模块预存有监测点耦合器输出信息与光开关的输入端序号的对应关系；其中监测点耦合器输出信息包括监测点耦合器的设置位置以及监测点耦合器输出信息对应的光束传输方向。如图5，所述控制模块211的输入端与所述状态监测探测器209的输出端连接，接收所述状态监测探测器209输出的电信号，将所述电信号与监测点耦合器输出信息关联后存储。所述控制模块211可采用现有技术中的MCU、PLC等模块实现，其具有存储数据和简单的数据处理功能，数据存储可以数据表的形式实现。例如，监测点耦合器具有编号相应地其第二正向输出端和第二反向输出端也各分配一个编号，监测点耦合器的设置位置是确定的，设置位置可以采用编码的方式表示，光开关的输入端具有序号，以上数据分别对应地存入到数据表中即可，当光开关在扫描输入端的光信号过程中，控制模块接收到最终输出的电信号，能够通过简单的查表法即可确定任何时刻下其接收到的电信号是对应哪一位置及哪一方向的。由此实现了对光路中任意不同位置的光信号故障监测。

进一步地，如图5所示，上述的光纤电流传感器光路状态监测系统中，还包括故障提示电路212，所述故障提示电路212的输入端与所述控制模块211的输出端连接；所述控制模块211还预存有与监测点耦合器204输出信息对应的理论电信号范围；所述理论电信号范围可以根据历史经验值确定并赋予一定的冗余以避免误判。若所述控制模块211接收到的电信号值不在其对应的理论电信号范围内，则输出故障提示信号；所述故障提示电路212接收到所述故障提示信号后发出与监测点耦合器204输出信息对应的报警提示信息。优选地，所述故障提示电路212包括数码管驱动电路和LED灯驱动电路；所述数码管驱动电路接收所述控制模块211输出的故障提示信号后通过所述数码管显示光开关的输入端序号；所述LED灯驱动电路接收到所述控制模块211输出的所述故障提示信号后按照设定频率闪烁。由此能够方便地提示光开关的哪一输入端口出现问题，相应地可以确定是光路中哪一位置出现了故障。由此通过光开关和监测点耦合器实现了光纤电流传感器光路光功率实时监测、故障预警、故障定位的全方位保障。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于，包括监测点耦合器、光开关和状态监测探测器，其中：

所述监测点耦合器设置于光纤电流传感器光路中的第一光学器件和第二光学器件之间，所述第一光学器件和所述第二光学器件为光路中任意相邻两光学器件；

所述监测点耦合器，其正向输入端与所述第一光学器件的第一输出端连接，其第一正向输出端与所述第二光学器件的第一输入端连接，其第二正向输出端与所述光开关的一个输入端连接，其反向输入端与所述第二光学器件的第二输出端连接，其第一反向输出端与所述第一光学器件的第二输入端连接，其第二反向输出端与所述光开关的另一输入端连接；

所述光开关，按照设定周期和设定顺序依次连通各输入端与输出端之间的光通路；

所述状态监测探测器的输入端与所述光开关的输出端连接，所述状态监测探测器将所述光开关输出的光信号转换为对应的电信号并输出所述电信号。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于：

所述监测点耦合器包括多个，光纤电流传感器光路中每相邻两个光学器件之间均设置一个所述监测点耦合器；

所述光开关具有多个输入端，所述光开关的每一输入端均与一个所述监测点耦合器的所述第二正向输出端或第二反向输出端连接。

3.根据权利要求2所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于：

所述监测点耦合器第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N大于1:1；

所述监测点耦合器第一反向输出端与第二反向输出端的分光等于N。

4.根据权利要求3所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于：

所述监测点耦合器第一正向输出端与第二正向输出端的分光比N＝90％：10％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于：

所述光开关的一个输入端与光纤电流传感器的主光路耦合器的第二正向输出端连接；其中：

所述主光路耦合器，其正向输入端与光源的输出端连接，其第一正向输出端与所述光纤电流传感器光路的输入端连接，其反向输入端与所述光纤电流传感器光路的输出端连接，其反向输出端与探测器的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于，还包括控制模块：

所述控制模块预存有监测点耦合器输出信息与光开关的输入端序号的对应关系；其中监测点耦合器输出信息包括监测点耦合器的设置位置以及监测点耦合器输出信息对应的光束传输方向；

所述控制模块的输入端与所述状态监测探测器的输出端连接，接收所述状态监测探测器输出的电信号，将所述电信号与监测点耦合器输出信息关联后存储。

7.根据权利要求6所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于，还包括故障提示电路：

所述故障提示电路的输入端与所述控制模块的输出端连接；

所述控制模块还预存有与监测点耦合器输出信息对应的理论电信号范围；若所述控制模块接收到的电信号值不在其对应的理论电信号范围内，则输出故障提示信号；

所述故障提示电路接收到所述故障提示信号后发出与监测点耦合器输出信息对应的报警提示信息。

8.根据权利要求7所述的光纤电流传感器光路状态监测系统，其特征在于：

所述故障提示电路包括数码管驱动电路和LED灯驱动电路；所述数码管驱动电路接收所述控制模块输出的故障提示信号后通过所述数码管显示光开关的输入端序号；所述LED灯驱动电路接收到所述控制模块输出的所述故障提示信号后按照设定频率闪烁。