CN207007995U - 一种长距离光纤弧光传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长距离光纤弧光传感器，包括信号光收发模块、供能激光二极管、驱动电路、光路控制器件、光电池、信号处理模块和光电探测器；信号光收发模块的双向光端口和光路控制器件的双向光端口连接，光路控制器件的输入电端口和信号处理模块的输出电端口连接；驱动电路的输出电端口和供能激光二极管的输入电端口连接，供能激光二极管的输出光端口和光电池的输入光端口连接，光电池的输出电端口和信号处理模块的电源输入端口连接，信号处理模块的输入电端口和光电探测器的输出电端口连接。该传感器可实时监测电力设备短路时产生的弧光，采用光纤作为信号传输介质，可靠性高，工作距离可以达到百米级，解决光纤传感器工程敷设难题。

Description

一种长距离光纤弧光传感器

技术领域

本实用新型属于电力系统弧光保护传感技术领域，具体来说，涉及一种长距离光纤弧光传感器。

背景技术

近年来，随着国内电力工业的高速发展，中低压开关柜的应用数量越来越多。开关柜内部电弧光短路是一种频发性、灾难性故障，越来越严重地威胁着电力设备的安全运行。因此，采取有效的弧光保护措施，对提高电力系统的安全性，具有重大意义。

开关柜弧光保护系统在探测出弧光时，可以在极短的时间内切断回路，从而保证电力设备的安全。因此，设计弧光探测传感器实现对弧光保护非常重要。目前，弧光传感器主要分为两种：传统的弧光传感器采用紫外光电二极管作为弧光传感探头。当出现弧光时，通过导通24V电压或电流信号，使接收端获得弧光信息。该方案采用的弧光探头具有简单、可靠和廉价的优点，但是在实际使用时，电线容易受外界干扰。另一种采用光纤作为弧光信号的传输介质，通过弧光探头将弧光信号经过光纤送达远端信号采集。该方案不受电磁干扰，可靠性高。但是由于弧光探头与光纤耦合效率低以及光纤损耗等问题，在光纤中传输的弧光信号较为微弱，导致弧光在光纤中的传输距离一般不超过十米。这在实际工程使用中，是不够的。

发明内容

针对上述问题，本实用新型实施例提出一种长距离光纤弧光传感器，该传感器可实时监测开关柜等电力设备短路时产生的弧光，采用光纤作为信号传输介质，抗电磁干扰，可靠性高，其工作距离可以达到百米级，解决光纤传感器工程敷设的难题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用以下技术方案：

一种长距离光纤弧光传感器，该传感器包括信号光收发模块、供能激光二极管、驱动电路、光路控制器件、光电池、信号处理模块和光电探测器；信号光收发模块的双向光端口和光路控制器件的双向光端口连接，光路控制器件的输入电端口和信号处理模块的输出电端口连接；驱动电路的输出电端口和供能激光二极管的输入电端口连接，供能激光二极管的输出光端口和光电池的输入光端口连接，光电池的输出电端口和信号处理模块的电源输入端口连接，信号处理模块的输入电端口和光电探测器的输出电端口连接。

作为优选例，所述的信号光收发模块的双向光端口通过多模光纤和光路控制器件的双向光端口连接；供能激光二极管的输出光端口通过多模光纤和光电池的输入光端口连接。

作为优选例，所述的长距离光纤弧光传感器，还包括第一波分复用器、第二波分复用器和多模光纤，所述第一波分复用器、第二波分复用器和多模光纤位于信号光收发模块和光路控制器件之间，所述第一波分复用器、第二波分复用器和多模光纤位于供能激光二极管和光电池之间；所述第一波分复用器的第一光端口和信号光收发模块的双向光端口连接，第一波分复用器的第二光端口和供能激光二极管的输出光端口，第一波分复用器的第三光端口和多模光纤的一端连接；所述第二波分复用器的第一光端口和光路控制器件的双向光端口连接，第二波分复用器的第二光端口和光电池的输入光端口，第二波分复用器的第三光端口和多模光纤的另一端连接。

作为优选例，所述信号光收发模块包括信号激光器、环形器和光接收机；所述环形器的第一光端口和信号激光器的输出光端口连接，环形器的第二光端口和第一波分复用器的第一光端口连接，环形器的第三光端口和光接收机的输入光端口连接。

作为优选例，所述信号处理模块包括信号判决模块和能量收集模块，信号判决模块的输入电端口和光电二极管的输出电端口连接，信号判决模块的输入电源端口和能量收集模块的输出电端口连接，信号判决模块的输出电端口和光路控制器件的输入电端口连接；能量收集模块的输入电端口和光电池的输出电端口连接。

作为优选例，所述光路控制器件用于通过输入的电压来调制输入光信号功率。

作为优选例，所述光路控制器件包括输入光纤、旋转镜和旋转镜驱动器，输入光纤一端为光路控制器件的双向光端口，旋转镜驱动器的信号输入端口为光路控制器件的输入电端口，另一端对准旋转镜，旋转镜与旋转镜驱动器连接，旋转镜驱动器在输入电压的作用下调整旋转镜的角度。

作为优选例，所述光路控制器件包括输入光纤、硅衬底和反射静电条，反射静电条位于输入光纤和硅衬底之间；输入光纤一端为光路控制器件的双向光端口，另一端与反射静电条相对；光路控制器件的输入电端口位于反射静电条上，硅衬底和反射静电条上设有电极，通过所述电极控制硅衬底和反射静电条之间的距离。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益效果：

（1）本实用新型将传统的弧光探头和光纤介质结合在一起，吸收了现有弧光传感技术的优点，解决了传统弧光传感器的缺陷：弧光传感探头采用传统的紫外光电二极管，具有简单、可靠和廉价的优点；同时由于信号传输链路采用光纤，具有性能可靠，抗电磁干扰的优点，解决了传统弧光传感探头可靠性的问题。

（2）本实用新型中在光纤中传输的是信号光收发模块发出的信号光，而不是较为微弱的弧光，有效解决了光纤弧光传感器工作距离过短的问题。因为光纤中传输的信号光来自于激光器，其入纤功率比较大，所以传输距离更远。

（3）本实用新型采用供能激光器和光电池，采用光供能的方式解决了信号处理模块的供电问题。传统的方案是通过电线为信号处理模块供电，在复杂电磁环境下，电线供电易受干扰。本实施例采用光纤供能的方式供电，可靠性更好。该方法不受外界环境影响，可靠性高，可在高压等复杂环境下工作；同时，结合波分复用技术，将供能光信号与信号光通过一根光纤传播，降低了传感器工程安装的复杂度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的第一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例的第二种结构示意图；

图3是本实用新型实施例中信号光收发模块的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中信号处理模块的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中光路控制器件的一种结构示意图；

图6是本实用新型实施例中光路控制器件的另一种结构示意图。

其中有：信号光收发模块1、第一波分复用器2、供能激光二极管3、驱动电路4、多模光纤5、第二波分复用器6、光路控制器件7、光电池8、信号处理模块9、光电探测器10、信号激光器11、环形器12、光接收机13、信号判决模块15、能量收集模块16、旋转镜18、旋转驱动器19、输入光纤20、硅衬底21、反射静电条22。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型实施例提供一种长距离光纤弧光传感器，包括信号光收发模块1、供能激光二极管3、驱动电路4、光路控制器件7、光电池8、信号处理模块9和光电探测器10。信号光收发模块1的双向光端口1a和光路控制器件7的双向光端口7a连接，光路控制器件7的输入电端口7b和信号处理模块9的输出电端口9b连接。驱动电路4的输出电端口和供能激光二极管3的输入电端口3a连接。供能激光二极管3的输出光端口3b和光电池8的输入光端口8a连接，光电池8的输出电端口8b和信号处理模块9的电源输入端口9c连接，信号处理模块9的输入电端口9a和光电探测器10的输出电端口连接。

优选的，供能激光二极管3采用808 nm的半导体激光器。光路控制器件7采用光可调谐衰减器。光电池8采用单结砷化镓光电池。多模光纤5采用芯为径62.5um的通信多模光纤。光电探测器10采用紫外光电二极管。

上述实施例中，所述的信号光收发模块1通过多模光纤5和光路控制器件7连接；供能激光二极管3通过多模光纤5和光电池8连接。信号光收发模块1实现单纤的光信号收发功能。

上述实施例的长距离光纤弧光传感器的工作过程为：供能激光二极管3发出大功率的808 nm供能光信号。供能光经过大芯径光纤传输至光电池8中。光电池8将供能光信号转为与光强度成正比的电流信号，该电流信号经过光电池8的输出电端口8b送入信号处理模块9中，并为信号处理模块9中的有源电子器件提供能量。信号光收发模块1发出的信号光经多模光纤5送入光路控制器件7中。若弧光发生，光电探测器10将弧光信号装换为一个与其强度成正比的模拟电压信号，该信号经信号处理模块9的输入电端口9a送入信号处理模块9中。信号处理模块9将通过其信号输出电端口9b向光路控制器件7传输一个高电平信号。该高电平信号从光路控制器件7的输入电端口7b输入，使通过光路控制器件7的端口7a入射的光信号反射。反射光沿着多模光纤5，并经信号光收发模块1的双向光端口1a送入光接收机13中。光接收机13通过检测输入的反射光信号即可判断弧光发生。

实施例2

如图2所示，本实施例的长距离光纤弧光传感器在实施例1的基础上，增加了第一波分复用器2、第二波分复用器6和多模光纤5。所述第一波分复用器2、第二波分复用器6和多模光纤5位于信号光收发模块1和光路控制器件7之间，所述第一波分复用器2、第二波分复用器6和多模光纤5位于供能激光二极管3和光电池8之间。所述第一波分复用器2的第一光端口2a和信号光收发模块1的双向光端口1a连接，第一波分复用器2的第二光端口2b和供能激光二极管3的输出光端口3b，第一波分复用器2的第三光端口2c和多模光纤5的一端连接。所述第二波分复用器6的第一光端口6a和光路控制器件7的双向光端口7a连接，第二波分复用器6的第二光端口6b和光电池8的输入光端口8a连接，第二波分复用器6的第三光端口6c和多模光纤5的另一端连接。

上述实施例中，信号光收发模块1发出的光信号与供能激光二极管3发出的光信号的波长不同，并通过第一波分复用器2耦合到一根多模光纤中。第二波分复用器6将信号光收发模块1和供能激光二极管3发出的不同波长的光波分开，信号光收发模块1发出的信号光送入光路控制器件7中，供能激光二极管3发出的光波送入光电池8中。

上述实施例1和实施例2中，作为优选，如图3所示，所述信号光收发模块1包括信号激光器11、环形器12和光接收机13。环形器12的第一光端口12a和信号激光器11的输出光端口连接，环形器12的第二光端口12b和第一波分复用器2的第一光端口2a连接，环形器12的第三光端口12c和光接收机13的输入光端口连接。优选的，信号激光器11采用1550 nm的半导体激光器。其中，环形器12的第二光端口12b即为信号光收发模块1的双向光端口1a。

上述实施例1和实施例2中，作为优选，如图4所示，所述信号处理模块9包括信号判决模块15和能量收集模块16。信号判决模块15的输入电端口15a和光电二极管10的输出电端口连接，信号判决模块15的输入电源端口15c和能量收集模块16的输出电端口16b连接，信号判决模块15的输出电端口15b和光路控制器件7的输入电端口7b连接；能量收集模块16的输入电端口16a和光电池8的输出电端口8b连接。

上述实施例1和实施例2中，作为优选，如图5所示，所述光路控制器件7包括输入光纤20、旋转镜18和旋转镜驱动器19，输入光纤20一端为光路控制器件7的双向光端口7a，输入光纤20另一端对准旋转镜18，旋转镜18与旋转镜驱动器19连接，旋转镜驱动器19的信号输入端口为光路控制器件7的输入电端口7b，旋转镜驱动器19在输入电压的作用下调整旋转镜18的角度。

当旋转镜18与输入光纤20垂直时，沿输入光纤20传播的信号光被旋转镜18反射，并再次通过输入光纤20传播。

作为另一优选例，所述光路控制器件7包括输入光纤20、硅衬底21和反射静电条22。反射静电条22位于输入光纤20和硅衬底21之间。输入光纤20一端为光路控制器件7的双向光端口7a，另一端与反射静电条22相对。光路控制器件7的输入电端口7b位于反射静电条22上，硅衬底21和反射静电条22上设有电极。通过所述电极控制硅衬底21和反射静电条22之间的距离。

光波从输入光纤20输出，入射到反射静电条22和硅衬底21的表面，光波在反射静电条22和衬底21的表面分别反射。通过电极，调整硅衬底21和反射静电条22之间的电压，使得反射静电条22和硅衬底21之间距离差为入射光波波长的二分之一，从而导致反射光波干涉相长，光波全部沿着原光路反射回输入光纤20中。通过电极，调整硅衬底21和反射静电条22之间的电压，使得反射静电条22和硅衬底21之间距离差为入射光波波长的四分之一。此时，反射静电条22和衬底21表面的反射光波将干涉相消，将没有光波信号反射回输入光纤20中。

上述实施例2的长距离光纤弧光传感器的工作过程是：

正常工作时，信号光收发模块1发出的信号光由第一波分复用器2的第一光端口2a输入，供能激光二极管3发出的供能光分别由第一波分复用器2的第二光端口2b输入，通过第一波分复用器2的第三光端口2c耦合到多模光纤5中。信号光和供能光在多模光纤5的另一端，经过第二波分复用器6的第三光端口6c输入第二波分复用器6中，并分别从第二波分复用器6的第一光端口6a和第二光端口6b输出。供能光送入光电池8中，转换为电能，并经过能量收集16转为一个恒定的电压源，为信号处理模块9中的有源器件提供电能。信号光送入光路控制器件7中。

当弧光发生时，光电探测器10将弧光信号转换为与弧光强度成正比的模拟电压信号，该模拟电压信号送入信号判决模块15中，当模拟电压信号大于信号判决模块15中的阈值时，信号判决模块15输出一个高电平信号并送入光路控制器件7的输入电端口中，并送入旋转驱动器19。在该高电平信号的作用下，光路控制器件7中的旋转镜18在旋转驱动器19的驱动下发生旋转，使旋转镜18与信号光的传播方向垂直。此时，从光路控制器件7的光端口输入的信号光反射。反射光从第二波分复用器6的第一光端口6a输入，从第二波分复用器6的第三光端口6c输出，并经多模光纤5后，先后经过第一波分复用器2的第三光端口2c和第一波分复用器2的第一光端口2a，输入信号光收发模块1中。在信号光收发模块1中，反射光输入环形器12的第二光端口12b中，反射光从环形器12的第三光端口12c输出，最后送入光接收机13中。光接收机13接收到光信号，即可判断此时已经出现弧光。

上述两个实施例的传感器可实现长距离传输。采用带尾纤的信号光激光器实现弧光信号的传输，而不是直接将微弱的弧光信号在光纤中传输。这样光信号入纤功率可以比较强，信号光收发模块1所使用的波段可以设置在光纤的低损耗窗口，有利于长距离传输。另外，光纤中传输的是数字光信号，而不是模拟的弧光光信号，所以其传输可以更远。

实施例1的弧光传感器没有采用波分复用技术，信号光和供能光分别在两根不同的多模光纤中传输。实施例2的弧光传感器采用波分复用技术。

本实用新型实施例将光纤通信技术与传统的弧光探测技术结合，具有传感距离远、可靠性高、抗电磁干扰的特点。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种长距离光纤弧光传感器，其特征在于：该传感器包括信号光收发模块(1)、供能激光二极管(3)、驱动电路(4)、光路控制器件(7)、光电池(8)、信号处理模块(9)和光电探测器(10)；

信号光收发模块(1)的双向光端口(1a)和光路控制器件(7)的双向光端口(7a)连接，光路控制器件(7)的输入电端口(7b)和信号处理模块(9)的输出电端口(9b)连接；

驱动电路(4)的输出电端口和供能激光二极管(3)的输入电端口(3a)连接，供能激光二极管(3)的输出光端口(3b)和光电池(8)的输入光端口(8a)连接，光电池(8)的输出电端口(8b)和信号处理模块(9)的电源输入端口(9c)连接，信号处理模块(9)的输入电端口(9a)和光电探测器(10)的输出电端口连接。

2.如权利要求1所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述的信号光收发模块(1)的双向光端口(1a)通过多模光纤(5)和光路控制器件(7)的双向光端口(7a)连接；供能激光二极管(3)的输出光端口(3b)通过多模光纤(5)和光电池(8)的输入光端口(8a)连接。

3.如权利要求1所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：还包括第一波分复用器(2)、第二波分复用器(6)和多模光纤(5)，所述第一波分复用器(2)、第二波分复用器(6)和多模光纤(5)位于信号光收发模块(1)和光路控制器件(7)之间，所述第一波分复用器(2)、第二波分复用器(6)和多模光纤(5)位于供能激光二极管(3)和光电池(8)之间；

所述第一波分复用器(2)的第一光端口(2a)和信号光收发模块(1)的双向光端口(1a)连接，第一波分复用器(2)的第二光端口(2b)和供能激光二极管(3)的输出光端口(3b)，第一波分复用器(2)的第三光端口(2c)和多模光纤(5)的一端连接；

所述第二波分复用器(6)的第一光端口(6a)和光路控制器件(7)的双向光端口(7a)连接，第二波分复用器(6)的第二光端口(6b)和光电池(8)的输入光端口(8a)，第二波分复用器(6)的第三光端口(6c)和多模光纤(5)的另一端连接。

4.如权利要求1、2或3所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述信号光收发模块(1)包括信号激光器(11)、环形器(12)和光接收机(13)；所述环形器(12)的第一光端口(12a)和信号激光器(11)的输出光端口(11a)连接，环形器(12)的第二光端口(12b)和第一波分复用器(2)的第一光端口(2a)连接，环形器(12)的第三光端口(12c)和光接收机(13)的输入光端口连接。

5.如权利要求1、2或3所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述信号处理模块(9)包括信号判决模块(15)和能量收集模块(16)，信号判决模块(15)的输入电端口(15a)和光电探测器(10)的输出电端口连接，信号判决模块(15)的输入电源端口(15c)和能量收集模块(16)的输出电端口(16b)连接，信号判决模块(15)的输出电端口(15b)和光路控制器件(7)的输入电端口(7b)连接；能量收集模块(16)的输入电端口(16a)和光电池(8)的输出电端口(8b)连接。

6.如权利要求1、2或3所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述光路控制器件(7)用于通过输入的电压来调制输入光信号功率。

7.如权利要求6所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述光路控制器件(7)包括输入光纤(20)、旋转镜(18)和旋转镜驱动器(19)，输入光纤(20)一端为光路控制器件(7)的双向光端口(7a)，另一端对准旋转镜(18)，旋转镜(18)与旋转镜驱动器(19)连接，旋转镜驱动器(19)的信号输入端口为光路控制器件(7)的输入电端口(7b)，旋转镜驱动器(19)在输入电压的作用下调整旋转镜(18)的角度。

8.如权利要求6所述的长距离光纤弧光传感器，其特征在于：所述光路控制器件(7)包括输入光纤(20)、硅衬底(21)和反射静电条(22)，反射静电条(22)位于输入光纤(20)和硅衬底(21)之间；输入光纤(20)一端为光路控制器件(7)的双向光端口(7a)，另一端与反射静电条(22)相对；光路控制器件(7)的输入电端口(7b)位于反射静电条(22)上，硅衬底(21)和反射静电条(22)上设有电极，通过所述电极控制硅衬底(21)和反射静电条(22)之间的距离。