一种光纤电流传感器故障诊断系统及其诊断方法与流程

本公开属于光纤电流传感器领域，具体涉及一种光纤电流传感器故障诊断系统及其诊断方法。

背景技术：

现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验。随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力、较高的测量精度、易小型化、没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，受到人们的广泛重视。为了确保光纤电流传感器长期正常稳定运行，研究光纤电流传感器的故障检测系统变得十分有必要。在实际应用光纤电流传感器时，光信号的强弱影响着传感器测量电流值的精度，光纤中传输的光信号难免会因为光路损耗而衰减，或者因为温度的变化而变化，甚至出现光纤的断裂导致光信号无法传输的情况，这些因素导致的电流测量值出现的误差，有些是在正常范围内，比如光路的损耗；有些则是因为出现故障，比如光纤断裂，光源损坏，反射镜脱落等。在出现故障时系统有必要发出报警信号，及时进行检修，避免造成不必要的损失。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本公开的目的在于提供一种光纤电流传感器故障诊断系统，能够根据光强的大小对光纤电流传感器的运行状态进行检测，判断其是否出现故障。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种光纤电流传感器故障诊断系统，包括：

光电探测器，用于将光纤电流传感器传递的光强信号转换为电信号；

信号调节模块，用于输出大小可调节的直流偏置电信号；

加法电路模块，用于将所述光电探测器输出的电信号和所述信号调节模块输出的直流偏置电信号相加后输出混合信号；

ad采样模块，用于对所述混合信号内的两个相邻的半周期模拟信号进行采样并转换为两个相邻的半周期数字信号；

数据处理模块，用于接收所述两个相邻的半周期数字信号并作相加处理获得光纤电流传感器中的光强值，根据光强值的大小对所述光纤电流传感器是否存在故障进行诊断。

优选的，所述信号调节模块由da转换器串接电压跟随器组成。

优选的，所述信号调节模块由电阻分压器串接电压跟随器组成，所述电阻分压器包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻的一侧外接电源，另一侧接第二电阻的一侧，所述第二电阻的另一侧接地。

优选的，所述信号调节模块由数字电位器串接电压跟随器组成。

优选的，所述加法电路模块包括运算放大器、第三至第五电阻，所述第三电阻的一侧连接至所述光电探测器，所述第四电阻的一侧连接至信号调节模块，所述第三电阻的另一侧包括第一支路和第二支路，第一支路经第五电阻连接至运算放大器的输出端，第二支路与第四电阻的另一侧共同连接至运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地。

优选的，所述ad采样模块采用模数转换芯片。

优选的，所述数据处理模块包括cpu、单片机和fpga中的任意一种。

本公开还提供一种光纤电流传感器故障诊断方法，包括以下步骤：

s100：将光纤电流传感器传递的光强信号转换为电信号；

s200：提供大小可调节的直流偏置电信号；

s300：将所述电信号和所述直流偏置电信号相加后形成混合信号；

s400：对所述混合信号内的两个相邻的半周期模拟信号进行采样并转换为两个相邻的半周期数字信号；

s500：对所述两个相邻的半周期数字信号作相加处理获得光纤电流传感器中的光强值，根据光强值的大小对所述光纤电流传感器是否存在故障进行诊断。

优选的，步骤s500中，通过对所述两个相邻的半周期数字信号作相加处理，获得两倍的直流量，所述直流量的大小能够反映光强值的大小。

优选的，步骤s500中，根据光强值与正常参考值或零参考值的对比结果诊断所述光纤电流传感器是否存在故障。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本系统能够用于检测光纤电流传感器整个光路系统是否出现故障，而且该故障检测系统建立在光纤电流传感器测量系统的基础上，并未增加额外的电路元器件和系统，也不会增加额外的光路损耗，因此对光纤电流传感器的测量精度等不会造成任何影响，能够在低成本、易于实现的情况下完成对光纤电流传感器故障的有效检测。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种光纤电流传感器故障诊断系统的结构示意图；

图2是本公开一个实施例提供的信号调节模块的结构示意图；

图3是本公开另一个实施例提供的信号调节模块的结构示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的信号调节模块的结构示意图；

图5是本公开另一个实施例提供的加法电路模块的结构示意图；

图6是本公开一个实施例提供的一种光纤电流传感器故障诊断方法流程图；

图7是本公开一个实施例提供的光纤电流传感器的方波偏置输出图。

具体实施方式

下面结合附图1至图7和实施例对本公开的技术方案进行详细说明。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种光纤电流传感器故障诊断系统，包括：

光电探测器，用于将光纤电流传感器传递的光强信号转换为电信号；

信号调节模块，用于输出大小可调节的直流偏置电信号；

加法电路模块，用于将所述光电探测器输出的电信号和所述信号调节模块输出的直流偏置电信号相加后输出混合信号；

ad采样模块，用于对所述混合信号内的两个相邻的半周期模拟信号进行采样并转换为两个相邻的半周期数字信号；

数据处理模块，用于接收所述两个相邻的半周期数字信号并作相加处理获得光纤电流传感器中的光强值，根据光强值的大小对所述光纤电流传感器是否存在故障进行诊断。

本实施例中，光电探测器将光纤电流传感器传递的光强信号转换为电信号，该电信号和信号调节模块输出的直流偏置电信号经加法电路模块运算相加后形成混合信号并通过ad采样模块进行采样，ad采样模块采样该混合信号中的两个相邻的半周期模拟信号后转换为两个相邻的半周期数字信号，该半周期数字信号经数据处理模块处理后，消去了其中的交流量，获得两倍的直流量，该直流量的大小反映了光纤电流传感器所传递的光强信号的大小，根据光强与数据处理模块输出的正常光强值及无光强输入时数据处理模块输出的零参考值的比较结果，可以对光纤电流传感器是否存在故障进行诊断。上述实施例建立在光纤电流传感器测量系统的基础上，与现有技术相比，不需要增加额外的电路元器件和系统，也不会增加额外的光路损耗，因此对光纤电流传感器的测量精度等不会造成任何影响，能够在低成本、易于实现的情况下完成对光纤电流传感器故障的有效检测。

另一个实施例中，如图2所示，所述信号调节模块由da转换器串接电压跟随器组成。

本实施例中，根据光电探测器输出的电信号，通过改变da转换器数字量的大小和放大倍数，从而输出大小可调节的直流偏置电信号，从而确保光电探测器输出的电信号和信号调节模块输出的直流偏置电信号相加之后形成的混合信号处于所述ad采样模块的采样范围之内。

另一个实施例中，如图3所示，所述信号调节模块由电阻分压器串接电压跟随器组成，所述电阻分压器包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻的一侧外接电源，另一侧接第二电阻的一侧，所述第二电阻的另一侧接地。

本实施例中，根据光电探测器输出的电信号，通过改变电阻分压器的分压臂上的第一阻值r1、第二电阻r2的大小输出大小可调节的直流偏置电信号，从而确保光电探测器输出的电信号和信号调节模块输出的直流偏置电信号相加之后形成的混合信号处于所述ad采样模块的采样范围之内。

另一个实施例中，如图4所示，所述信号调节模块由数字电位器串接电压跟随器组成。

本实施例中，根据光电探测器输出的电信号，通过改变输入数字电位器的数字量u的大小，输出大小可调节的直流偏置电信号，从而确保光电探测器输出的电信号和信号调节模块输出的直流偏置电信号相加之后形成的混合信号处于所述ad采样模块的采样范围之内。

需要说明的是，信号调节模块并不限于上述3种电路结构，凡是能够产生大小可调节的直流偏置电信号的电路结构均在本公开所要求保护的范围。

另一个实施例中，如图5所示，所述加法电路模块包括运算放大器、第三至第五电阻，所述第三电阻的一侧连接至所述光电探测器，所述第四电阻的一侧连接至信号调节模块，所述第三电阻的另一侧包括第一支路和第二支路，第一支路经第五电阻连接至运算放大器的输出端，第二支路与第四电阻的另一侧共同连接至运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地。

本实施例中，需要说明的是，加法电路模块并不仅限于上述电路组成，凡是能够使输入的两端信号相加并输出相加之后的混合信号的电路结构均在本公开所要求保护的范围之内。

另一个实施例中，所述ad采样模块采用模数转换芯片。

本实施例优选ad7656芯片作为本公开的ad采样模块，需要说明的是，本公开还可以采用其他类型的模数转换芯片，例如ad7663、ads8364、ad7606等等，凡是能够实现ad转换的芯片均在本公开要求保护范围之内，此处不一一枚举。

另一个实施例中，所述数据处理模块包括cpu、单片机和fpga中的任意一种。

需要说明的是，数据处理模块并不限于cpu、单片机和fpga，凡是能够实现数据处理功能的单元均在本公开保护范围之内。

另一个实施例中，如图6所示，本公开还提供一种光纤电流传感器故障诊断方法，包括如下步骤：

s100：将光纤电流传感器传递的光强信号转换为电信号；

该步骤中，如图7所示，所述光纤电流传感器的测量原理为sagnac干涉测量原理，即通过测量两束相干光波的光程差所导致的干涉条纹的移动。通过干涉条纹的移动变化可测量光程微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。

当输入光强信号为零时，光电探测器输出一电压常值，即无光电压，用u0表示。由sagnac干涉测量原理可得到，光电探测器总输出为：

u(φs，φb)总＝ki0[1+cos(φs+φb)]+u0

其中i0为干涉光光强；常数k为光电探测器的响应度，单位为v/cd；φs为磁光效应引起偏转角；φb为所加的偏置角度，也即方波调制的幅值，当偏置角φb为π/2时，余弦函数转换为正弦函数，此时在零点附近斜率最大，测量精度也最高。因此φb取±π/2，在正半周期时φb取+π/2，负半周期时取-π/2。

s200：提供大小可调节的直流偏置电信号；

该步骤中，该直流偏置电信号通过信号调节模块产生，为便于后续描述，设该直流偏置电信号为ua；

s300：将所述电信号和所述直流偏置电信号相加后形成混合信号；

该步骤中，经加法电路模块对光电探测器输出的电信号和信号调节模块输出的直流偏置电信号相加后，所输出的混合信号可表示为：

w＝u(φs，φb)总+ua＝ki0[1+cos(φs+φb)]+u0+ua

在正半周期时，φb＝+π/2，此时耦合信号w为：

在负半周期时，φb＝-π/2，此时耦合信号w为：

w负＝ki0[1+cos(φs-π/2)]+u0+ua

s400：对所述混合信号内的两个相邻的半周期模拟信号进行采样并转换为两个相邻的半周期数字信号；

s500：对所述两个相邻的半周期数字信号作相加处理获得光纤电流传感器中的光强值，根据光强值的大小对所述光纤电流传感器是否存在故障进行诊断。

该步骤中，由于两个相邻的半周期数字信号中既包含交流量，也包含直流量，交流量在两个相邻的半周期内互为相反数，因此，为了消除该交流量，需要通过对所述两个相邻的半周期数字信号作相加处理以消除其中的交流量，得到两倍的直流量，即：

w＝w正+w负＝2(ki0+u0+ua)

该直流量w和干涉光光强i0为一次函数关系，通过对该直流量w的大小进行分析从而对光纤电流传感器是否出现故障进行判断，具体判断过程为：

1、测定光纤电流传感器在常温下正常运行时的数据处理模块的输出平均值，以此为正常参考值w1；若此时数据处理模块的输出与正常参考值w1的相对误差小于一个固定阈值(本实施例设定为10％)，可判断该光纤电路传感器工作正常，所述误差可以认为是由正常光路损耗或者温度变化所致；若此时数据处理模块的输出与正常参考值w1的相对误差大于一个固定阈值(本实施例设定为10％)，则能够判断该光纤电流传感器处于故障状态，比如光纤弯曲半径过小或光纤受到挤压等故障导致光逸出造成光强损耗偏大。

2、测量数据处理模块在常温下无光强输入时的输出平均值，以此为零参考值w0；若此时数据处理模块的输出值与零参考值w0的相对误差小于一个固定阈值(本实施例设定为10％)可判断该光纤电流传感器存在断纤或者电源故障等问题。

以上具体实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非对其限定。未脱离本公开精神和原理对本公开的具体实施方式进行的任何修改或者等同替换，均应涵盖在本公开的权利要求范围之中。本公开说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。