光电复合式高压开关柜触头温度检测系统设计.doc

摘要 I 摘要 高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备 测量和监视高压开关 柜内触头的温度是避免重大事故发生 控制故障恶化的有力手段 所以对 高压开关柜内触头温度的监测一直是电力系统中的重大课题之一 它对于 保证高压开关柜的正常运行 提高电力系统运行的可靠性和自动化程度具 有非常重要的意义 由于高压开关柜的工作环境十分特殊 目前主要的测温方法是针对解 决开关柜中高压绝缘和强电磁噪声等问题 普通的测温技术不能够很好的 应用到这一类装置中 本论文是利用半导体的光吸收原理与现代光纤技术 相结合 再配合现代光电检测技术 单片机技术和虚拟仿真等技术 提出 了一种新颖的半导体吸收型光纤温度传感器系统 该系统从根本上解决了 高压开关柜内触点运行温度不易监测的难题 提高了电力系统的安全性和 可靠性 该系统采用半导体传感探头和光纤传输相结合的方法 充分利用成熟 的半导体透射式探头结构与现代光纤传感技术 对开关柜进行高电压绝缘 和抗电磁干扰 采用半导体材料GaAs 作为传感探头 光纤作为传输器件 利用光源发出的光通过半导体时被吸收能量而导致光波长变化的特性 推 导出被测温度与光波长变化的关系 再利用光电探测器把接收的光信号转 换成单片机可以识别处理的电信号 在单片微机的控制下组成多路温度巡 回检测系统 实现了对电力系统中最常见的电气设备 高压开关触头温度 的在线监测 在温度标定方面采用双温度计的标定方法 利用二次差值算 法进一步提高标定精度 此系统可以实现温度显示 运行状态指示和报警 等功能 并可通过标准接口与上位计算机和企业局域网相连 最后通过计 算机计算出测量的温度 显示在屏幕上 关键词关键词 温度 传感器 半导体 实时监测 高压开关柜 光纤传输 Abstract II Abstract The high voltage cabinet is a very important installation in electric power system Measuring and monitoring the temperature of the high voltage cabinet can avert the importantly mishap and control the deteriorated situation so measuring the temperature of the high voltage is always the important task It is good for the dependability and automation degree in high voltage electric power system Since insulation of the high voltage and the electromagnetic noise the ordinary ways don t fit these electric power installations The paper used the rule of absorption optic of the semiconductor and the sensor technology have proposed a new sensor of the rule of semiconductor absorption fiber optic temperature sensor system The sensor system integrated the photoelectricity technology PC technology and virtual technology The system resolved the problems that the contacted points of high the voltage cabinet is difficult of measuring the temperature The system have advanced the security and dependability of the electric power system The system is seldom covered in domestic The system is that the rule of the semiconductor absorption optic is combination with fiber optic sensor technique The semiconductor adopt to GaAs as the stuff of temperature probe and fiber optic as transfer component It used the intensity of the incided optic and transmission optic have changed when the optic through the semiconductor This property of the semiconductor called the rule of the semiconductor of absorption optic It exported the relation of the optic wavelength had changed and the temperature of the contacr points At last the signal passed the PD and go into the PC The PC system also can embody temperature display and warning section The computer can calculate result by means of the LAN and superordinate At last the result displayed onthe screen 燕山大学本科生毕业设计 论文 III Keywords Temperature Sensor Semiconductor Monitoring High voltage cabinet Optical fiber transmission IV V 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 1 3 多种方案的分析和比较 2 1 3 1 红外测温 3 1 3 2 荧光光纤测温 3 1 3 3 光纤光栅传感器测温 3 1 3 4 光纤电流传感器测温 3 1 3 5 光功率推动光纤温度传感器 4 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 6 2 1 光致电源 6 2 2 光纤传感器概述 6 2 2 1 光纤传感器的工作原理 8 2 2 2 光纤传感器的分类 9 2 3 光纤的特性与选择 10 2 3 1 光纤的结构 10 2 3 2 光纤的导光原理 11 2 3 3 光纤的损耗 14 2 4 光源的特性及其对光纤的激励 15 2 5 信号光源 LED 的发光原理及结构 16 2 6 光探测器的工作原理及特性 17 2 6 1 量子效率 17 2 6 2 响应度 18 2 6 3 响应速度 19 VI 2 6 4 暗电流 20 2 7 本章小结 20 第 3 章 低功耗测温探头电路的设计 21 3 1 集成温度传感器 AD590 21 3 2 测温探头电路的设计 22 3 2 1 温度 频率转换电路 23 3 2 2 单稳态触发电路 26 3 2 3 LED 驱动电路 27 3 3 探头电路的功耗核算 28 3 3 1 CMOS 集成电路 28 3 3 2 功耗核算 29 3 4 本章小结 30 第 4 章 二次仪表端的设计 31 4 1 I V 转换与前置放大电路 31 4 2 信号处理系统的设计 33 4 2 1 硬件系统设计 33 4 2 2 软件设计 37 4 3 本章小结 40 第 5 章 系统性能测试与误差分析 41 5 1 实验系统设计 41 5 2 实验结果及分析 41 5 3 误差分析 44 5 3 1 电路中的漏电流 44 5 3 2 耦合误差 44 5 3 3 噪声误差 45 结论 46 参考文献 47 VII 致谢 48 附录 1 49 附录 2 6 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 长期以来 随着我国用电量的急剧增加 在电力系统中 高压开关柜 承载电流越来越大 当承载电流过大时就会因温升过高而导致电力设备的 损坏 从而影响整个电力系统的正常工作 造成巨大的经济损失 因此 及时 准确地测出电力设备关键点的温度对于发现并排除故障 减少经济 损失具有重大意义 引发高压开关柜载流故障的原因之一是由于其隔离触头接触不良 导 致设备短路 从而产生极强的高压电流 引起开关柜内的触头过热 温度 过高将造成金属材料的机械强度下降 绝缘强度损坏 母线变形熔化 绝 缘材料寿命降低等现象 并可能最终导致绝缘击穿 造成重大事故 在高 压配电所运行的设备中 经常会发生此类电气故障 造成巨大的经济损失 据统计 2006 年在我国10 kV 以上的电网中 由此原因造成的严重事故近 20起 因此 高压开关柜隔离触头的温度监测一直是保障电力工业安全运 行的重大课题之一 由于高压开关柜内触头处在强电磁场 高电压环境中 如果其绝缘部分缺陷或劣化 将会引发影响设备和电网安全运行的绝缘故 障或事故 所以保障高压电气设备的安全可靠运行在电网中具有举足轻重 的地位 因此 在设备投入运行后 传统的做法是定期停电进行预防性试 验和检修 以便及时检测出设备内部的绝缘缺陷 以防止发生绝缘事故 但是 随着电网容量的增大 高压电气设备数量急剧增加 传统的预防性 试验和事后维修已不能满足当今大容量 超高压电网的高可靠性要求 所 以对当前新形势下高压开关电器触头的温度进行在线实时监测要有一个新 的认识 因此 本论文对于保障高压开关电器的安全运行 提高电力系统运行 的安全性和可靠性具有重要的实际工程意义 为高压电器设备实现智能测 温提供了一条有效途径 燕山大学本科生毕业设计 论文 2 1 2 国内外研究现状及发展趋势 目前 国内外高压开关柜触头温升的测量方法主要分为接触式和非接 触式两类 接触式方法有热敏电阻法 热电偶法 高压石英晶体传感器法等 这 类方法需要将传感器直接安装在触头上 传感器信号经无线 光纤或红外 方式传送给接收装置 由于传感器直接与触头接触 测温结果比较准确 但是 要在母线上套装电流互感部件来解决传感器及关联电路所需的电源 这样将改变开关柜高压部分原有的结构 甚至缩短绝缘距离 非接触式方 法一般采用红外传感器 但如果传感器镜头或触头表面脏污 测量的准确 度将显著降低 同时由于造价较高而难应用于高压开关柜隔离触头温升的 在线监测 国内变压器制造业和电力部门十分重视高压开关设备的热点温度的监 测问题 沈阳变压器厂早在10 多年前便立项进行这一课题的研究 1994年 美国路克公司的光纤测温仪得到了IS09402 认证 质量达到了更高水平 在此基础上 美国企业发展有限公司 Enterprise Marketing Inc EMD 联 合中国和美国的电力光学专家开始向中国介绍测量发电机 高压开关和变 压器等高压电器设备内部热点温度的光纤测温仪 加速了我国光纤测温技 术的研究 为了增大电力的传输距离和传输容量 提高传输效率 电力传输电压 已经越来越高 国外已有2000 kV 的输电线路投入使用 用于检测的传统 电流互感器 其体积 重量 绝缘性能等已远远不满足电力发展的要求 国内 国际上有很多工程技术人员在寻求解决新问题的方法 由于光纤具 有良好的电气绝缘性和抗电磁干扰能力 同时可以将探头埋设在电力设备 内部的高压选定部位 直接测出该点的实际温度变化 解决了电器设备内 部测温的难题 成为高压电器设备温度监测的主要技术方向 1 3 多种方案的分析和比较 由于强电磁噪声和高压绝缘问题 高压开关柜触头温度监测的方法都 是围绕如何实现系统的抗强电磁场干扰和高电压隔离问题来入手的 在实 第 1 章 绪论 3 际监测中 必须要求监测对象与监测仪器之间进行电压隔离 其测试信号 的有效传递也一直是难以妥善解决的问题 因此常规的测温方法尚未应用 到高压电器设备中 当前测温的主要方法有 红外辐射测温 荧光光纤传 感器测温 光纤光栅温度传感器测温和光纤测温法 1 3 1 红外测温 红外测温是根据物体相对辐射强度与温度之间存在一定的函数关系而 进行测温的 在高压开关柜测温技术发展的初期 此方法使电力设备的过 热故障有了明显下降 但是在实际应用中由于仪器本身距离系数的限制 红外测温无法直接解决高压电器设备内部温度的实时监测问题 并且不具 备扫描功能 所以存在很大的局限性 因此没有推广使用 1 3 2 荧光光纤测温 荧光测温是近10 年来国内外有关专家倾心研究的课题 针对红外测温 的红外成像技术 美国路克公司在美国电力研究所 EPRI 的资助下 研制 了专为电力系统应用而开发生产检测变压器绕组温度的荧光光纤测温装置 它能测量0 200 之间的温度 其误差小 准确度高 但操作人员必须常 年定时操作仪器才能测得温度 另外 由于需要光学器件 在高压开关柜 等特定场合使用不方便 如果传感器镜头或触头表面荧光材料脏污 测量 的准确度将显著降低 1 3 3 光纤光栅传感器测温 光栅传感器是在光纤光栅的基础上 以布拉格条件为基础发展起来的 一种波长调制型光学传感器 光纤光栅传感器与传统的电子类传感器相比 具有防爆 耐高电压 抗电磁干扰 抗腐蚀 耐高温 体积小 重量轻 灵活方便 采用波长编码容易复用等优点 因此特别适于应用在恶劣环境 中 如电力工业 化工工业 国防建设等领域 通常情况下 光纤光栅的 温度灵敏度是0 0l nm 如此小的波长变化无疑增加了后继波长解调器 的难度 但可以通过提高传感器灵敏度的方法来降低对波长解调器的要求 目前常用的方法是采用在热膨胀系数大的基底材料上进行封装的方法 但 燕山大学本科生毕业设计 论文 4 其增敏效果完全受到材料热膨胀系数的限制 增敏效果有限 1 3 4 光纤电流传感器测温 从原理上可分为传感型和传光型两种 全光纤型电磁传感器是根据法 拉第磁光效应研制成的 对于传光型光纤电流传感器是采用常规的小型电 流互感器或其它线性耦合器实现电流检测 光纤的作用是传输信息 同时 起着绝缘作用 具体实现的方法较多 较典型的有光强调制型和频率调制 型 1 3 4 1 光强调制型光纤温度传感器 利用半导体材料的光吸收特性与温 度有关的原理 将光强调制型光纤温度计应用于高压电力装置 必须把被 测温度产生的光强信号从光源强度 光连接损耗和光纤传输损耗等变化中 提取出来 将被测电流变换成小电流后 经过整流 滤波后驱动工作在线 性区的LED 其输出光强与被测电流成正比 通过光纤将光强信号传输到地 面进行处理 1 3 4 2 频率调制型光纤电流传感器 通过I F或V F转换器将电流或电压 信号调制为频率信号并驱动LED发光 然后经光纤传输到地面处理 其主要 特点是测量范围大 电气绝缘性能高 灵敏度高 结构筒单 但受环境影 响 如振动 温度变化等 较大 传光型光纤电流传感器的光强调制型虽然 结构也较简单 但检测范围及精度受LED的线性工作范围和光电器件灵敏度 的限制 对于频率调制型电流传感器的测温方案主要问题是当调制工作频 率较高时 探头的功耗较大 若频率降低则系统响应慢 且灵敏度降低 1 3 5 光功率推动光纤温度传感器 光纤不仅可以作为信号传输和传感元件 随着高发光强度LED 和激光 二极管LD 的出现以及大芯径低损耗光纤的应用 光纤也可以用做光功率传 输元件 应用光纤光功率传输特性可以开发出光功率推动传感器 光功率 推动传感器充分利用已经成熟的电传感技术和光纤耦合的高电压绝缘和测 量端 无源性 解决了电传感器无法应用于特殊环境的问题 它的实现原 理是 探头端和仪表端由一根或两根光纤做长距离连接 光纤即起到从仪 表端到电测探头端的光功率推动作用 又起到电测探头到仪表端的长距离 第 1 章 绪论 5 光信号传输作用 仪表端应包括光功率发送部分和光信号接受部分 电测 探头端应包括功率接收和高效率光电转换部分和信号检测及光信号发送部 分 用光纤在高压环境中传递温度信号 既可以抵抗电磁干扰 又可实现 监测对象与监测仪器之间的电压隔离 因此也可以实现对电器设备的温度 监测 光纤传输光推动温度传感器与光功率推动光纤温度传感器的区别在 于后者中光纤只起信号传输的作用 探头电源采用硅光电池推动 系统需 外加光源 这样 光纤传输光推动温度传感器的电测探头端只包括信号检 测电路及光信号发送部分 仪表端包括光电转换部分 除了电测探头的有 源性之外 它基本上保持了光功率推动光纤温度传感器的优点 可以实现 对高压开关等电器设备的在线温度监测 燕山大学本科生毕业设计 论文 6 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计光致电源及光纤传输系统的研究与设计 2 1 光致电源 在测量高压开关触头的温度时 探头电源对于保证整个系统的长期稳 定安全运行有着十分重要的作用 它必须满足以下几个条件 1 提供充足 的能量 以驱动探头检测电路在所测温度范围内正常工作 2 由于测温探 头要置干高压开关柜内 所以要求探头电源在高电压 大龟流 强磁场环 境中能够长期可靠的工作 3 它不能引入过多的噪声 以干扰被测温度信 号的提取 使用光电池供电 可以很好的胜任这个工作 光电池亦称光伏电池 是在光线照射下 直接能将光能转换为电动势 的光电转换器件 光电池的种类很多 常用有硒光电池 硅光电池和硫化 铊 硫化银光电池等 主要用于仪表 自动化遥测和遥控方面 其中硅光 电池是目前应用最广泛的光伏探测器之一 它的结构很简单 核心部分是 一个大面积的 PN 结 硅光电池的 PN 结面积要比二极管的 PN 结大得多 所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多 它的性能稳定 光谱范围 宽 频率特性好 转换效率高 能耐高温辐射 而且在工作时不需外加偏 置电压 接受面积小 使用方便 硅光电池是一种 p n 结型半导体器件 其结构示意图如图 2 1 所示 p n 结位于和硅光电池受光表面平行的平面内 在硅光电池受光表面上蒸发或 溅射着一层很薄的天蓝色一氧化硅膜 该膜具有防反射作用 因此通常称 为防反射膜 此外一氧化硅膜还能增加光的投射率 所以又称为增透射膜 能使硅光电池对有效入射光的吸收率达 90 以上 短路电流增加 25 35 众所周知 p n 结在光照射下会产生电动势 硅光电池就是根据这一效应制 成的 这种效应叫做光生伏特效应 2 2 光纤传感器概述 光纤传感技术是伴随着光纤及光纤通信技术发展起来的一种光学传感技术 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 7 图 2 1 光电池结构示图意 它以光电子学器件为基础 以光纤通讯和集成光学的技术为前提 是仪表 领域重要的发展方向之一 光纤传感器 Fiber Optic Sensor 是自70年代起随光纤通讯及光纤传感等 相关技术发展而飞速发展的新型传感器 经过20多年的发展已经有了长足 的进步 已成功研制了种类繁多的光纤传感器 光纤传感器与传统的传感 器相比主要差别在于 传统的传感器是以应变 电量为基础 以电信号为 转换及传输的载体 用导线传输电信号 因而使用时受到环境的限制 如 环境湿度太大可能引起短路 特别是在高温和易燃 易爆环境中容易引起 事故等 而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体 利用光纤传输信 号 它具有许多独特的优点 1 光纤绝缘性能高 不受电磁场干扰 是不导电的非金属材料 其外 层的涂覆材料硅胶也不导电 当光信息在光纤中传输时 它不会与电磁场 产生作用 因而其特别适合于电力系统 2 光纤传感器防爆性能好 耐腐蚀 所用光功率一般很低 不像电传 感器会产生电火花 可能引起气体爆炸 光纤化学性质稳定 可将传感探 头放入恶劣或危险的环境 因此 光纤传感器的安全性能好 燕山大学本科生毕业设计 论文 8 3 光纤柔软 芯细 可做成任意形状的传感器及阵列以实现多点 分 布式传感 光纤传输损耗小 适合于长距离的在线测量 由光纤将信号引 出 在远距离安全地带进行遥控遥测 4 光纤传感器的载体是光 其频率数量级为1014 Hz 从而使传感器频 带范围很宽 动态范围很大 5 光纤的信息容量大 易于组成光纤传感网络 巨大的带宽使得它可 以传输大量信息 采用空分 SDM 时分 TDM 以及波分 WDM 等多路复 用技术 可以使多个光纤传感器共用同一根光纤 同一光源和同一信号检 测设备 大大降低系统成本 6 光纤传感器系统易于和计算机连接 以实现多功能 智能化的要求 其是无源器件 对被测对象不产生影响 由于光纤传感器具有这些独特的优点 光纤传感器的开发一直受到各 国相关学术界和研究机构的高度重视 目前光纤传感器可实现对位移 压 力 速度 加速度 应变 电压 电流 浓度 温度 流量 转矩以及磁 声 光 射线等70多种物理量的检测 2 2 1 光纤传感器的工作原理 入射光波 光纤 光波传播媒介 出射光波 外界因素 温度 压力 应变 电场 位 移等 图2 2 光纤传感原理示意图 当光波在光纤中传播时 光纤受外界因素的影响 会直接或间接引起 表征光波的特征参量如光强 相位 频率 波长等的变化 测出光波参数 的变化 就可以知道引起这些变化的物理量的大小 从而可将光纤用作传 感元件来探测各种物理量 光纤传感器的基本原理见图2 2 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 9 2 2 2 光纤传感器的分类 光纤传感包含对外界信号 被测量 的感知和传输两种功能 所谓对被 测量的感知 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征 参量 如强度 波长 频率 相位和偏振态等发生变化 测量光参量的变 化即 感知 外界信号的变化 这种感知实质上是外界信号对光纤中传播 的光波实施调制 所谓传输 是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光 探测器进行检测 将外界信号从光波中提取出来并按照需要进行数据处理 也就是解调 因此 光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术 光纤传感器可从光纤的功能 信号调制方式及被测对象等不同角度进 行分类 光纤传感器按照光纤的功能可分为两大类 一类是非功能型或传 光型光纤传感器NFF Non function Fiber Optic Sensor 另一类是功能型或 传感型光纤传感器FF Function Fiber Optic Sensor 非功能型传感器中光纤 仅起到传光作用 其性能很大程度上依赖于从光纤进入传感器的光功率 可充分利用现有的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度 同时采用纤芯直 径较大 传递光通量大且受外界环境影响小的多模光纤 主要用于传递光 波的能量或用相关光速传递图像 功能型传感器中光纤既起到传光的作用 又起到传感的作用 并将这些参数的检测转化为光强的检测 其测量灵敏 度较高 但易受到外界环境的影响 因此需要采用特殊的光纤作为探头 一般只能用单模光导纤维制成 在目前开发的高精度 高分辨力及结构小 型化的传感器中多以功能型传感器为主 从光信号调制方式角度 按照调制原理分类 即根据外界信号可能引 起的光强度 频率 相位 波长 偏振态等性质的变化 光纤传感器又可 分为强度调制型 相位调制型 频率调制型 波长调制型和偏振态调制型 等 其中光强调制型在一般工程测量中因结构简单 测量范围大而应用在 精度要求不太高的场合较多 而在对测量精度要求较高的场所则采用偏振 和相位调制型 随着科学技术的高速发展 对传感器的精度 稳定性及小 型化的要求越来越高 因此偏振调制型和相调制型传感器是目前研究和开 发的主要对象 光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述 cos 0 tEE 燕山大学本科生毕业设计 论文 10 其中 E0为光波的振幅 为光波的频率 为初始相位 2 3 光纤的特性与选择 2 3 1 光纤的结构 光纤是用高透明度的石英 或其他材料 经复杂的工艺拉制而成的 工 作在光波波段的一种介质波导材料 光纤把以光的形式出现的电磁波能量 利用全反射原理约束在其界面内 光纤的典型结构是多层同轴圆柱体 一 般是由折射率较高的纤芯 折射率较低的包层以及涂敷层和护套构成 其 结构如图2 3所示 n3 n1 2a 纤心 包层 涂覆层 n2 图2 3 光纤的结构 纤芯和包层作为光纤结构的主体 对光波的传播起着决定性作用 纤 芯的折射率1 n 比包层的折射率2 n 稍大 涂敷层与护套层则起到隔离杂散 光 提高光纤强度 保护光纤等作用 在某些特殊场合不加涂敷层和护套 的光纤称裸光纤 纤芯的折射率较高 其主要成分为二氧化硅 SiO2 其 中掺杂极少量的其他材料 如二氧化锗 GeO2 等 纤芯的直径一般为5 75 m 特殊应用时纤芯直径可达600 m 包层为紧贴纤芯的材料层 折射 率略小于纤芯材料的折射率 其材料一般为纯二氧化硅 有时也掺杂微量 的三氧化二硼 B2O3 或四氧化而硅 Si2O4 以降低包层的折射率 包层的外 径一般100 200 m 涂敷层的材料一般为环氧树脂 硅橡胶等高分子材料 外径约250 m 护套的材料一般为尼龙或其他有机材料 2 3 2 光纤的导光原理 2 3 2 1 光在介质分界面上的全反射 当光线从折射率为n1的介质入射到 折射率为2 n 的介质的分界面上时 将产生反射和折射现象 如图2 4 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 11 入射光 反射光 折射光 n2 n1 1 2 1 图2 4 光在介质分界面上的反射与折射 根据斯涅尔 Snell 定律 光线的入射角 反射角 和折射角 之间满1 1 2 足下面的关系式 即 2211 11 sinsin nn 假设 因此折射角 大于入射角 当入射角增大到21nn 2 1 此时不再有光线进入介质 所有的光 0 12c190 arcsin 时 nn2n 能量将全部发生反射 这种现象称为光的全反射 成为全反射的临界角 c 2 3 2 2 光线在均匀光纤中的传播 所谓均匀光纤 是指纤芯中的折射率 分布式均匀的 不随半径变化的光纤 在光纤中存在两种不同形式的光射 线 即子午光线和斜射光线 1 子午光线的传播 通过光纤中心轴的平面称为子午面 位于子午面 内的光线称为子午光线 要使光能完全限制在光纤内传输 应使光线在纤 芯 包层分界面上的入射角大于或等于临界角 即 i c 2a n0 n1 n2 燕山大学本科生毕业设计 论文 12 图2 5 子午光线的全反射 由图2 5 可知 90 再利用sin sin 则临界状态i 0n1n 状态下有 2 5 2 2 2 110sinsinnnnn 相应于临界角的入射角反映光纤集光能力的大小 称为孔径角 c 0 光纤的数值孔径NA Numerical Aperture 定义为 2 6 22 210sinnnnNA 子午 数值孔径是光纤接收入射光能力的重要参数 它表示入射到光纤端面 上的光线 只有与纤芯轴夹角为 的圆锥体内的入射光线才能在纤芯内传 播 从式 2 6 可见 子午NA 只决定于纤芯和包层的折射率 与纤芯和包 层的直径无关 如图2 5所示 2 斜光线的传播 不在子午面内的光线称为斜光线 其光路轨迹是空 间螺旋折线 它和光纤的中心轴是等距的 如图2 6所示 P O K TO Q H 图2 6 斜光线的全反射 斜光线的全反射条件为 2 7 2 12 1sincosnn 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 13 利用折射定律 sin sin 得到光纤中传播斜光线满足如下条件 0n1n 2 8 0 2 2 2 1 sincos n nn 斜光线的数值孔径为 2 9 cos 22 21nn NA 斜 斜光线的数值孔径比子午光线的数值孔径大 NA 越大光纤的聚光能 力越强 可得到越高的耦合效率 但使光纤带宽下降 光纤损耗越大 通 常NA的取值范围为0 1 0 3 之间 2 3 3 光纤的损耗 光波在光纤中传播 随着距离的增加光功率逐渐下降 这就是光纤的 传输损耗 它直接影响光纤通信系统传输距离的长短 是光纤最重要的传 输特性之一 在光纤传感器中尤为重要 只有降低光纤损耗才能有效传输 光功率 保证传感器的正常工作 由于损耗的存在 在光纤中传输的光信 号不管是模拟信号还是脉冲信号 其幅度都要减小 衰减是光纤的一个重 要的传输参数 它表明了光纤对光能的传输损耗 光纤每单位长度的损耗 直接关系到光纤通信系统传输距离的长短 对光纤质量的评定和对光纤通 信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用 形成光纤损耗的原因很 多 既有来自光纤本身的损耗 也有光纤与光源的藕合损耗以及光纤之间 的连接损耗 一般情况下 光波信号在光纤中传输所受衰减由式 2 2 定义 2 2 dL dP P 1 式中 衰减系数 P 光功率 设输入功率为 则由上式知经长为L的光纤传输后的输出功率为 in p 2 3 exp LPP inout 一般以dB km为单位 所以上式可写为 燕山大学本科生毕业设计 论文 14 2 4 lg 10 kmdBPP L inout 称为光纤损耗系数 光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类 吸收损耗是光波通过光纤的材料时 有一部分光能变成热能 从而造 成光功率的损失 造成吸收损耗的原因很多 主要有本征吸收和杂质吸收 本征吸收是指光纤基本材料 例如 纯Site 固有的吸收 本征吸收是不 可避免的 所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限 对于石 英光纤 本征吸收有两个吸收带 一个是紫外吸收带 一个是红外吸收带 0 85 m 1 3 m 1 55 m是光纤通信中常用的三个低损耗窗口 典型的损 耗值为 在0 85 m时约为2 5dB km 1 3 m时约为0 5dB km 1 55 m时 最小 仅为0 2dB km 已接近光纤损耗的理论极限 在本系统中 由于 光纤只是传输信号 而且传输距离较短 6km左右 对于损耗的要求不是很 高 所以采用峰值波长为0 85 m的LED作为信号光源 并用同样峰值波长 的PD作为光电转换元件 以降低成本 0 1 2 3 4 5 6 0 80 91 01 11 21 31 41 51 61 71 8 OH吸收峰 dK km m 图2 7 光纤损耗特性曲线 2 4 光源的特性及其对光纤的激励 在光纤传输系统中 用光波作为载波 在输入端电信号转换为光信号 即用电信号调制光源 输出端再用光电检测器件将光信号转变成电信号 因此光源是其中很重要的一部分 它需要满足以下的条件 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 15 1 光源发射的峰值波长应在光纤低损耗窗口之间 即与石英光纤三个 低损耗窗口0 85 m 1 3 m 1 55 m相适应 2 有足够高的稳定的输出光功率 以满足系统对光中继段距离的要求 3 光电转换效率高 驱动功率低 同时要求寿命长 可靠性高 4 单色性和方向性好 减少光纤的材料色散 提高光源和光纤的祸合 效率 5 强度噪声比要小 以提高模拟调制系统的信噪比 6 体积小 重量轻 便于安装和使用 也利于光源和光纤的耦合 一般情况下功率光源采用半导体激光器LD 信号光源采用半导体发光 二极管LED 二者的发光区都是由直接带隙的III V族半导体材料制成的P N结构成的 我们选用LED作为系统的信号光源 和半导体激光器相比 半导体发光二极管存在以下优点 使得它得到广泛的应用 1 由于不存在阀值特性 不会出现阐值电流因温度升高而导致工作停 止 它的P I线性很好 利于实现信号无畸变调制 2 虽然半导体发光二极管的光相干性不好 但是避免了半导体激光器 容易产生模分配噪声和对光纤传输线路中放射光较灵敏的缺点 3 工作稳定 输出功率随温度变化较小 不需要精确的温度控制 驱 动电路很简单 可以在很低的驱动电流下工作 这对于微功耗测温探头来 说是非常重要的 4 由于不存在象半导体激光器那样的腔面退化 工作寿命可达小 9 10 时 而且制造简单 成本低 本节中将对LED发光机理和特性的分析 以设 计相应的驱动电路 使它工作在最佳状态 2 5 信号光源 LED 的发光原理及结构 发光二极管是利用注入P N结的电子和空穴复合产生自发辐射发光的 注入式电致发光器件 在正向电压下 电子由N区注入P区 空穴由P区注 入N区 进入对方区域的少数载流子 少子 一部分与多数载流子 多子 复合而发光 燕山大学本科生毕业设计 论文 16 LED主要有五种结构类型 但应用较广泛的只有两种 即面发光二极 管 SLED 和边发光二极管 ELED 是根据其发光面与PN结平行或垂直而 划分的 由于减小了发散角 并消除了发射侧面的辐射 所以边发光LED 的输出藕合效率比面发光二极管高 调制带宽亦较大 可达到200MHz 故 对于NA0 4时相 反 本课题选用的光纤NA 0 275 故选用边发射型LED 2 6 光探测器的工作原理及特性 光探测器的基本工作机理包括三个过程 材料在入射光照下产生光生 载流子 载流子输运或在电流增益机制下的倍增以及光电流与外围电路之 间的相互作用并输出电信号 当半导体材料吸收光能后 在PN光探测器的核心即由P型和N型半导体 材料形成的PN结上会产生光生伏特效应 将光信号转变成电信号 PIN型 光电探测器是在P区和N区之间插入一层介质 实际使用时是将探测器方向 偏置 使耗尽层变宽 光生载流子增加 由于在适当的反向偏压下 这层 高阻区就是耗尽区 耗尽区宽度的增加允许更多的光生电子 空穴对在高 场区产生 同时降低了光电探测器的结电容 因此其响应速度和灵敏度明 显提高 光探测器的特性参数主要有 量子效率 响应度 光谱响应 频 率响应 噪声等效功率 暗电流 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 17 2 6 1 量子效率 量子效率的定义为吸收一个入射光子时能够产生的电子 空穴对个数 是半导体光探测器最重要的指标 光电探测器吸收光子产生电子 光电子 形成光电流 光电流与光功率成正比 由光子统计理论可知 光电流I与入 射光功率P的关系为 I aP nep hv 其中 为光电转换因子 为量子效率 v为入射光频率 可得量子效率 理想状态下 一个光子产生一个电子 即 1 通常 1时 可以接近于 前面可知a与 0I 有关 R亦随 发生变化 Ge PIN在 1 3 m处 R 0 45 A W Si PIN在 0 85 m处 R 0 55 A W InGeAs PIN在 1 3 m处 R 0 6 A W Si PIN在0 8 0 9 m范围内 可接近90 这也是我们采用Si PIN作为光电探测器的原因之一 2 6 3 响应速度 光电二极管的响应速度是由探测信号的上升时间或下降时间来衡量的 通常取两者之间较大的值 在光纤通信中 要求接收端的光探测器能够对 光纤中的高速调制光脉冲信号快速响应 从而提高信噪比 降低系统的误 码率 在半导体光探测器中 影响响应速度的因素主要有 1 耗尽区内载流子的渡越时间 当耗尽区内的电场达到饱和时 载流 子以最大漂移速度咋运动 设定耗尽区宽度 则渡越时间为 d drift v W t 2 耗尽区外载流子扩散时间 载流子扩散运动较慢 而且大部分产生 在耗尽区外的载流子寿命较短 很快就会复合 只有在耗尽区附近一个扩 散长度以内的部分载流子能够扩散进入耗尽区 并在电场作用下才能形成 光电流 设载流子扩散系数 则扩散距离d 所需要的时间是 CD c drift D d t 2 2 第 2 章 光致电源及光纤传输系统的研究与设计 19 3 光电二极管耗尽区电容 耗尽层的电容是影响速度的主要因素之一 这就意味着大面积的探测器不能用于探测调制频率较高的光信号 加大探 测器本征层的宽度对提高量子效率和减小探测器电容是一致的 而增大宽 度意味着载流子在吸收区内的渡越时间会增加 减小探测器的面积可以有 效减少结电容和暗电流 但是小面积的探测器给光纤的有效耦合带来了难 度 因此 为了优化响应速度 需要选择适当的吸收深度和探测器面积 比较合理的做法是选择一定的耗尽层宽度使得载流子渡越时间是调制周期 的一半 响应时间主要由三个部分组成 由结电容和负载电阻所决定的RC 时 间常数 少数载流子通过耗尽层所需的渡越时间 以及光激励的少数 rctit 载流子通过扩散达到P N 结所需的扩散时间td 对于工作在反向偏置电压 的三四元合金PIN PD 其响应时间可达100 ps 以下 但是在光伏模式下的 响应时间要大的多 1 s 但对本系统来说 传输l s 的脉宽是可以满足 要求的 2 6 4 暗电流 理想条件下 当无光照时 光电检测器应无电流输出 实际上由于热 激励 宇宙射线和放射性物质的激励 在无光照条件下 光探测器也有电 流输出 该电流称为暗电流 它主要是由耗尽层中载流子的产生 复合电 流和耗尽层边界的少子扩散电流 以及表面漏电流构成 由载流子产生 复合引起的暗电流是很小的 表面漏电流可以通过钝 2 11 102 mm A ID 化表面来减小 可以减小到之下 此外 暗电流的大小还 2 11 102 mm A dI 与其工作温度 偏压和探测器类型等因素密切相关 2 7 本章小结 在光纤高压触头温度传感器中 设计一个高效率的工作电源与光纤传 输系统是很重要的 本课题选用光电池作探头电源 根据其性能设计了稳 压电路 提高系统的稳定性 光纤传输系统用来在高压回路中传递温度信 号 实现监测对象与监测仪器之间的电压隔离 同时起到绝缘和抗电磁干 燕山大学本科生毕业设计 论文 20 扰的作用 本章具体分析了光纤元器件的工作原理及性能特点 并根据测量系统 的具体用途 选择适合的元器件 设计了光纤传输系统 实现了温度信号 的可靠传递 第 3 章 低功耗测温探头电路的设计 21 第 3 章 低功耗测温探头电路的设计 3 1 集成温度传感器 AD590 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路 它是利用晶体管的b e结压降的不饱和值Vbe与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温 度的检测 集成温度传感器具有线性好 精度适中 灵敏度高 体积小 使用方便等优点 得到广泛应用 集成温度传感器的输出形式分为电压输 出和电流输出两种 电压输出型的灵敏度一般为10mV K 温度O 时输 出为O 温度25 时输出2 982V 电流输出型的灵敏度一般为1 A K AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源 它的主 要特性如下 1 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数 2 AD590的测温范围为 55 15O 3 AD590的电源电压范围为4V 30V 电源电压可在4V 6V范围变化 电流变化1 A 相当于温度变化1 K AD590可以承受44V正向电压和20V 反向电压 因而器件反接也不会被损坏 4 输出电阻为71OM 5 精度高 AD590共有l J K L M五档 其中M档精度最高 在 55 15O 范围内 非线性误差为 0 3 我们选用的是L档的AD590 线性度为0 5 燕山大学本科生毕业设计 论文 22 a 封装形式 AD590 15V R2 100 R1 990 Vo 1mV K b 基本应用电路 3 2 测温探头电路的设计 结合AD590及线性电流输出的特性 我们设计了探头测温电路 关键 部分是AD590和555定时器组成的温度 频率转换电路 电路如图所示 第 3 章 低功耗测温探头电路的设计 23 R 1 TLC555单稳态触发器 CD40487 光电池稳压电路 LED驱动电路 AD59 0 C1 7 2 6 5 1 3 8 光纤传输 光电池稳压电路 3 2 测温探头电路图 3 2 1 温度 频率转换电路 555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成 电路 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可 以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制 等方面 在上图中 555定时器工作在多谐振荡的无稳态方式 输出受温度调制 的矩形波 从而实现温度 频率的转化 通过对频率信号的采集便可以 实现温度测量 频率信号抗干扰性强 易于传输 可以获得较高的测量精 度 燕山大学本科生毕业设计 论文 24 输出端 3 放电端 7 内部参考电压 复位 4 地 1 触发输入 2 阀值输入 6 控制电压 5 Vcc 8 5K 5K 5K C1 C2 R S T1 图3 3 555定时器原理图 图3 3为555定时器内部结构的简化原理图 它包括两个电压比较器 1 C 和 一个RS触发器 放电三极管 复位三极管以及三个阻值为5K的 2 C 1 T 2 T 电阻Z组成的分压器 定时器的主要功能取决于比较器 比较器的输出控 制RS触发器和放电三极管的状态 当比较器的触发输入电压 1 T 2 C 比较器的参考电压 时 输出为1 触发器被置位 放电三 CC VV3 1 2 2 C 2 C 极管截止 而当比较器的阀值输入端电位高于 比较器的参 1 T 1 C CC V3 2 1 C 考电压 时 输出为1 触发器又被复位了 且放电三极管导通 此外 1 C 1 T 若复位端为低电平时 复位三极管导通 内部参考电位强制触发器复位 2 T 而不管比较器的输出信号如何 在图3 2中 555定时器工作于多谐振荡器方式 当电源接通时 通 CC V 过AD590和对电容充电 使得上升 当上升到阀值电平时 1 R 1 C C U CC V3 2 触发器复位 同时放电三极管导通 此时输出电压为低电平 电容 1 T 0 u 通过和放电 使得下降 当降到触发电平时 触发器置1 1 C 1 R 1 T c u CC V3 1 输出电压为高电平 放电管截止 又通过AD590和对电容充 0 u 1 T CC V 1 R 1 C 电 因而周而复始充放电 则产生多谐振荡 在输出端就得到受温度调制 的方波 参见图3 6波形示意图 下面计算方波的频率 从而得到温度 频率的数学关系式 第 3 章 低功耗测温探头电路的设计 25 在充电时 由于AD590作为恒流源 它流过的电流只是温度的函数 所以对电容充电的电流是恒定的 充电时间 1 C 3 1 111 3 3 2 C TK V C TK VV T T CC T CCCC 式中 AD590温度系数 为1 A K T K 电容通过R放电时 时间常数 由三要素法得放电时间 1 C 112 CR 3 2 2ln 3 0 3 2 0 ln 1122 CR V V T CC CC 电路的振荡周期T为 3 3 2ln 3 11121 CRC TK V TTT T CC 所以555定时器输出的方波的频率为 3 4 11 2ln3 31 CTRKV TK T f TCC T 从式 3 4 可知 输出方波的频率是受温度调控的 通过采集频率信 号就能实现温度测量 3 5 2 11 2ln3 3 TRKVC VK dT dF T