一种光纤位置检测系统的制作方法

本实用新型总地涉及光纤位置检测系统，尤其涉及一种适用于高压设备和强电磁干扰环境的低成本光纤位置检测系统。

背景技术：

我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置。只有建设特高压电网，才能适应远距离、大容量电力输送需求。作为特高压电网中的关键设备，诸如交流系统中的气体绝缘开关(GIS)、快速限流器、直流系统中的直流断路器和高压换流器等设备的可靠性显得至关重要。气体绝缘开关(GIS)、快速限流器或者直流断路器等设备中高速开关的可靠检测是保证这些高压设备处于正常工作状态的重要手段。

光纤传感器因其优良的绝缘性能和抗电磁干扰能力，在高压电网中得到越来越多的应用。大型的输变电设备气体绝缘开关(GIS)、直流断路器、快速限流器等特高压设备内部均是高压和强电磁干扰环境，其高速开关的分合闸位置检测非常适宜于采用光纤传感器来实现。

实用新型专利2014108112319.4公开了一种高速开关检测装置及方法，具体公开了采用激光以及光纤系统检测高速开关的运动部件的位置从而确定开关分合闸位置信息的装置构成和检测方法。该专利侧重点在采用激光进行高速开关检测的装置的结构组成以及实现开关分合闸位置检测的方法，未涉及系统布局以及抗电磁干扰等方面的设计，也未涉及发送光纤以及接收光纤的耦合损耗控制和光纤通道损耗控制方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能满足高压输电设备需求的、低成本的光纤位置检测系统。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种光纤位置检测系统，包括依次连接的发光组件、光纤位置检测传感头、光接收组件和处理电路。所述发光组件发出检测光；所述光纤位置检测传感头接收所述检测光；所述光纤位置检测传感头包括发送光纤准直器、接收光纤准直器和挡光块，所述发送光纤准直器连接所述发光组件，用于准直所述检测光，使其变成平行光束，所述挡光块连接待测设备的运动部件，随着所述运动部件的移动，阻挡所述平行光束以产生被遮挡的光信号，所述接收光纤准直器接收所述平行光束，使其聚焦以产生未被遮挡的光信号或接收所述被遮挡的光信号；所述光接收组件连接所述接收光纤准直器，接收经过所述未被遮挡的光信号或所述被遮挡的光信号，产生对应的电信号；处理电路，连接所述光接收组件，根据所述电信号判断所述运动部件的位置。

其中，发光组件、光纤位置检测传感头和光接收组件可采用光纤束或光缆连接。无源的光纤位置检测传感头，可工作于高电压或强电磁干扰环境中。发光组件和光接收组件可位于处理电路上，位于低压或电磁干扰相对较弱的环境中。连接两部分的光纤束或光缆起到隔离高低压环境和电磁干扰的作用。

优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述发光组件、所述发送光纤准直器、所述接收光纤准直器和所述光接收组件均为N个，N为大于等于2的整数，所述发送光纤准直器与所述接收光纤准直器一一对应，每个所述发光组件分别连接一个发送光纤准直器，每个所述光接收组件分别连接一个对应的接收光纤准直器。

更优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述挡光块的宽度大于所述平行光束的宽度。

更优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述挡光块的宽度小于相邻平行光束间距宽度的一半。

优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述检测光波长为850nm、1310nm或1550nm。

更优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器为直射式光纤准直器或反射式光纤准直器。所述直射式光纤准直器由光纤尾纤和聚焦透镜组成，可将光纤内传输光变成平行光束，也可将外界的平行光聚焦耦合进光纤内。所述反射式光纤准直器为所述直射式光纤准直器的聚焦透镜前端设置有全反射棱镜或镀制反射膜，使发送或接收的平行光束的传输方向旋转90°。

再优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述发送光纤准直器和对应的所述接收光纤准直器的出光轴精确对准，所述挡光块随着所述运动部件在所述发送光纤准直器和对应的所述发送光纤准直器之间移动。即发光组件，发送光纤准直器，接收光纤准直器和光接收组件构成光纤通道。发光组件发出的光传送到该通道的发送光纤准直器后被准直，变成平行光束，入射到接收光纤准直器后聚焦耦合，然后被该通道光接收组件接收并进行光电转换。挡光块与高速开关等待测设备的运动部件相连，当运动部件运动到某一位置时，挡光块随之移动从而阻挡某一光纤通道。对应光纤通道的光接收组件输出低电平供处理电路进行高速开关等待测设备的运动部件位置的判断。

还优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述光纤位置检测传感头还包括固定支座。

所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器为直射式光纤准直器时，所述固定支座具有一凹槽，所述凹槽相对的两边侧壁设置有通孔，所述挡光块位于所述凹槽中，所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器分别容置在两边侧壁的所述通孔中，或

所述固定支座包括槽底座和和设置于所述槽底座上的槽盖，所述槽底座具有一凹槽，所述凹槽相对的两边侧壁设置有定位槽，所述挡光块位于所述凹槽中，所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器分别容置在两边侧壁的所述定位槽中。

所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器为反射式光纤准直器时，所述固定支座具有一凹槽，所述凹槽相对的两边侧壁内部具有相互平行的固定槽，所述侧壁表面具有与所述固定槽垂直的通光孔，所述固定槽与所述通光孔相通，所述挡光块位于所述凹槽中，所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器分别容置于两边侧壁的所述固定槽中，所述平行光束通过所述通光孔发送或接收，所述被遮挡的光信号通过所述通光孔接收。

再优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述发送光纤准直器和所述接收光纤准直器为同一个光纤准直器，所述光纤位置检测系统还包括分配组件，所述光纤位置检测传感头还包括反射镜，所述分配组件，接收并耦合所述检测光到所述光纤准直器；所述反射镜与所述光纤准直器的出光轴垂直，所述平行光束入射到所述反射镜后被反射到所述光纤准直器，再经所述分配组件耦合到所述光接收组件；所述挡光块随着所述运动部件在所述光纤准直器和所述反射镜之间移动。即发光组件，分配组件(具体可为分束器或耦合器)，光纤准直器，反射镜和光接收组件构成光纤通道。发光组件发出的光经分配组件耦合并传送到该通道的光纤准直器后被准直，变成平行光束，入射到反射镜后被反射返回光纤准直器，再次经分配组件耦合进光接收组件并被光电转换。挡光块与高速开关等待测设备的运动部件相连，当运动部件运动到某一位置时，挡光块随之移动从而阻挡某一光纤通道。对应光纤通道的光接收组件输出低电平供处理电路进行高速开关等待测设备的运动部件位置的判断。

还优选地，根据上述的光纤位置检测系统，所述光纤位置检测传感头还包括固定支座。

所述光纤准直器为直射式光纤准直器时，所述固定支座具有一凹槽，所述凹槽相对的两边侧壁设置有通孔，所述挡光块位于所述凹槽中，所述光纤准直器和所述反射镜分别容置在两边侧壁的所述通孔中；

或所述固定支座包括槽底座和设置于所述槽底座上的槽盖，所述槽底座具有一凹槽，所述凹槽相对的两边侧壁设置有定位槽，所述挡光块位于所述凹槽中，所述光纤准直器和所述反射镜分别容置在两边侧壁的所述定位槽中。

所述光纤准直器为反射式光纤准直器时，所述固定支座具有一凹槽，所述挡光块位于所述凹槽中，所述凹槽的一侧侧壁内部具有固定槽，侧壁表面具有所述固定槽垂直的通光孔，所述固定槽与所述通光孔相通，所述光纤准直器容置于所述固定槽中，所述凹槽的另一侧侧壁表面具有通光孔，所述反射镜容置于所述通光孔中，所述平行光束通过所述通光孔发送、反射或接收，所述被遮挡的光信号通过所述通光孔接收。

本实用新型提供的光纤位置检测系统中，光纤位置检测传感头是无源的，结构简单可靠，抗电磁干扰能力强，可用于振动环境中，适用于安装于气体绝缘开关(GIS)、直流断路器、快速限流器等特高压设备的高速开关内用于开关动杆位置检测。

本实用新型提供的光纤位置检测系统通过光纤束和光缆实现无源的光纤传感头和有源的发光组件和光接收组件隔离，使无源的光纤位置检测传感头可用于高压和强电磁干扰环境，而有源的发光组件和光接收组件则位于低压环境中并使其避免电磁干扰，保证了系统的可靠性。

本实用新型提供的光纤位置检测系统中，光纤位置检测传感头中的各光纤通道通过采用光纤准直器配对使用或者光纤准直器和反射镜配合使用，可降低机械精度要求，固定光纤准直器的结构件加工难度降低、结构简单可靠；且可大幅减少各光纤通道的损耗，可降低发光组件的输出功率且可以降低光接收组件的灵敏度要求，从而系统整体成本更低。

附图说明

图1为本实用新型中光纤位置检测系统实施例1的光学系统结构示意图；

图2为本实用新型中光纤位置检测系统实施例2的光纤位置传感头俯视图；

图3为本实用新型中光纤位置检测系统实施例2的光学系统示意图，其中光纤位置传感头是侧视图；

图4为本实用新型中光纤位置检测系统实施例3的光学系统结构示意图；

图5为本实用新型中光纤位置检测系统实施例4的光纤位置传感头俯视图；

图6为本实用新型中光纤位置检测系统实施例4的光学系统示意图，其中光纤位置传感头是侧视图；

图7为用于实施例1的圆孔结构的固定支座结构示意图，其中，A为正视图，B为侧视图；

图8为用于实施例1的V型槽结构的固定支座结构示意图其中，A为正视图，B为侧视图；

图9为用于实施例2的固定支座内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

本实用新型所述光纤位置检测系统实施例1如图1所示，实施例2如图2和图3所示。

所述光纤位置检测系统由光纤准直器1、2、3、4，固定支座5，挡光块6，发光组件8、9，光接收组件10、11和光纤束或光缆12，信号发送和接收以及处理电路7(即处理电路)组成。

发光组件8，光纤束或光缆12，光纤准直器1(即发送光纤准直器)，光纤准直器3(即接收光纤准直器)和光接收组件10构成光纤通道1；发光组件9，光纤束或光缆12，光纤准直器2，光纤准直器4和光接收组件11构成光纤通道N(N≥2)。

对于N＝2的情况，发光组件9，光纤束或光缆12，光纤准直器2(即发送光纤准直器)，光纤准直器4(即接收光纤准直器)和光接收组件11构成光纤通道2。

对于N≥3的情况，则是根据待测设备检测位置的需求，在光纤准直器1、光纤准直器2之间设置有(N-2)个光纤准直器(即发送光纤准直器)，光纤准直器3、光纤准直器4之间设置有(N-2)个光纤准直器(即接收光纤准直器)，并且在发光组件8、9之间相应地设置有(N-2)个发光组件，光接收组件10、11之间相应地设置有(N-2)个光接收组件，分别形成光纤通道2到(N-1)。

对每一个光纤通道，发光组件发出的光经光纤束或光缆12传送到该通道的发送光纤准直器后被准直，变成平行光束，入射到接收光纤准直器后耦合进光纤束或光缆12，然后被该通道光接收组件接收并进行光电转换。

挡光块6与高速开关等待测设备的运动部件相连，当运动部件运动到某一位置时，挡光块6随之移动从而阻挡某一光纤通道。对应光纤通道的光接收组件输出低电平供信号发送和接收以及处理电路7进行高速开关等待测设备的运动部件位置的判断。

各光纤准直器通过固定支座5固定，构成无源的光纤位置检测传感头13，可工作于高电压或强电磁干扰环境中。各发光组件和光接收组件位于信号发送和接收以及处理电路7上，位于低压或电磁干扰相对较弱的环境中。连接光纤位置检测传感头13和信号发送和接收以及处理电路7两部分的光纤束或光缆12起到隔离高低压环境和电磁干扰的作用。发光组件和光接收组件均是有源光器件，相对而言更易受电磁干扰影响，将其置于低压或电磁干扰相对较弱的环境中，可大大减少系统受高压和强电磁干扰的影响，系统的可靠性更高。

光纤位置检测系统采用如图1所示的实施例1的结构时，其光纤准直器是由光纤尾纤和聚焦透镜组成(即直射式光纤准直器)，可将光纤内传输光变成平行光束，也可将外界的平行光聚焦耦合进光纤内。每个光纤通道的一对光纤准直器的端面相对、二者位于同一直线上，两光纤准直器的出光轴精确对准，由固定支座5精确定位封装固定，保证各光纤通道的损耗满足光纤位置检测系统的要求。例如，对多模光源而言，一对光纤准直器端面间距为20mm时，当光纤准直器和固定支座5尺寸精度控制得当时，可使一个光纤通道的插入损耗控制在1.5dB以内。

实施例1的优点在于光纤位置检测传感头13结构简单可靠，易于实现。

而对于安装空间狭小的场合，则可以采用如图2和3所示结构紧凑的光纤位置检测系统，也即实施例2。

实施例2与图1实施例1结构的区别在于，图2和图3中的光纤准直器1、2、3、4是采用反射式光纤准直器，即在直射式光纤准直器中聚焦或准直透镜的前端装有一个全反射棱镜或者镀制反射膜，可将光纤内传输光变成平行光束并将光束传输方向旋转90°，也可将外界的平行光的光束传输方向旋转90°再聚焦耦合进光纤内。这样反射式光纤准直器1、2、3、4发送或接收的光与光纤中光的传播方向成90°垂直。对实施例2的光纤位置检测系统，每个光纤通道的一对反射式光纤准直器平行布置，其出光轴精确对准，各光纤准直器以及其尾纤均可放置在固定支座5内，其尾纤形成的光纤束或光缆12通过一个孔从固定支座5出来，光纤束或光缆12各光纤分别连接到位于信号发送和接收以及处理电路7上的发光组件和光接收组件。

实施例2的光纤准直器整体位于固定支座中，外界干扰对光纤准直器影响小，可避免光纤位置检测传感头13在安装时被拉或压到。靠近挡光块6的光纤位置检测传感头13部分占用空间小，更便于集成到高速开关或GIS中。

本实用新型所述光纤位置检测系统实施例3如图4所示，实施例4如图5和图6所示。所述光纤位置检测系统由光纤准直器1、2，反射镜23、24，分束器或耦合器14、15(即分配组件)，固定支座5，挡光块6，发光组件8、9，光接收组件10、11和光纤束或光缆12、信号发送和接收以及处理电路7组成。

所述发光组件8，分束器或耦合器14，光纤束或光缆12，光纤准直器1，反射镜23和光接收组件10构成光纤通道1；所述发光组件9，分束器或耦合器15，光纤束或光缆12，光纤准直器2，反射镜24和光接收组件11构成光纤通道N(N≥2，N为正整数)。

对于N＝2的情况，所述发光组件9，分束器或耦合器15，光纤束或光缆12，光纤准直器2，反射镜24和光接收组件11构成光纤通道2。

对于N≥3的情况，在所述光纤准直器1、2之间另设置有N-2个光纤准直器，所述反射镜23、24之间也设置有N-2个反射镜，所述分束器或耦合器14、15之间也设置有N-2个分束器或耦合器，且在所述发光组件8、9之间对应地设置有N-2个发光组件，光接收组件10、11之间对应地也设置有N-2个光接收组件，分别形成光纤通道2到(N-1)。

对每一个光纤通道，发光组件发出的光经分束器或耦合器耦合进光纤束或光缆12并传送到该通道的光纤准直器后被准直，变成平行光束，入射到反射镜后被反射返回光纤准直器，再次经光纤束或光缆12和分束器或耦合器，被分束器或耦合器耦合进光接收组件并被光电转换。

挡光块6与高速开关等待测设备的运动部件相连，当运动部件运动到某一位置时，挡光块6随之移动从而阻挡某一光纤通道。对应光纤通道的光接收组件输出低电平供信号发送和接收以及处理电路7进行高速开关等待测设备的运动部件位置的判断。各光纤准直器和反射镜通过固定支座5固定，构成无源的光纤位置检测传感头13，可工作于高电压或强电磁干扰环境中。各发光组件和光接收组件位于信号发送和接收以及处理电路7上，位于低压或电磁干扰相对较弱的环境中。分束器或耦合器一个端口连接光纤束或光缆12，另一侧两个端口分别连接对应通道的发光组件和光接收组件，各通道分束器或耦合器位于信号发送和接收以及处理电路7附近，也位于低压或电磁干扰相对较弱的环境中。连接光纤位置检测传感头13和分束器或耦合器14、15的光纤束或光缆12起到隔离高低压环境和电磁干扰的作用。

光纤位置检测系统采用如图4所示的实施例3的结构时，其光纤准直器采用与实施例1同样的结构，每个光纤通道的光纤准直器出光轴和反射镜垂直，光纤准直器和反射镜由固定支座5精确定位封装固定，保证各光纤通道的损耗满足光纤位置检测系统的要求。

如图5和6所示实施例4其光纤准直器结构和实施例2中一样，也是反射式光纤准直器，每个光纤通道的反射式光纤准直器出光轴和反射镜垂直，各通道光纤准直器以及其尾纤均可放置在固定支座5内，其尾纤形成的光纤束或光缆12通过一个孔从固定支座5出来，光纤束或光缆12各光纤分别连到各光纤通道的分束器或耦合器，各光纤通道的分束器或耦合器另外的2个端口再连接到位于信号发送和接收以及处理电路7上的发光组件和光接收组件。实施例4同样具备实施例2的光纤位置检测传感头占用空间小的优点。

对上述各实施例，发光组件内含LED光源或LD光源，波长可以是850nm波段可见光也可以是1310或1550nm的红外光。根据不同波段的光源，光纤束或光缆12相应地需要选择多模或单模光纤，也需选择对应波段的光接收组件。

挡光块6的宽度应该小于两相邻光纤通道间距的一半而大于光纤准直器的光束宽度。

关于光纤位置检测传感头的固定支座结构具体可如图7-9所示。

对于实施例1的光纤位置检测系统，其固定支座5可如图7所示。固定支座具有一凹槽151，凹槽151相对的两边侧壁设置有通孔152，挡光块6位于凹槽151中，发送光纤准直器1、2和接收光纤准直器3、4分别完全或部分容置在两边侧壁的通孔152中。同一光纤通道的一对光纤准直器的聚焦透镜通过相对设置的通孔152精确对准，即该对光纤准直器的端面相对且位于同一直线上，出光轴精确对准。该光纤准直器可采用胶粘结或螺钉固定在通孔152中固定。粘结用胶可选常温或高温固化胶，如双组份环氧树脂胶，要求胶的硬度和可靠性高。

对于实施例3的光纤位置检测系统，同样可以在凹槽相对的两边侧壁上开精确对准的孔来固定每个光纤通道的光纤准直器和反射镜，固定二者的孔可以不一样，但需要保证同一光纤通道的两个孔的同心度。且此时固定反射镜的孔孔可以不是通孔，仅用于固定反射镜，无出纤要求。

对于实施例1的光纤位置检测系统，其固定支座5可以采用如图8所示的槽盖配合的固定结构。固定支座5包括槽底座252和和设置于槽底座252上的槽盖251，槽底座252具有一凹槽2522，凹槽2522相对的两边侧壁设置有定位槽2521。挡光块6位于凹槽2522中，发送光纤准直器1、2和接收光纤准直器3、4分别容置在两边侧壁的定位槽2521中。同一光纤通道的一对光纤准直器的聚焦透镜通过槽底座252上一对精密对准的定位槽2521来保证其对轴精度，即该对光纤准直器的端面相对且位于同一直线上，出光轴精确对准，从而保证该对光纤准直器的耦合损耗满足要求。槽底座252和槽盖251可通过螺钉或胶固定。各光纤准直器通过胶以及螺钉固定安装于定位槽2521中，且螺钉并非必需的。同样粘结用胶可选常温或高温固化胶，如双组份环氧树脂胶，要求胶的硬度和可靠性高。槽盖251在与定位槽2521相对应的位置还可开有辅助槽2511。需要说明的是，图8只是这种槽盖配合的固定支座5的一种示意图，图8中槽底座252的定位槽2521可以从V型槽改成U型槽、方形槽、半圆形槽或者其它形状的槽，槽盖251的辅助槽2522可以从V型槽改成半圆形槽或其他形状的槽。

对于实施例3的光纤位置检测系统，同样可以采用与图8类似的槽盖配合的固定支座5结构，每个光纤通道的光纤准直器和反射镜位于槽底座上精密对准的定位槽中，固定二者的槽形状可以不一样，但需要保证同一光纤通道的两个定位槽中心线对准。固定反射镜的槽长度可以较短，能固定反射镜即可。

对于实施例2的光纤位置检测系统，其固定支座5可以采用如图9所示的固定结构。固定支座5具有一凹槽351，所述凹槽相对的两边侧壁内部具有相互平行的固定槽352(也可以为孔)，侧壁表面具有与固定槽352垂直的通光孔353，固定槽352与通光孔353相通。挡光块6位于凹槽352中，发送光纤准直器1、2和接收光纤准直器3、4分别容置于两边侧壁的固定槽352中，平行光束通过通光孔353发送或接收，被遮挡的光信号通过通光孔353接收。该固定支座还可以包括走线空间354和出线孔355，固定槽352与走线空间354相通，走线空间354与出线孔355相通。光纤准直器的尾纤走线容置于走线空间354中，走线空间为孔或槽或其它形状，出线孔用于供光纤束或光缆12出线。其中走线空间364和出线孔355也可以省略掉。

对本实用新型的实施例4，其固定支座5同样可以采用图9所示结构，更优选的，仅需一侧的固定槽352，另一侧的固定槽365可以省略掉；仅留通光孔353用来固定反射镜。若选择使用走线空间354，则其只需与一侧的固定槽352连通即可。

本实用新型所提出的光纤位置检测系统，最主要的技术特征是其采用多对直射式光纤准直器或反射式光纤准直器配对使用来形成自由空间光纤通道，或者采用光纤准直器与反射镜配合使用来形成自由空间光纤通道。通过设计合适结构的固定支座来固定光纤准直器对或者光纤准直器与反射镜，保证各光纤通道的损耗。同时无源的光纤位置检测传感头可布置于位于高压和强电磁干扰环境中，有源的发光组件以及光接收组件则处于低压或若电磁干扰或无电磁干扰环境中，二者通过光纤束或光缆连接。本实用新型还披露了采用直射式光纤准直器或反射式光纤准直器配对使用的光纤位置检测系统结构，也披露了采用直射式光纤准直器或反射式光纤准直器与反射镜配合使用的光纤位置检测系统结构，同时展示了两种采用光纤准直器配对使用的光纤位置传感头的固定支座和光纤准直器的精密配合安装方法，也披露了采用反射式光纤准直器配对使用的固定支座和反射式光纤准直器的精密配合安装方法。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。