一種光學傳感器可靠性試驗系統及試驗方法與流程

2023-06-15 15:39:32 1

本發明涉及一種傳感器可靠性試驗系統及試驗方法，特別是關於一種光學傳感器可靠性試驗系統及試驗方法。

背景技術：

光學互感器以其無磁飽和、絕緣性能好及抗幹擾能力強等優點在電力系統測量和保護中得到了廣泛關注。測量精度的溫度穩定性和長期運行可靠性是光學互感器實用化和推廣應用的兩個關鍵性能指標。目前，光學互感器測量精度的溫度穩定性已基本能滿足現場要求。但是，光學互感器的長期運行可靠性特別是其使用壽命還無法通過現場僅有的幾年運行時間獲得。

基於光學原理的光學互感器是光機電一體化的產品，其可靠性涉及面廣、影響因素複雜、故障模式眾多。將光學互感器作為整體，分析其可靠性有一定的難度，一般將光學互感器分為若干組成部件逐個分析，然後再通過相應的可靠性模型進行整體可靠性評估。光學互感器的關鍵部件是光學傳感器，其可靠性在很大程度上決定了光學互感器的可靠性水平。為了促使光學互感器在智能變電站中的推廣應用，並保證光學互感器的長期運行可靠性，有必要對光學互感器的關鍵組成部件光學傳感器進行可靠性試驗，並對其預計使用壽命進行評估。國內外關於光學傳感器，特別是對光學電流傳感器和光學電壓傳感器可靠性的研究較少，還沒有針對性的可靠性試驗標準和方法，更沒有建立針對光學傳感器的可靠性試驗系統。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠對光學電流傳感器或光學電壓傳感器進行可靠性試驗的光學傳感器可靠性試驗系統及試驗方法。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種光學傳感器可靠性試驗系統，，該試驗系統包括：環境試驗箱，用於盛放待檢測光學傳感器樣本，並根據可靠性試驗類型調節試驗環境；光信號發射及檢測單元，用於向待檢測光學傳感器組發射檢測光信號，接收待檢測光學傳感器樣本的反饋光信號，並將所述檢測光信號和反饋光信號分別轉換為對應的數字量信號；合併單元，用於將檢測光信號和反饋光信號對應的數字量信號合併，獲得待檢測光學傳感器樣本的光強數據；監測裝置，用於根據所述光強數據對光學傳感器樣本的可靠性進行評估。

進一步地，所述光信號發射及檢測單元包括LED光源組、分光器組和採集器組；所述LED光源組中的每個LED光源將測試光發射到所述分光器組的相應分光器，每一所述分光器均將一束測試光按設定比例分成兩束；經每一所述分光器出射的其中一束測試光發射到相應光學傳感器樣本進行可靠性測試，完成可靠性測試的光經所述光學傳感器樣本發射到採集器組；經每一所述分光器出射的另一束測試光直接進入所述採集器組；所述採集器組中的每個採集器將對應採集的信號進行模數轉換得到數字量數據，並將得到的數字量數據發送到所述合併單元。

進一步地，所述LED光源組、分光器組和採集器組均設置在一恆溫箱內。

進一步地，所述光學傳感器樣本為光學電流傳感器或光學電壓傳感器。

進一步地，所述可靠性試驗類型包括一般可靠性試驗和耐久性試驗。

為實現上述目的，本發明還採取以下技術方案：一種光學傳感器可靠性試驗方法，包括以下內容：將待檢測光學傳感器樣本放置在環境試驗箱，並根據可靠性試驗類型調節試驗環境；向待檢測光學傳感器組發射檢測光信號，接收待檢測光學傳感器樣本的反饋光信號，並將所述檢測光信號和反饋光信號分別轉換為對應的數字量信號；將檢測光信號和反饋光信號對應的數字量信號合併，獲得待檢測光學傳感器樣本的光強數據；根據所述光強數據對光學傳感器樣本的可靠性進行評估。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明的LED光源組將測試光發射到分光器組，分光器組將一束測試光按設定比例分成兩束測試光，由於在試驗系統中利用分光器組引入LED光源信息，剔除了LED光源輸出光功率波動對光學傳感器靜態工作光強的影響，使得獲得光學傳感器的可靠性數據更加準確。2、本發明可以通過環境試驗箱設置的不同環境條件完成對光學傳感器的一般可靠性試驗和耐久性試驗，因此不僅可以用於光學傳感器在產品研製過程中的可靠性壽命評估的可靠性加速試驗，為確定光學傳感器在規定使用條件下的使用壽命獲取必要的可靠性定量數據，也可以用於定性產品生產過程中的產品可靠性篩選試驗。本發明可以廣泛應用於光學傳感器的可靠性測試中。

附圖說明

圖1是本發明的光學傳感器可靠性試驗系統的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。

如圖1所示，本發明提供的光學傳感器可靠性試驗系統，包括LED光源組1、分光器組2、採集器組3、光學傳感器樣本4、合併單元5、監測裝置6、恆溫箱7和環境試驗箱8；其中，LED光源組1、分光器組2和採集器組3作為光信號發射及檢測單元，LED光源組1包括的LED光源個數、分光器組2包括的分光器個數、採集器組3包括的採集器個數均與光學傳感器樣本4所包括的光學傳感器的個數相一致。

LED光源組1、分光器組2和採集器組3均可以設置在恆溫箱7內，恆溫箱7的溫度根據需要進行設置，目的是為了避免光信號傳播過程中其它環節對光學傳感器試驗結果的影響。光學傳感器樣本4放置在環境試驗箱8內，實際使用時可以依據相應的可靠性試驗內容，環境試驗箱8通過自身的自動控制裝置設置相應的環境條件，對光學傳感器樣本4進行相應內容的可靠性試驗。

LED光源組1的每個LED光源均發出測試光通過多模光纖束髮射到分光器組2的相應分光器，分光器的作用是為了剔除LED光源波動對光學傳感器可靠性試驗結果的影響。每一分光器均將一束測試光按設定比例分成兩束測試光，經分光器組2出射的其中一束測試光通過多模光纖束髮射到相應光學傳感器樣本4進行可靠性測試，完成可靠性測試的光經光學傳感器樣本4通過多模光纖束髮射採集器組4；經分光器組2出射的另一束測試光通過多模光纖束直接進入採集器組4；採集器組4中的每個採集器分別對採集的信號進行模數轉換得到數字量數據，並將得到的數字量數據通過多模光纖束髮送到合併單元5，合併單元5將多組數字量數據合併成一組數據並通過光纖發送到監測裝置6，監測裝置6根據得到的光學傳感器樣本4的靜態工作光強數據完成對光學傳感器樣本4的可靠性評估，並將處理結果進行存儲和顯示。

在一個優選的實施例中，光學傳感器樣本可以為光學電流傳感器或光學電壓傳感器。

在一個優選的實施例中，可靠性試驗類型包括一般可靠性試驗和耐久性試驗，一般可靠性試驗的目的是定性地考察光學傳感器是否滿足符合規定的可靠性基本要求，從而對生產的光學傳感器進行產品可靠性篩選；耐久性試驗的目的是考察光學傳感器的長期可靠性，同時也是為確定光學傳感器在規定使用條件下的使用壽命獲取必要的可靠性定量數據。

一般可靠性試驗內容為光學傳感器在環境試驗箱8設置的不同環境條件相應測試光學傳感器的熱老化、熱循環、溫度-溼度老化、溫度-溼度循環、溼度/凝結循環、凝結後的熱循環和振動，具體試驗內容、試驗條件和試驗時間如表1所示：

表1 光學傳感器的一般可靠性試驗內容

註：RH是溼度的單位，表示相對溼度。

耐久性試驗內容為光學傳感器在環境試驗箱設置的不同環境條件下測試光學傳感器的熱衝擊、高溫貯存(乾熱)、高溫貯存(溼熱)、低溫貯存和溫度循環，具體試驗內容、試驗條件和試驗時間如表2所示：

表2 光學傳感器的耐久性試驗內容

一般可靠性試驗只能給出光學傳感器可靠性的定性結論，要進一步考察光學傳感器的長期可靠性，進而定量地評估其可靠性壽命，則必須進行耐久性試驗。在耐久性試驗之前，光學傳感器必須先通過一般可靠性試驗，耐久性試驗為試驗後進行的可靠性定量評估提供必要的可靠性數據。

下面以一個光學傳感器的可靠性試驗作為具體實施例對本發明的光學傳感器的可靠性系統的原理進行說明。

假設一個LED光源發出的光功率為P0，波動係數為β，分光器的分光比取K1:K2，光學傳感器光路損耗係數α，採集器接收到兩路測試光信號，一路來自光學傳感器樣本輸出的光信號P1，一路直接來自分光器輸出的光信號P2，可以分別表示為：

P1＝αK1βP0 (1)

P2＝K2βP0 (2)

在對光學傳感器樣本進行可靠性試驗開始時，光學傳感器輸出的光信號P10和分光器輸出的光信號P20分別表示為：

P10＝α0K1β0P0 (3)

P20＝K2β0P0 (4)

其中，α0是光學傳感器光路損耗初始係數，β0是LED光源波動初始係數。

在對光學傳感器進行可靠性試驗過程中，光學傳感器輸出的光信號P11和分光器輸出光信號P21分別表示為：

P11＝α1K1β1P0 (5)

P21＝K2β1P0 (6)

其中，α1是光學傳感器光路損耗變化係數，β1是LED光源波動變化係數。

在光學傳感器的可靠性試驗和分析過程中，選擇插入損耗的變化量作為器件失效的判據，則光學傳感器輸出光路插入損耗(包括LED光源的波動)的變化量可以表示為：

分光器輸出光路插入損耗(包括LED光源的波動)的變化量可以表示為：

綜上，由式(7)和式(8)，可以得到光學傳感器樣本插入損耗(剔除LED光源的波動)的變化量：

在進行可靠性試驗評價時，光學傳感器樣本數的確定是比較困難的，因為不可能也沒必要的對所有的光學傳感器樣本進行試驗。但是，如果所取的光學傳感器樣本數太少，可靠性試驗結論的置信度就會偏低。本發明實施例選定參加可靠性試驗的光學傳感器樣本的數量為22隻(僅以次為例，不限於此，具體試驗根據需要進行選擇)，這樣產品質量的不合格率極限水平LTPD為10％，LTPD為10％是指一個批次的產品只有10％的不合格率。

基於上述光學傳感器可靠性試驗系統，本發明還提供一種光學傳感器可靠性試驗方法，包括以下內容：將待檢測光學傳感器樣本放置在環境試驗箱，並根據可靠性試驗類型調節試驗環境；向待檢測光學傳感器組發射檢測光信號，接收待檢測光學傳感器樣本的反饋光信號，並將所述檢測光信號和反饋光信號分別轉換為對應的數字量信號；將檢測光信號和反饋光信號對應的數字量信號合併，獲得待檢測光學傳感器樣本的光強數據；根據所述光強數據對光學傳感器樣本的可靠性進行評估。

上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。