二维光纤阵列电弧运动测试系统优化方案

拍摄高速运动图像一般可用CCD数字式高速摄像机，CCD是电荷耦合器件的简称，它是一种半导体装置，能把光学影像转化为数字信号，CCD数字式高速摄像机拍摄灭弧室内电弧运动要在断路器外壳上设置较大的用透明材料制作的观察窗，会影响断路器的开断性能，CCD数字式高速摄像机的拍摄速度一般为10⁴幅/s。而光纤测试系统可将光纤插入灭弧室内，对断路器影响较小，其拍摄速度可达10⁶幅/s，但图像清晰度和空间分辨率则远低于CCD数字式高速摄像机，它的像素点决定于光纤根数。这里重点介绍由西安交通大学研制的带自聚焦透镜的二维光纤阵列电弧运动测试系统如图7-3所示。

系统由多路光纤组成的探头，信号处理系统和后处理计算机及其专用软件组成。光纤探头以二维阵列方式布置，并插入被观察的灭弧室内以测量电弧的光信号，为了提高测量准确度，在每根光纤顶端加装一个自聚焦透镜，使它与普通光纤比，可获得小得多的观察发散角度。

图7-3 光电测试系统

系统利用光纤将测试点光照强度传送至以光电转换元件为核心构成的转换电路，由该电路将光照强度信号转换为与之对应的电压信号，经过A-D转换后将各测试点光照强度随时间的变化情况保存，并在实验结束后将相应数据通过RS-232串行通信口送至计算机。系统软件根据测试数据，用八种亮度不同的颜色表示对应的光照强度，根据需要将测量区域内各点的光照强度随时间的变化过程以可调节的速度模拟再现出来，即可观察到整个开断过程中电弧的运动形态。

系统选择响应速度快的光敏二极管作为光电转换的核心元件，光敏二极管在反向施加一定电压的情况下，产生的反向光电流大小与其顶端采光透镜中通过的光强成正比例关系。使光电流通过一个采样电阻形成电压信号并经过线性放大，即得到可用于A-D转换的电平信号。图7-4为光电信号的采集与放大原理。

图7-4 光电信号的采集与放大原理(www.xing528.com)

系统带有四个模拟通道，以采样频率为15.625kHz、12位A-D转换准确度去采集与整个拍摄过程同步的相关物理量的波形，它们可以是电弧电流、电压、灭弧室压力及动触头支架的角位移等。

系统软件在Windows操作系统下用VC++语言开发，软件具有图形组态功能，用户可方便地在显示器屏幕上绘制和编辑触头灭弧室系统的平面图形以及光纤的位置，通过属性的设置，使其能够正确地反映实际的试验过程。在图形输入方面，软件系统可以和AutoCAD 2000接口，即可以读入AutoCAD 2000的图形文件。

用于观察电弧运动的光纤安装方法如图7-5所示。取观察对象为一塑壳断路器塑壳断路器，观察孔均选择在栅片之间的投影位置，观察孔直径应小于栅片间距，并由塑壳断路器的外壳一直穿透灭弧室侧板，这样才能观察到灭弧室内部栅片之间电弧的运动情况。所有的观察孔构成网格状排列，观察区域覆盖整个触头与灭弧室在侧壁的投影区域，即可观察到电弧的运动全貌。为避免电弧的高温损坏光纤前端的自适应聚焦透镜和光纤本身，光纤并不插入观察孔，而是在光纤顶端的纤维透镜与塑壳断路器侧壁之间安装一层透明的有机玻璃板，电弧光由透明有机玻璃板透出后通过透镜聚焦进入光纤。有机玻璃板外侧是活动光纤的定位模板，该模板是在绝缘板材上与观察孔分布完全相同的位置开设与光纤端部直径一致的定位通孔而成的，实验时将光纤插入定位孔，使其顶端的纤维透镜能够与相应的观察孔垂直正对。

图7-5 实验中光纤的安装方法

以下以低压电器灭弧室优化设计的两个例子来说明上述系统的应用。