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1、 南京理工大学硕士学位论文基于新型光纤温度传感器的电缆温度监测系统研究姓名：张熙岳申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：吴军基；张振远2010 关键词：电缆；光纤：温度传感器；无线传输 仃鷒鹏蓇 吐 瓸研识以瑃：鷓 仃猤眦 胁瑃齞诵：籓籘 基于新型光纤温度传感器的电缆温度监测系统研究研究背景和意义电力系统是关系到国计民生的重要领域，其安全运行一直是电力、钢铁、石化等各行业相关部门高度重视的问题。多年来，虽然采取不少措施和技术，仍然存在着不少隐患，事故时有发生。调查研究发现，大多数的事故是由于电力系统的热事故造成设备损坏、引起火灾而影响电力系统可靠运行，而电力电缆是电力运行系统中发生热事故最
2、多部位之一【。 电缆温度监测系统研究现状按其检测距离分为：非接触式监测和接触式监测。 光纤包层，液体和光纤封装在一个金属壳体中，如下图所示。图液体光纤温度传感器结构图 经耦合器到波长检测装置测出其波长，然后在转换成温度值。旭的波长值与光栅本身有关，不同波长的光纤光栅，对应反射回不同的波长且载有温度信息的光信 根据电缆对温度监测的需求，重新设计并制造适合电缆温度监测的光纤温度 要正确使用光纤温度传感器采用的光纤，就必须了解光纤的基本知识。光纤主要有纤芯和包层组成。部分光纤为增大其抗拉、抗压、抗刮的特性，表面还涂覆有包层。自从年现代意义上的光纤诞生以来，通过多年研究探索，目前光纤种类已有数十种之多
3、，其应用范围越来越广。其作用更是众所周知。按照光纤制作材料可分为玻璃光纤、石英光纤和塑料光纤。光纤不仅可传光，还可传像、 传感。每一种光纤都有其特定的传输特性、物理特性、化学特性和几何特性。传输特性由衰减蛩鸷和色散虼来描述。衰减是光能在光纤中沿着波导逐渐减小乃至消失的特性，它描述在给定信号功率和检测灵敏度工作条件下，在光纤中传播的信号无失真状态下最大传输距离。色散是光信号在光纤中传播时引起的光脉冲展宽现象，它决定在给定长度光纤的最高脉冲或数据的传输速度。光纤温度传感器用的光纤主要使用其两种特性，一是利用其传光特性将温度参数传换成光信号，再将光信号通过光纤传输到适当的距离；二是利用其光纤自身物理
4、或化学特性与光纤传光特性相结合，将由于温度变化导致光纤物理化学参数发生变化量转换成光信号的变化并通过光纤传输给探测装置。光纤的种类繁多，按制造材料主要分为塑料光纤、玻璃光纤、石英光纤，当然还有液体光纤等应用不是很广泛的光纤。由于材料的不同使得其被应用在温度传感器时传感范围高温物体，可以远距离收集被测物所发出的红外热辐射能、光频谱等光学参数，大大增加了测量温度场的范围。但玻璃光纤同时也遇到了材料自身对紫外光波段的弱探测特性，在使用其光谱参数为温度参考数值时就只有石英光纤可是适合。事物总是存在两面性，虽然石英光纤有着高出塑料光纤和玻璃光纤的优良的特性，但其造价要远高于它们，这也使得在工程应用中往往
5、选择性价比较为适中的玻璃光纤作为光纤温度传感器使用。在利用光特性对被测物进行温度测量采样时还应考虑到光纤的单模与多模的区别。光波在光纤中传播存在模式问题，模式是指传输线横截面、纵截面的电磁场波的分布情况，不同的模式有不同的场结构，每一种光纤都有对应的基模或主模，基模是截止波长的最长模式。截止波长较短的其它模式成为高次模。根据光纤传输模式的数目，可把光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种模式，但其可以按两种互相正交的偏振状态出现。多模光纤能够传输多种模式，模数可达数百种，即不是所有光纤都可以传所有波长的光，有的光纤只能传播一种或几种波长的光，以目前应用较多的通讯光纤为主，当然其特性同样
6、可以拿来用在温度传感领域；再有即为可以传输某一波段光 的光纤，以多组份玻璃传光光纤为代表。表光源种类一览表光源一般特性见表表光源一般特性表光源寿命小小便宜一般便宜一股贵荧光灯贵很小 光电探测器实例光电二极管牧喜捎肧珿珿光电二极管牧喜捎肧雪崩光电二极管牧喜捎肧珿光电元件牧喜捎肅，电子管类光电管、摄像管、光电倍增管色敏传感器牧喜捎肧琣其他类位置检测传感牧喜捎肅，光纤传感器 全光纤传感器也称为传感型光纤传感器。光纤温度传感器是根据光纤的热性术的光纤温度、应力变形测试仪。全光纤温度传感器有多种应用方式，特点各不相同。图中表示的是利用光纤中通过光强的变化的测温传感器。由于环境温度 涂敷层纤芯图光强变化温
7、度传感器偏振光光纤温度传感器入射光纤芯涂敷层光纤相位温度传感器 基于新型光纤温度传感器的电缆温度监测系统研究入射光纤芯涂敷层图光纤相位温度传感器光纤干涉条纹温度传感器样就给光纤传感器的应用带来了难度，检测成本比较高。入射光参考光光纤光栅温度传感器 只是对纤芯的折射率分布做些改变。光纤结构小巧，要求传感探头尺寸比较小的场合，如测量复合材料的应变分布、人体的温度分布一图光纤光栅结构图布拉格光栅是由改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期调制而成。由于周期性折射率的扰动仅会对波长较窄的光谱产生影响，因此当光波在光栅中传输时，光波将在光栅对应的频率上被散射回来，其余光谱光线几乎不受影响的透射出去。光纤光栅
8、实际上起到了光滤波器作用。当光纤光栅在轴向上发生长度变化后就会发生光栅反射波长的漂移现象。波长和温度的关系如下： 式中，毛就是光纤的热光系数。测温分辨率：光纤传输距离：光纤光栅与温度、应力等有着很好的线性关系，使其能够广泛应用于桥梁、大坝、隧道等大型结构或者油罐、高危液体等的较高精度检测系统。光纤光栅温度传感器应用评价：光纤光栅温度传感器具有很高的测温精度，但用于在电力电缆实时检测有点大材小用。电缆接头或连接体处如果出现较大的温升，在以后再出现报警是允许的，传感器能在预置的阀值报警就可 光纤波选温度传感器波长 机械调制光纤温度传感器测量原理：当传感探头置于被测温度场时，被测温度的变化将引起双金
9、属片的弯曲变形，通过遮光片将其转换为直线位移，从而使得从输入光纤耦合到输出光纤的光通量发生变化，即光强度受到了调制。光通量的变化与遮光片的位移大小有关系，于是通过光电检测得到的电流大小也发生相应的变化，再通过电流至电压的转换，使测得的电压值即为温度的变化值【】。图机械调制光纤温度传感探头结构传感器结构原理结构：图 本章小结 基于新型光纤温度传感器的电缆温度监测系统研究分布式光纤温度监测系统分布式光纤温度监测系统是基于分布式光纤拉曼散射原理建立的一种实时、在线、多点的光纤空间温度场的测量系统。此项技术已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与手段。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的
10、研究工作只是刚刚开始。分布式光纤传感技术能够连续测量光纤沿线各点的温范围内，空间定位精度达到庀索砗餫散射温度传感原理 散射光强图甀光纤散射频谱传感器控制中心骺丶扑慊显示记录判断报警指挥决策图拉曼髆锄散射光纤温度监测系统组成 统等相结合的方法，对电缆的温度、隧道积水情况、可燃性气体等电缆隧道的环信息。系统测温系统的主机与各路传感器之间采用总线形式进行网络连接，温度监测系统主要用于电缆温度监测，由于数据处理单元有极大的利用空间，也可以把其它各个测量单元露燃嗖庀低场何豢9亍扇计逄酵和控制单元潘谩欧缁阑鹈连接组成一个完整的网络，以达到集中测量，集中显示报警，集中控制和集中管理的目的。分布式光纤测温系统
11、能够全面、连 续、动态、实时、在线监测电缆区域内的温度状况，并对其准确定位和各种报警。号控制排风扇的开启；根据分布式光缆测温系统的温度或火情信息，自动控制测光缆，就可以连续地得到沿着高压电缆每一点的温度信息，进而采用标准的电缆实时热模型可以得到电缆的动态载流量的情况，对于优化输配电线路输送容量和指导电力线路的扩容有重要的意义。另外可以进行实时的在线监测，同时对各个点的温度信息可以设置预警，减小突发事件的发生。根据温度可以确定电缆的负荷变化，合理地配置负荷，合理地扩大现有电缆的容量，增加电缆的工作寿命。该技术应用于电缆测温必在很大程度上完善目前的测温技术，有效提高我国电网的运行水平。光纤光栅温度
12、监测系统外广泛应用的一种世界上最先进的光纤传感技术。其实现原理是：直接在石英单 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的干浠蚍瓷滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来激光源控制中心骺丶扑慊显示记录判断报警指挥决策图光纤光栅温度监测系统组成 仪基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放
13、大技术提解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。同传统的应变传感器如电阻应变片、压电陶瓷应变计等相比，光纤光栅传感器具有体积小、结构简单、寿命长、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，同时可实现传感信息的波长编码和参量的绝对测量，为建筑结构的监测和疲劳寿命评估提供了良好的技术手段。目前对光纤光栅传感技术的研究已发展到了实际工程应用阶段，其中利用光纤光栅传感器实时监测大型建筑物缜帕骸蟀印淼赖健康状况成为当前应用研究的热点。光纤光栅传感器可对应变、温度、压力、加速度和强磁场等多种物理量进行检测，但其基本原理是相同的，即外界待测参量的变化引起光纤光栅中心波长的偏移，因而如何方便快捷地检测出光纤光栅的微小位移是光纤光栅传感器实用化的关键技术。目前，生产光纤光栅解调议的公司主要有国外的海紫珊、北京品傲公司等，其解调仪多基于可调谐光纤法珀滤波器解调或可调谐 图无源比例解调结构框图关系，如下式所示：式中：为南煊凳砦猈的参考波长，九为待测光纤光栅传感器的波长线性范围足够大的同时，应尽量增加以便提高波长测量精度。图为、 分光比波长
