CN101813529A - 光纤光栅测温***及多点测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于温度测量领域，涉及一种光纤光栅温度传感***，包括测温传感头和FBG测温控制仪，FBG测温控制仪的SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方向耦合器之后进入测温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中心波长，由宽谱SLED光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长对应的窄带信号，该窄带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别器。本发明同时提供了利用此种测温***实现的多点测温方法。本发明将温度自动控制技术与光纤光栅技术进行了有机结合，改善了一般串联型光纤光栅测温***的不稳定性，并且降低了成本。本发明还提出了一种简化的光纤光栅测温结构，降低了***的复杂性，并且进一步降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及基于光纤光栅的温度监控***，属于传感技术领域。
背景技术
在电力***中，设备长期运行过程中，各种刀闸触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热。通过监测触点温度的运行情况，可有效防止电力设备的火灾发生，因此实现温度在线监测是保证电力设备安全运行的重要手段。由于电力设备高压的环境，导致这些发热部位的温度很难及时在线监测，因此容易导致火灾事故。目前，国内大部分电厂和变电站采用基于电信号传感器的测温***。其中红外测温为非接触测量，易受环境及周围电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量，效率低下；电子温度传感器易受电磁干扰，机械的温度传感器受环境的影响也比较大，以上几种检测方法的测量效果都不够理想。因此开发一种大容量分布式在线实时温度监测***，来监测各种电力设备触点的温度已成为电力行业当务之急。
随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对变电站各设备的温度状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。它对于保证变电站设备的正常运行，减少维修次数，提高电力***的运行可靠性和自动化程度具有重要意义。由于高压电力设备处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。
利用光纤光栅测温多是采用FBG的波长选择性反射原：复合信号进入FBG时，在它反射中心波长附近的光谱几乎全部被反射回去，而非中心波长附近的光就会几乎完全透射。现有的利用光纤光栅测温的方案利用光纤光栅对温度敏感的特性，利用宽带光谱进入光栅后的波长选择反射特性进行温度的测量，将反射波引入光纤光栅解调器从而对波长进行解调，得到待测温度。由于光纤光栅解调器价格昂贵，此方案一般采用多个光纤光栅串联的方式来实现多点的测量。这样各个测量点的成本可以均摊。这种方案虽然实现了利用光纤光栅对温度进行测量，可是由于光栅是串联的，因此一旦其中某个发生损坏，整个***就不能工作了，降低了***的稳定性。
发明专利内容
本发明针对上述现有技术和的不足，本发明提供了两种具有相同发明构思的新型的光纤光栅测温***，并提供两种分别利用这两种测温***实现的多点测温方法，利用带导热板的FBG制成温度鉴别器对所测温度进行鉴别，大大提高了测量精度。并克服了由于串联而造成了***不稳定性，并由于采用自己设计了FBG测温控制仪而大大降低了成本。
本发明的一种光纤光栅温度传感***，包括测温传感头和FBG测温控制仪，其特征在于，FBG测温控制仪包括带导热板的温度鉴别器、宽谱SLED光源、第一光纤方向耦合器、第二光纤方向耦合器、光探测器以及CPU；SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方向耦合器之后进入测温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中心波长，由宽谱SLED光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长对应的窄带信号，该窄带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别器；温度鉴别器的中心波长根据导热板的加热或者降温温度改变，进入温度鉴别器的窄带信号在与温度鉴别器的中心波长相同时反射信号最强，反射信号经由第二方向耦合器被送入光探测器，由光探测器采集的光信号强度被送入CPU，CPU根据光信号强度最大值计算并监测外部温度。
作为优选实施方式，所述的***还可以包括一个将基准光信号送入CPU的另一个光探测器。
本发明提供的另一种光纤光栅温度传感***，包括置于外部环境中的测温传感头、粘附在导热板上的窄带半导体激光器、方向耦合器、光探测器和CPU，所述测温传感头受外部温度的变化而改变中心波长；通过CPU控制导热板对半导体激光器进行加热或者降温，使其中心发射波长发生改变；半导体激光器发射的窄带光进入测温传感头，与测温传感头中心波长相匹配的窄带光被反射后经过方向耦合器被送入光探测器，光探测器输出的信号被送入CPU；CPU内存储有表达窄带半导体激光器发射波长与外部温度之间的关系的校准数据，CPU根据光探测器输入的信号和校准数据，计算外部温度。
本发明同时提供分别利用上述的光纤光栅温度传感***实现的多点测温方法，使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温***并联，通过时分复用实现对多个点的温度巡检。
本发明将温度自动控制技术与光纤光栅进行了有机结合，充分发挥了光纤光栅的优势，改善了一般串联型光纤光栅测温***的不稳定性，并且降低了成本，测温的精度高，使用灵活。本发明还提出了一种采用光开关的并行光纤光栅测温结构，可以进一步降低了成本。具体而言，本发明具有如下优点：
1.耐高温，测量温度范围为0℃～250℃；
2.测量精度高，误差一般在+/-0.1℃；
3.可靠性高，可使用时间多于20年；
4.成本低，一般一个的成本为3000元左右；
5.体积小，便于安装，封装尺寸为Φ5.5×65mm；
6.多个并联时各个探头是独立工作的，不会相互影响；
7.全石英封装，绝缘性高。
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为简化的光纤光栅测温结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的原理图具体说明：
如图1所示，本发明包括测温传感头1，以及FBG测温控制仪2这两大部分。而FBG测温控制仪2中包括了宽谱SLED光源3，两个光纤方向耦合器4和5，温度鉴别器6，导热板7，两个光探测仪8和9，以及一个控制用的CPU。温度鉴别器6是粘附在导热板7上的以便通过导热板7加热或者降温改变温度鉴别器6的光栅周期和中心波长。CPU和导热板7，两光探测器8和9以及SLED光源3相连，控制整个FBG测温控制仪的运作。
如图1，将测温传感头1置于外部环境中，由于外部环境的温度会导致测温传感头的光栅周期发生变化从而改变它反射的中心波长。从测温控制仪2中的SLED光源3发射出来宽谱光通过方向耦合器4之后进入测温传感头，此时的测温传感头由于已经因为外部温度而改变了周期，因此宽谱光进入传感头后反射回来的窄带光就已经携带了外部温度的信息。由于在测温传感头1另一头镀上了吸收膜，因此透射过传感头1的信号就会被吸收，不会因为在后端面发生反射而影响后来的测量。被测温传感头1反射了窄带光通过光纤方向耦合器4和5之后进入温度鉴别器6，此时CPU控制导热板7给温度鉴别器6加热或者降温，同时监测光探测器8和9上接受的光功率。导热板7加热或者降温使得在它上面的温度鉴别器6的温度上升或者降低，使得其中FBG的周期改变从而改变它的反射中心波长。当它加热或者降温的温度不对时，温度鉴别器6的中心波长与传送进温度鉴别器的带有外部温度信号的窄带光不匹配，从而导致窄带激光大部分透射过温度鉴别器6进入光探测器9而光探测器8的接收光功率几乎很为0。而当导热板7加热或者降温的温度正好达到外部温度时，温度鉴别器6的中心波长与传送进温度鉴别器的带有外部温度信号的窄带光正好匹配，从而使得窄带激光大部分被温度鉴别器6反射，反射光通过方向耦合器5之后进入光探测器8，此时光探测器8的接收光功率达到最大时，控制电路停止对导热板进行加热或者降温，并将此时测得的导热板温度作为传感头的温度。与此同时，始终将光探测器2上探测的光信号可以作为参照，自动消除因***其他因素引起的任何干扰。
如想测量多处的温度，可以使用光开关将多个这样的光纤光栅测温***并联，通过时分复用即可实现对多个点的温度进行巡检。这样还可以进一步降低每个测温点的成本。
作为另一个备选实施方案，本发明还提出一种简化的光纤光栅测温结构。
如图2所示，本简化结构包括了测温传感头1，一个窄带半导体激光器2，一个方向耦合器3，一块导热板4，一个光探测器5以及一个控制用的CPU。半导体激光器2粘附在导热板4上，而CPU和窄带半导体激光器2，导热板4，以及光探测器5相连，以控制整个***的工作。
如图2，在测量前先进行事先校准，得到窄带半导体激光器发射波长与外部温度之间的关系。测温传感头1置于外部环境中，由于外部环境的温度会导致测温传感头的光栅周期发生变化从而改变它反射的中心波长。导热板4和半导体激光器2粘附在一起，通过CPU6控制导热板4对半导体激光器6进行加热或者降温，而半导体激光器2的发射中心波长受温度影响，导热板4对激光器的加热或者降温会导致半导体激光器的中心发射波长发生改变。通过CPU 6控制导热板4温度进行周期性变化，从而使得窄带半导体激光器2的中心波长周期性的扫描变化。半导体激光器2发射的窄带激光进入测温传感头1，如果发射的窄带光和测温传感头1的中心波长不匹配，那么窄带激光大部分会透过测温FBG，因为在测温传感头1后端面涂上了吸收膜，透过测温传感头1的窄带光会被吸收膜吸收，而不会反射回来影响测量效果。因此此时光探测器5测得的光功率很小。而如果激光器发射的窄带光和测温传感头1的中心波长匹配，那么窄带光大部分会被测温传感头1反射，通过光纤方向耦合器3进入光探测器5，而此时光探测器5测得的光功率最大。通过CPU的控制即可测得光探测器5上测得的光功率最大时导热板4的温度以及半导体激光器2的发射中心波长。利用事先校准的数据，CPU可以计算得到此时外部的温度。
如想测量多处的温度，同样可以使用光开光将多个这样的光纤光栅测温***并联，通过时分复用即可实现对多个点的温度进行巡检。这样还可以进一步降低每个测温点的成本。
Claims (5)
1.一种光纤光栅温度传感***，包括测温传感头和FBG测温控制仪，其特征在于，FBG测温控制仪包括带导热板的温度鉴别器、宽谱SLED光源、第一光纤方向耦合器、第二光纤方向耦合器、光探测器以及CPU；SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方向耦合器之后进入测温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中心波长，由宽谱SLED光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长对应的窄带信号，该窄带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别器；温度鉴别器的中心波长根据导热板的加热或者降温温度改变，进入温度鉴别器的窄带信号在与温度鉴别器的中心波长相同时反射信号最强，反射信号经由第二方向耦合器被送入光探测器，由光探测器采集的光信号强度被送入CPU，CPU根据光信号强度最大值计算并监测外部温度。
2. 根据权利要求1所述的光纤光栅温度传感***，其特征在于，所述的***还包括一个将基准光信号送入CPU的另一个光探测器。
3.一种采用权利要求1所述的光纤光栅温度传感***实现的多点测温方法，其特征在于，使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温***并联，通过时分复用实现对多个点的温度巡检。
4.一种光纤光栅温度传感***，包括置于外部环境中的测温传感头、粘附在导热板上的窄带半导体激光器、方向耦合器、光探测器和CPU，所述测温传感头受外部温度的变化而改变中心波长；通过CPU控制导热板对半导体激光器进行加热或者降温，使其中心发射波长发生改变；半导体激光器发射的窄带光进入测温传感头，与测温传感头中心波长相匹配的窄带光被反射后经过方向耦合器被送入光探测器，光探测器输出的信号被送入CPU；CPU内存储有表达窄带半导体激光器发射波长与外部温度之间的关系的校准数据，CPU根据光探测器输入的信号和校准数据，计算外部温度。
5.一种采用权利要求4所述的光纤光栅温度传感***实现的多点测温方法，其特征在于，使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温***并联，通过时分复用实现对多个点的温度巡检。
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| CN200910228048A CN101813529A (zh) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | 光纤光栅测温***及多点测温方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103364658A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-10-23 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 基于光纤光栅测温***进行变压器寿命预测的方法 |
| CN105203225A (zh) * | 2014-06-19 | 2015-12-30 | 国家电网公司 | 一种光纤光栅温度检测方法及装置 |
| CN110542444A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-06 | 深圳市简测智能技术有限公司 | 一种光纤光栅解调*** |
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Application publication date: 20100825 |