CN117554719A - 一种高精度输电线路温度和应变监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度输电线路温度和应变监测方法，采用的***包含两个支路L1和L2。L1支路接有热稳定F‑P标准具，宽谱光经过标准具后，其透射光谱为包含多个波峰的梳状谱；L2支路接有两个FBG和一个光纤微孔结构，其中FBG1为温度传感器，光纤微孔结构为应变传感器。F‑P标准具的透射光和FBG及微孔结构的反射光分别经LCFBG后，经光电检测器后转换为射频电信号，并送至混频器与原始射频信号混频。混频后的信号经低通滤波器后得到差频信号，被数据采集卡采集后进行分析处理，最后获得温度和应变值。本发明可有效解决现有电类传感器的电磁干扰问题、精度低的问题，可实现大测量范围、高精度和高稳定性的输电线路温度和应变实时在线监测。

Description

一种高精度输电线路温度和应变监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体的涉及一种基于射频检测和色散补偿的高精度输电线路温度和应变监测方法。

背景技术

对输电线路进行实时温度监测，可以提高功率传输能力和可靠性，从而提供最大的能力、成本效益和安全性；监测输电线路的应变变化，可获得舞动、覆冰的程度，从而避免输电线路断股、短路等故障的发生。目前，对输电线路进行温度和应变的监测主要采用的是电类传感器，其技术成熟度比较高，应用比较广泛，但上述测量方式存在不抗电磁干扰、绝缘性能差、电能获取困难、维护成本高等问题。

光纤传感是一种新型传感技术，其通过光学参量反映被测量变化，通过光纤传输信号。由于光纤的传输损耗小，传输速率高，可实现长距离信号传输；光纤本征绝缘，不存在短路问题，也不会受电磁波的干扰；不同类型的光纤传感器可直接或间接实现温度和应变等多种物理量的测量，基于此，发明人研究了一种利用光纤传感技术，基于射频检测和色散补偿的高精度输电线路温度和应变监测方法。

发明内容：

根据现有技术的不足，本发明提供了一种基于射频检测和色散补偿的高精度输电线路温度和应变监测方法，该基于射频检测和色散补偿的监测方法将波长变化转化为光传输的时延变化，通过对射频电参数的检测实现波长解调，可提高波长解调精度，从而提高输电线路温度和应变的监测精度。同时，采用FBG传感器和微孔结构传感器分别实现输电线路的温度和应变监测，相比于电类传感器可显著提高测量灵敏度。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高精度输电线路温度和应变监测方法，包含两部分：波长解调***和传感器。

波长解调***包括L1和L2两个支路，宽谱光源的光经电光调制器进行幅度调制后通过耦合器分为两束光，分别进入两个支路L1和L2。L1支路接有热稳定F-P标准具，宽谱光经过标准具后，其透射光谱为包含多个波峰的梳状谱；L2支路接有两个FBG(光纤光栅)和一个微孔结构传感器，两个FBG具有不同的中心波长，所以，反射光谱由两个波峰构成。F-P标准具的透射光和FBG的反射光分别经LCFBG(线性啁啾光纤布拉格光栅)后，经光电检测器后转换为射频电信号，并送至混频器与原始射频信号混频；混频后的信号经低通滤波器后得到差频信号，被数据采集卡采集后进行分析处理，最后获得温度和应变值。

射频信号源输出的信号一直进行周期性的扫频，L2支路中的两个FBG反射回三束不同波长的光，其经过LCFBG后，不同波长的光产生不同的时延，所以到达光电检测器的时间不同。由于光电检测器的带宽有限，无法响应光频率引起的光功率的变化，但可以响应射频调制引起的光功率的变化，所以光电检测器输出的电信号仍为射频信号。由于射频信号在进行扫频，所以调制光信号经光电检测器转换输出的电信号频率和原始射频信号存在固定的频率差，经过混频器和低通滤波后，可得到两者相减后的射频差频信号。

L1支路中，宽谱光源的光经热稳定F-P标准具后其光谱变为梳状谱，梳状谱中不同的干涉峰对应不同波长的光。所以，L1支路与L2支路类似，在数据采集卡CH1通道采集到的信号也为多个频率成分信号的叠加。由于热稳定F-P标准具的温度稳定性非常高，所以可利用热稳定F-P标准具反射的射频频率去校准FBG反射的射频频率。

L2支路中，在FBG1和FBG2之间通过飞秒激光刻蚀工艺制作了一个微孔结构用来进行应变测量。当应变发生变化时，微孔构成的腔的腔长发生变化，从而引起透射光强度的变化。

经过微孔结构后继续传播的光进入后面的FBG2中，FBG2再将部分光进行反射，再次经过微孔结构后最终进入光电检测器。应变的变化通过与FBG2反射光功率对应的电压来反映。

本发明有益效果：

本发明提供的一种基于射频检测和色散补偿的高精度输电线路温度和应变监测方法，采用FBG实现温度测量，采用光纤微孔结构实现应变测量，并通过检测射频差频信号的频率和幅度实现温度和应变的同时检测，可有效解决现有电类传感器的电磁干扰问题、精度低的问题，可实现大测量范围、高精度和高稳定性的输电线路温度和应变实时在线监测。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于射频检测和色散补偿的输电线路温度和应变监测方法所采用的***的示意图；

图2为光纤微孔结构光传输示意图；

图3为经过微孔结构后再进入FBG2中以及微孔结构、光电检测器中的传输示意图。

具体实施方式：

请参照图1，图1为本申请实施例示出的基于射频检测和色散补偿的输电线路温度和应变监测方法所采用的***的示意图。如图1所示，整个***包括：1个宽谱光源、1个电光调制器、1个射频信号源、第一解调光路L1、第二解调光路L2、1个热稳定F-P标准具、单模光纤、2个FBG、1个微孔结构传感器、2个LCFBG、2个光电检测器、2个混频器、2个低通滤波、1个数据采集装置。

宽谱光源的光经电光调制器进行幅度调制后通过耦合器分为两束光，分别进入两个支路L1和L2。

L1支路接有热稳定F-P标准具，宽谱光经过标准具后，其透射光谱为包含多个波峰的梳状谱；L2支路接有两个FBG和一个微孔结构传感器，两个FBG具有不同的中心波长，所以，反射光谱由两个波峰构成。

L2支路中的两个FBG反射回两束不同波长的光，其经过LCFBG后，不同波长的光产生不同的时延，所以到达光电检测器的时间不同。由于光电检测器的带宽有限，无法响应光频率引起的光功率的变化，但可以响应射频调制引起的光功率的变化，所以光电检测器输出的电信号仍为射频信号。由于射频信号在进行扫频，调制光信号经光电检测器转换输出的电信号频率和原始射频信号存在固定的频率差，经过混频器和低通滤波后，可得到两者相减后的射频差频信号。当温度或应变引起FBG的中心波长发生变化时，则引起时延Δt发生变化，Δt可表示为：

Δt＝DΔλL (1)

式(1)中，Δλ表示FBG波长的变化量，L为光由电光调制器经FBG反射后到达光电检测时所经过的光纤的长度，D为总色散系数。时延变化进一步引起差频频率发生变化，差频频率变化值可表示为：

f_Δ＝BΔt/T (2)

式(2)中，B为扫描带宽，T为扫描周期。

由于不同波长的光的时延不同，所以差频信号的频率也不同，则数据采集卡CH2通道采集到的信号为两个频率信号的叠加，可表示为：

式(3)中，V₁、V₂表示FBG形成的差频信号的幅度，f₁、f₂表示FBG形成的差频信号的频率，提取数据采集卡采集到的信号中各频率成分的频率值，即可获得FBG波长的变化。

L1支路中，宽谱光源的光经热稳定F-P标准具后其光谱变为梳状谱，梳状谱中不同的干涉峰对应不同波长的光。所以，L1支路与L2支路类似，在数据采集卡CH1通道采集到的信号也为多个频率成分信号的叠加，可表示为：

式(4)中n表示F-P标准具透射谱中干涉峰的个数，V_FP1、V_FP2、V_FPn表示F-P标准具形成的差频信号的幅度，f_FP1、f_FP2、f_FPn表示F-P标准具形成的差频信号的频率。

L2支路中的FBG1为温度传感器，FBG1的波长变化Δλ_FBG1可表示为：

Δλ_FBG1＝k_TΔT (5)

式(5)中，k_T为FBG1的温度系数，ΔT表示输电线路温度的变化量。由式(2)和式(5)可知，与FBG1相关的射频差频变化量Δf_FBG1可表示为：

式(6)中的L_FBG1表示光在光路中的传输距离。由(6)可知，获得射频差频的变化量之后，通过解算即可获得输电线路温度的变化。

L2支路中，在FBG1和FBG2之间通过飞秒激光刻蚀工艺制作了一个微孔结构用来进行应变测量，光纤微孔结构光传输示意图如图2所示。图2中三条虚线代表三条光束，对应微孔中介质折射率分别为n1、n2和n3时光的传播方向。空气在微孔中起到了传输介质的作用，由于微孔中空气的折射率与光纤纤芯折射率不同，导致光的传播方向被改变，部分光将不满足全反射条件而耦合到包层中，不能沿纤芯继续传播，从而引起光的透射率发生变化。

经过微孔结构后继续传播的光进入后面的FBG2中，FBG2再将部分光进行反射，再次经过微孔结构后最终进入光电检测器，如图3所示。

应变的变化通过与FBG2反射光功率对应的电压来反映。宽谱光源输出的光功率的波动和外界原因导致的光纤传输损耗的变化都会影响光功率，从而给应变测量带来干扰。FBG1的中心波长与FBG2不同，所以应变变化导致的FBG2的反射光功率的变化不会影响FBG1的光功率，但FBG1反射的光功率同样受宽谱光源波动及光纤传输损耗变化的影响。即式(3)中的V₁和V₂都受上述宽谱光源波动和传输损耗变化的影响，除此之外，V₂还受应变的影响。所以，利用V₁和V₂作为参考，通过除法运算可将V₂中由宽谱光源波动和传输损耗变化带来的干扰去除，从而提高应变测量的精度。定义微孔结构的光透射率T_trans为：

T_trans＝P_O/P_I (7)

式(7)中P_I和P_O分别表示微孔结构的入射光功率和出射功率。出射光经FBG2反射，再次经过微孔结构后的功率P_R可表示为：

P_R＝P_I[T_trans]²R (8)

式(8)中R为FBG2反射率。由以上分析可知，应变变化对微孔结构的透射率有影响，从而影响反射光的功率，反射光经光电检测器后，最终引起输出电压发生变化，上述过程可表示为：

ε→T_trans→P_R→V₂ (9)

式(9)中ε分别表示微孔结构的应变。由式(9)可知，通过检测式(3)中输出电压V2的大小，并通过一定的分析计算，即可获得输电线路的应变。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度输电线路温度和应变监测方法，其特征在于，基于输电线路温度和应变监测***实现，***包括宽谱光源、电光调制器、射频信号源、耦合器、第一解调光路L1、第二解调光路L2、热稳定F-P标准具、单模光纤、两个FBG、微孔结构传感器、两个LCFBG、两个光电检测器、两个混频器、两个低通滤波器、数据采集装置；

宽谱光源的光经电光调制器进行幅度调制后，通过耦合器分为两束光，分别进入第一解调光路L1和第二解调光路L2，第一解调光路L1的宽谱光经过热稳定F-P标准具后，得到透射光；

第二解调光路L2的宽谱光依次经过单模光纤、第一个FBG、微孔结构传感器、第二个FBG，第一个FBG和第二个FBG具有不同的中心波长，第一个FBG和第二个FBG产生反射光，第一解调光路L1的透射光和第二解调光路L2的反射光分别经LCFBG后，经光电检测器后转换为射频电信号，并送至混频器与原始射频信号混频；混频后的信号经低通滤波器后得到差频信号，被数据采集卡采集后进行分析处理，最后获得温度和应变值。

2.根据权利要求1所述一种高精度输电线路温度和应变监测方法，其特征在于，两个FBG反射回两束不同波长的光，其经过LCFBG后，不同波长的光产生不同的时延，所以到达光电检测器的时间不同，光电检测器输出的电信号为射频信号，由于射频信号在进行扫频，调制光信号经光电检测器转换输出的电信号频率和原始射频信号存在固定的频率差，经过混频器和低通滤波后，可得到两者相减后的射频差频信号；当温度或应变引起FBG的中心波长发生变化时，则引起时延Δt发生变化，Δt可表示为：

Δt＝DΔλL (1)

式(1)中，Δλ表示FBG波长的变化量，L为光由电光调制器经FBG反射后到达光电检测时所经过的光纤的长度，D为总色散系数；时延变化进一步引起差频频率f_Δ发生变化，可表示为：

f_Δ＝BΔt/T (2)

式(2)中，B为扫描带宽，T为扫描周期；

不同波长的光的时延不同，差频信号的频率也不同，数据采集卡采集到的信号为两个频率信号的叠加，可表示为：

式(3)中，V₁、V₂表示FBG形成的差频信号的幅度，f₁、f₂表示FBG形成的差频信号的频率；提取数据采集卡采集到的信号中各频率成分的频率值，即可获得FBG波长的变化；

宽谱光源的光经热稳定F-P标准具后其光谱变为梳状谱，梳状谱中不同的干涉峰对应不同波长的光；在数据采集卡采集到的信号也为多个频率成分信号的叠加，可表示为：

式(4)中n表示F-P标准具透射谱中干涉峰的个数，V_FP1、V_FP2、V_FPn表示F-P标准具形成的差频信号的幅度，f_FP1、f_FP2、f_FPn表示F-P标准具形成的差频信号的频率；

第一解调光路L1中，第一个FBG为温度传感器，FBG的波长变化可表示为：

Δλ_FBG1＝k_TΔT (5)

式(5)中，k_T为FBG1的温度系数，ΔT表示输电线路温度的变化量；由式(2)和式(5)可知，与FBG相关的射频差频变化量可表示为：

式(6)中的L_FBG1表示光在光路中的传输距离；

由式(6)可知，获得射频差频的变化量之后，通过解算即可获得输电线路温度的变化。

3.根据权利要求2所述一种高精度输电线路温度和应变监测方法，其特征在于，第一解调光路L2中，在第一个FBG和第二个FBG之间通过飞秒激光刻蚀工艺制作了一个微孔结构用来进行应变测量，即微孔结构传感器；空气在微孔中起到了传输介质的作用，由于微孔中空气的折射率与光纤纤芯折射率不同，导致光的传播方向被改变，部分光将不满足全反射条件而耦合到包层中，不能沿纤芯继续传播，从而引起光的透射率发生变化；

经过微孔结构后继续传播的光进入第二个FBG中，第二个FBG再将部分光进行反射，再次经过微孔结构后最终进入光电检测器。

4.根据权利要求3所述一种高精度输电线路温度和应变监测方法，其特征在于，应变的变化通过与第二个FBG反射光功率对应的电压来反映，定义微孔结构的光透射率为：

T_trans＝P_O/P_I (7)

式(7)中P_I和P_O分别表示微孔结构的入射光功率和出射功率，出射光经第二个FBG反射，再次经过微孔结构后的功率可表示为：

P_R＝P_I[T_trans]²R (8)

式(8)中R为第二个FBG的反射率，由以上分析可知，应变变化对微孔结构的透射率有影响，从而影响反射光的功率，反射光经光电检测器后，最终引起输出电压发生变化，上述过程可表示为：

ε→T_trans→P_R→V₂ (9)

式(9)中ε分别表示微孔结构的应变，由式(9)可知，通过检测式(3)中输出电压V2的大小，并通过分析计算，即可获得输电线路的应变。