（计算机应用技术专业论文）基于光纤光栅的电力电缆温度在线监测系统研究.pdf

摘要 在城市电网中，电力电缆的运行状态是工作人员一直关心的问题，电力电 缆附件的运行温度，是反映其运行状态的重要参数，它们也是电力系统安全运 行中最容易发生故障的地方。当运行负荷增加或环境温度升高时，电缆接头温 度容易随之上升，当超过电缆所能承受的临界值时，电缆接头就有可能发生爆 炸，造成大范围的断电或是引起火灾。电力电缆温度在线监测系统可以实时监 测电缆的运行状态，及时报警，能够有效的避免电缆火灾等事故的发生，减少 经济损失。 本文在研究国内外常用电力电缆温度监测方法的基础上，通过分析对比点 式、线式和热效应等温度传感技术，提出了基于光纤光栅的电力电缆温度在线 监测系统。该系统充分利用了光纤传感器技术具有电绝缘性好、抗干扰能力强、 高灵敏度等特点，结合地理信息系统、网络编程和多线程技术，不仅具有较强 的实时性，而且给用户提供了友好的图形化界面，能够满足实际工程需要，有 很好的应用前景。 针对系统处理数据量大、实时性强的特点，本文采用c s 架构，软件部分 由采集客户端和监测中心客户端组成。采集客户端通过串口收集实时数据，初 步处理后，通过网络传送给监测中心客户端；监测中心客户端根据需求将这些 数据以多元化的方式显示给用户。所研究的主要内容如下： 首先，分析了光纤光栅传感器的温度传感特性和应变传感特性，了解了目 前比较流行的光纤光栅的波长解调技术。 然后，从系统的整体架构开始分析，描述了系统的设计原则和功能需求， 并简单介绍了系统的开发环境。接着，阐述了系统软件设计过程，分析了系统 设计过程中碰到的难点问题，并对应给出了关键的技术解决方案，包括使用 m a p x 完成地理信息系统定位功能；w i n s o c k 网络编程实现数据网络传输功能； 使用多线程技术，解决海量数据采集处理的问题；采用动态链接库技术调用计 算模块。 一 最后，对本系统的设计和实现做了总结和展望。 关键字：光纤传感，温度监测，电缆， m a p x a b s t r a c t t h es t a t u s0 fp i d w e rc a b l ei nu r b a np o w e rs y s t e mi st h ep r o b l e m t h a ta t t r a c t st h e m o s ta t t e n t i 明c a b l ef a u l t s a r er e s p o n s i b l ef o rb r e a k i n gd o w nt h ep o w e fs u p p l y s v s t 锄i t st 锄p e r a t u r ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e r t or e f l e c tt h er u n n i n g s t a t u so fc a b i e w h e n1 0 a do re n v i r o m n e n t 砒t e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h e t e m p e r a t u r eo fc a b l ej o i n t w i l lr i s e t h ec a b l ej o i n tm a ye x p l o d ew h e nt h et e m p e r a t u r e i s0 v e t 蝴lv m e m o r es e r i o u s l y t h a tm a y l e a dt og r e a tp o w e rf a i l u r eo rf i r e t h eo n 。l i n et e m p c r a t u r e m o n i t o r i l l gs y s t e m c a i le a s i l ym o n i t o rt h er e a l - t i m es t a t u so fc a b l e ，t i m e t ya l a 珊，卸d c a l le f f e c t i v e l ya v o i dc a b l ei w e a c c i d e n ta n dr e d u c et h ee c o n o m l c l o s s e s b a s e d0 nt h ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r em o n i t o r i n gm e t h o d s ，t h i sp a p e r c o m p a r c d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fp o i n ts e n s i n gt e c h n o l o g y , l i n e a rs e n s l n g t e c h n o l o g ya n dt h e r m a le f f e c ts e n s i n gt e c h n o l o g y t h e n a l l 彻。i i n e 2 e m p ! c 咖r e m 蚰i t o r i n gs y s t e mo fp o w e r c a b l eb a s e do nf b gi sp r o p o s e d t h i ss y s t 锄m a k e s f u l l u s e0 ft h ee l l a r a c t e f i s t i c so fo p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g y i ta l s o u s e sg e o g r a p n l c i n f o n i l a t i o ns y s t e m ，n e t w o r kp r o g r a m m i n g a n dm u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y f h i s s y s t e mh 弱h i g h f e a l t i m ea n dp r o v i d e sau s e r f r i e n d l yg r a p h i c a li n t e 融n c 锄m e e t t h ee n g i n e e r i n gn e e d sa n dh a s 删p r o s p e 幽 一 h l0 r d e rt om e e tt h es y s t e mh a n d l et h ev o l u m eo f d a t aa n dr e a lt i m ef e a t u r e st h i s p a 阿a d 0 1 ) t sc s a r c h i t e c t u r e ，t h es o f t w a r ep a r t c o n t a i n sc l i e n tm o d u i a t c 觚d m o n i t o r i n gc e n t c rm o d u l a t e t h ec l i e n tm o d u l a t ec o l l e c t s r e a lt i m ed a t at h r o u 曲t h e s e r i a lp o n a n dt h e nt h ed i s p o s e dd a t ai s s e n tt om o n i t o r i n gc e n t e r h r o u 曲h e n e t w o r k t h em o n i t o r i n gc e n t e rp r o v i d e sv a r i o u sf u n c t i o n s b yu s i n g t h e s ed a t a n em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y t h et e m p e r a t u r cs e n s i n gp r o p e r t i e sa n ds t r a i ns e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n gs e n s o r si ss t u d i e da n dt h ep o p u l a rw a v e l e n g t h d e m o d u l a t i 伽t e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fs y s t e mi sa n a l y z e d ；t h e nt h ed c t a i l o fs y s t e m d e s i 龋a n di m p l e m e n t a t i o ni sp r e s e n t t h ep a p e ra n a l y s e s t h ed i f f i c u l tp r o b l e m st h a t 0 c c u r r e di i lt h ed e s i g np r o c e s sa n dp r o v i d e s t e c h n i c a ls o l u t i o n s s u c h 豳：m a p x c o n t r 0 1u s e dt or e a l i z e l o c a t i o no fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ；w i n s o c k n e t w o r k p r o g r a m m i n gu s e d t or e a l i z ed a t an e t w o r kt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ，m u l t i t h r e a d t e c h n i q u eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fm a s sd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，a n d d l l t e c h n o l o g yu s e dt of i n i s hc a l c u l a t i o nm o d u l e f i n a l l y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h i ss y s t e mi ss u m m a r i z e da n dp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r , t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g , c a b l e ，m a p x i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：氲嗵日期：塑坦! 皇：兰笠 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ：笳 ：壤导师( 签名) 刮芳日期冽口岁芗 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着城市的加速发展，城市电缆建设发展也及为迅速，电力电缆在城市电 网中的应用也越来越广，大量的电力电缆敷设在距离较长且走向复杂的电缆沟 内，这些电缆由于长期运行在高电压、强电流的环境下，容易引起温度上升、 温度异常，最终导致电缆接头爆炸，造成火灾【。 电力电缆是电力配电系统中十分重要的设备，它对电力负荷的安全稳定供 给有着瓶颈制约作用。通常一根电缆就负担着一片居民区的供电任务，所以电 力电缆的运行状态的好坏直接影响着电力的供配，根据统计资料显示，一旦高 压电力电缆发生突发性故障，小则造成用户长时间停电，严重时可能导致电缆 线路外围设备的连锁反映而发生故障，甚至导致配电系统部分的瘫痪【2 引。据有 关资料统计，我国在1 9 7 5 1 9 8 5 年间，因电缆着火造成的重大事故发生6 0 起， 造成直接或间接损失达5 0 亿。在1 9 8 6 1 9 9 2 年7 年间，仅我国火电厂发生电缆 火灾7 5 次，其中有2 4 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂达4 6 次，7 0 以上的电缆火灾所造成的损失非常严重。近十年问，由电气引起的火灾 事故在总数中一直占有最大的比重，造成的人亡和损失也最大。国外，美国在 1 9 6 5 1 9 7 5 年统计的3 2 5 8 次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就占3 0 5 ，直 接损失约4 0 0 0 力美元。同本曾对电力、钢铁、石油化学、造纸等工程企业调查， 有7 8 的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占4 0 。由此可见， 因电力电缆故障带来的损失是不可忽视的，严重时直接影响的城市居民的生活 和人生财产安全。随着各方面对供电可靠性要求的不断提高，需要对电缆的运 行状况进行实时监测，以便掌握电缆的运行状态从而推断出电缆的使用寿命， 及时发现电缆的潜在隐患并进行有效处理，减少对由电缆故障造成的直接损失， 提高供电的可靠性。 通过多种数据分析，得知在电缆火灾事故中的主要原因是电缆附件质量问 题或安装问题。电缆本身特性，附件( 终端、接头) 需要在敷设完成后现场安 装，故附件是整条电缆中绝缘性能最薄弱的地方，也是电缆故障的集中地。根 武汉理工大学硕士学位论文 据不完全统计，在现有的非外力电缆事故中，绝大部分都是由于中间的附件引 起的。当电缆本体在同一环境中直线敷设时，电缆本体中电场的分布和电流引 起的热场的分布式基本对称的，而当电缆进行弯曲敷设时，弯曲的部分使绝缘 本体发生变形，直接影响绝缘密度和强度，最终导致电场和热场的分布变形。 所以弯曲敷设部位也是电缆系统极易发生故障的部位。这些故障都能够通过电 缆温度的变化体现出来i j ，因此对电缆附件的温度进行连续不断地监视和统计 分析，可使运行人员全面掌握其工作状况，及时了解电缆接头的老化情况，在 必要时结合生产情况提出维修计划，并且在接头温度急剧升高达到极限温度时， 发出报警信号提醒有关人员紧急处理，避免或减少故障的产生。是一项提高供 电系统安全性、可靠性、确保工业生产持续高效，促进企业增收节支的重要技 术措施。 1 2 国内外研究现状、发展动态 对电力电缆而言，它有两种运行方式：一种是正常带负荷的运行，另一种 是过负荷运行方式。在这两种运行方式下，电力电缆的绝缘将始终承受系统的 工作电压。而电力电缆的使用寿命主要取决于电力电缆绝缘的寿命。在正常运 行状态下对于x l p e 电缆，其绝缘的寿命基本上决定于电力电缆运行期间的性 能因素l 铺】。但是，并不是说可以对电缆的负荷不加限制。电力电缆的绝缘老化 程度与绝缘的温度有关。虽然正常运行状态下温度的影响不大，但在非正常的 过热状态下，电力电缆绝缘老化的速度非常快。因为实际输配电负荷并不恒定， 负荷会不断调整变化，而电力电缆在过负荷非正常运行方式下，一旦电缆过负 荷运行，导体温度就会急剧上升，加速绝缘老化，甚至发生热击纠9 1 0 j 。 电力电缆温度监测系统是根据电缆的安装方式、电缆表面温度和负载电流 以及电缆环境的热特性信息，利用实时计算程序计算出导体的运行温度，确保 电力电缆运行在一个额定温度范围内并且保证电缆不会发生过热和早期老化的 状况【1 1 j 。当电缆运行中出现紧急负荷时，实时监测系统能够帮助操作人员更有 效的解决这种紧急状况，减少开关的误动作以及在允许温度下调整电缆传输容 量，既提高了电缆的利用率又能保证供电系统的健康运行1 1 2 l 。 目前国内外常用的电力电缆温度监测方法有如下几种t ( 1 ) 点式温度传感技术 点式温度传感器技术是在监测现场根据需要设置多个点式传感器( 如热偶、 2 武汉理工大学硕：仁学位论文 热阻和热继电器等) 以测得空间特定点的温度并通过相应的缆线将温度模拟量 或越限信号上传至主机进行处理的技术。主要采用的是基于温度传感器或者热 电偶测量技术，将温度传感器或热电偶置于线路中易发生故障的地方，如电缆 终端和中间接头，或电缆有局部热源处，来监测这些部位的温度。这种方法投 资少，操作简单，并且只能获得路线的局部温度。 ( 2 ) 基于热效应的电力电缆在线监测技术 目前的研究主要是利用红外技术，如红外热像仪。对电缆表面温度进行测 量，对线芯温度进行反演计算，实现对电缆线芯温度非接触式、实时可见的在 线诊断。这种方法虽然能够弥补电缆局部温度的不足，但基于热效应的红外技 术在测温时要受物体发射率、环境和气雾的影响较大。 ( 3 ) 线式温度传感技术 主要是在测温现场根据需要敷设一根或多根由特殊温度导电性能材料制成 的感温电缆，将感温电缆沿电缆平行安放，或将其绑扎在电缆外护套上以测得 一定区段内空间温度。当电缆温度超过固定温度值时，感测电缆被短路，发出 报警信号。缺点是破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全。且不能测出电 缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损 坏；不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析。 ( 4 ) 光纤传感器技术 光纤传感器是近年发展起来的一种基于光导的新型传感器。光纤传感器用 光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此具有光学测量 的特点：电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、容易实现对被测信号 的远距离监测【1 3 i 。光纤传感器的原理是把测量的状态转变为可测的光信号的装 置。它利用入射光和后向散射光之间的时间差和光纤内的光传播速度，可以计 算不同散射点的位置距入射端的距离，所以可得到光纤沿程几乎连续的温度分 布。 光纤传感技术已经广泛应用于各种领域中，在应变、温度的测量方面最为 成熟。 1 3 主要研究内容 本文主要目标是设计出一个基于光纤光栅的电力电缆在线温度监测系统， 侧重于项目的设计和部分实现，数据使用光纤光栅信号处理器从下位机采集通 3 武汉理工大学硕士学位论文 过串口上传到计算机，经过数据处理，本地存储，同时经过以太网传输到中心 服务器上，供监测中心分析处理。论文主要研究的内容如下： ( 1 ) 光纤光栅测温原理的研究，包括光纤光栅的温度、应变特性。 ( 2 ) 系统的整体运作思路，了解需求和详细的设计 ( 3 ) d e l p h i 中m a p x 的二次开发应用，实现地理信息系统定位 ( 4 ) 高速数据采集的处理过程 ( 5 ) 通信接口子程序的设计 本论文的创新点在于利用光纤光栅传感器对电力电缆的温度进行在线监 测，并通过对m a p x 的二次开发使系统具有信息导航的功能。该系统能够全天 候的对电缆的负荷状态进行实时监测，当出现报警信息时，能够直接找出故障 点或隐患点，给维护人员准确的故障点信息，便于及时处理，减少损失。 1 4 论文整体结构 第1 章主要介绍了基于光纤光栅的电力电缆温度在线监测系统课题研究的 目的与意义，并分析了国内外温度监测系统的现状和本文研究的主要内容。 第2 章阐述了光纤光栅传感器原理，包括它的温度传感特性和应变传感特 性。 第3 章分析了系统的总体架构，开发环境选择，整体的功能需求，网络拓 扑等。 第4 章给出了系统的详细设计，包括功能结构图和数据库设计，并详细介 绍和解析了系统开发中的关键技术，包括串口通信，海量数据处理，信息导航 世 守。 第5 章给出了系统的部分功能实现，包括采集客户端和监测中心的实现， 并分析了系统设计时所采用的安全策略。 第6 章对本课题的研究工作进行阶段性总结，提出了本系统可以进一步改 进和完善的地方。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器原理 光纤布拉格光栅的谐振波长与光栅的周期及模的有效折射率有关，当这些 量因外界因素的变化而发生改变时，谐振波长将产生偏移，通过测量谐振波长 的偏移，可以间接测量外界物理量的变化，因此，基于光纤光栅传感器的传感 过程是通过外界参量对光纤光栅谐振波长的调制来获得传感信息。 光纤光栅传感器根据所用的光纤光栅是短周期还是长周期分为光纤布拉格 光栅传感器和长周期光纤光栅传感器。光纤布拉格光栅传感器传感原理相对简 单，且应用广泛，故本文以光纤布拉格光栅为例来介绍光纤光栅传感器的原理， 图2 - 1 为光纤光栅传感原理图。 输入谱传输谱反射谱 九 九b 入 九b 入 图2 - 1 光纤光栅传感原理图 2 1 光纤光栅的传感特性 引起光栅周期及模的有效折射变化的主要因素是应变和温度。光纤传感器 的工作原理主要是借助于某种装置将被测参量的变换转化为作用于光纤光栅上 的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅谐振波长的变化1 1 4 】。通过建立并标定 光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化的关系，就可以由光纤光栅谐振波 长的变化测量出被测量的变化。 光纤布拉格光栅的谐振方程为： a = 2 n m a 公式( 2 1 ) 式中a 为光栅周期，为纤芯模的有效折射率，由此式可以看出任何使这 5 武汉理工大学硕士学位论文 两个参量发生变化的物理过程都将引起光栅谐振波长的偏移。而最常见的能够 引起者两参量发生改变的因素就是应变和温度，下面分别介绍应变和温度对波 长的影响。 2 1 1 光纤光栅的应变传感特性 光纤光栅是一个各个同性的圆柱体结构10 - 7 以受到各个方向的力的作用。 而具有实际意义的主要是光纤光栅在轴向的拉伸力和压缩力作用下产生的应变 而引起的波长漂移即轴向应交【1 5 i 。在光纤布拉格光栅的谐振方程( 2 1 ) 中，当 只考虑轴向应变时，a 和a 都是应变s 的函数，而有效折射率恸则与a 和s 有关。 假设无应变时的谐振波长和周期分别为九和人o ，对谐振方程两边求全微分可得： d a = 2 n e o ，d a + 2 a d n , , 矿 公式( 2 - 2 ) 而? 人= 坠o s 幽= a o 凼，嘞，鲁丞+ o 以n e # d a ，代入式( 2 2 ) 后整理得： 1 + 上堕 知蒜 馘( 2 - 3 ) 对通常的光纤有卜寺剖1 ( 呻0 ) ，故光纤布拉格光栅的轴向应变灵 敏度可写为： = 警= 九( 寿鲁) 怵2 利用普通的光纤本征方程无法对( 2 - 4 ) 进行数值计算，因为光纤的本征方 程和应变没有显示的关系，而考虑应变时，由于弹光效应，使光纤材料具有晶 体的特性，无法计算堕，但可以通过弹光效应近似方法给出堕，从而估算 k 8 s o 有弹光效应时，轴向应变灵敏度的公式为： k b , s i d aa 九( 1 ，见) 公式( 2 5 ) 其中以为弹光系数。根据式2 - 5 就能够估算出光纤布拉格光栅的应变灵敏 f 童。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 光纤光栅的温度传感特性 除了应变之外，温度也会引起光纤布拉格光栅谐振波长的漂移。从物理本 质上来说，温度引起波长漂移的原因主要有三个方面：材料的热光效应，热膨 胀效应及光纤内部热应力引起的弹光效应【1 6 l 。为能够建立光纤光栅温度传感器 的数学模型，需要做如下假设： 仅考虑裸光纤，且只考虑本身的热效应，忽略外界其他因素对光纤光栅的 影响。 仅考虑热光效应的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。 在所考虑的波长与温度范围内，认为热光系数与波长和温度没有关系，只 与光纤的材料有关，即光纤材料的热光系数是常数。 仅考虑温度均匀分布的情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温度差异。 基于以上几点假设，就可以得到光纤布拉格温度传感器温度响应的数学模 型。 设光纤光栅原来的周期为人o ，热膨胀系数为a ，热光系数为；，对布拉格 方程两边求全微分得到 d a 一2 n 万d a + 2 a d n q 公式( 2 6 ) 当温度t 改变时，d 人一坠o t 刀- a a o d t ，一鲁刀+ 鲁扎且 九土竺 1 ，代入化简得： 锄d 九 2 筹= 九卜吉鲁) 对纤芯模，有效折射率恸和纤芯的折射率一较接近， 材料的热光系数与利用有效折射率的热光系数相同，即 0 。一l d n ；土垃，代入上式得 7 疗d t o t 一 广筹一九( 口+ 。) 公式( 2 7 ) 因此，可以认为纤芯 公式( 2 8 ) 从上面的分析可以看出，光栅的波长漂移和应变与温度变化都成线性关系， 这方便了在测量时进行数据处理。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 光纤光栅的波长解调技术 光纤光栅传感是通过光栅谐振波长的变化来反映被测物理量的变化，其本 质是一种波长编码，因此，对光栅谐振波长变化的高精度测量是实现光纤光栅 精确测量必不可少的环节。从上面的分析可知，光纤布拉格光栅的应变和温度 灵敏度都较小，因此，需要高灵敏度的波长测量方法。例如，要分辨0 1 的温 度或1i lm 的应变需要约为l p m 的波长分辨率。因此，光纤布拉格光栅传感器 的波长解调既要有较高的波长分辨率，同时还要能够适应现场条件，应具有轻 便、长期稳定性、可靠和易于操作等特点。 目前，针对波长测量问题提出了很多种波长解调的方法，如光谱分析法、 可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐光源检测法，非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪检 测法等，下面介绍常用的几种及它们各自的适用范围1 1 7 9 1 。 2 2 1 可调谐光纤光栅滤波器法 可调谐光纤光栅滤波器法也称为匹配光纤光栅滤波法。这种方法需要借助 另外的光纤光栅，在驱动元件的作用下使参考光纤光栅的谐振波长跟踪传感光 纤光栅的谐振波长的变化，通过测量驱动元件的驱动信号来获得作用于传感光 栅的物理量。可调谐光纤光栅滤波器法结构有两种，一种是透射式，一种是反 射式，如图2 2 所示，b r a g l 和b r a 9 2 是两个传感光纤光栅，其反射波长可以随 温度或应变而发生变化，用以反映被测量的变化。宽带光源的波长分布覆盖光 栅反射波长变化的范围。 8 武汉理工大学硕：匕学位论文 ( a ) 透射式 图2 2 可调谐光纤光栅滤波器法结构 在透射式结构中，当参考光纤光栅的反射波长和某一个传感光纤光栅的反 射波长匹配时，光电探测器探测到的光强出现最小值，从而可以测量出传感光 纤光栅的反射波长，进而可以计算出光纤光栅发生的应变或所处环境的温度变 化。在反射式结构中，当参考光纤光栅的反射波长和某一个传感光纤光栅的反 射波长匹配时，光电探测器探测到光强出现最大值。 可调谐光纤光栅滤波器法的优点是结构简单，而且对反射光光强无特别要 9 武汉理工大学硕士学位论文 求，强度噪声不会对输出结果有影响。但这种方法也有不足之处，主要要求两 个光纤光栅匹配，而且受参考光纤光栅应变量的限制，传感光纤光栅的测量范 围不能很大，以及由于电陶瓷的响应速度有限，使这种方法只适用于测量静态 或低频变化的物理量。 2 2 2 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪检测法 非平衡m a c h z e l m d e r 干涉仪检测法是将输入的波长变化转变为相位变化， 从而在光强的变化上反映出波长的变化【捌。如图2 3 所示，经光纤布拉格光栅阵 列反射的光经耦合器送到非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪中，通过非平衡 m a c h z e h n d e r 干涉仪将波长变化转变为相位变化。 当波长变化时，两臂的相位差为9 ；劢胛形，其中，d 为两臂光纤的长度差； ， b 以为两臂的折射率；九为光纤布拉格光栅的反射波长，当九变化时，引起相位 一一j 变化为却。z _ 7 9 一 ud 九，从而引起干涉的光强变化。通过压电陶瓷可以将中心 a 一 波长控制在不同的光纤光栅的反射波长上。 控制与数据处理器 图2 - 3 非平衡m a t h z e h n d e r 干涉仪检测法 这种方法实际上是一种干涉检测法，有较高的灵敏度，但也易受外界干扰 的影响。在实际应用中，由于干涉仪的两臂容易受到应变、温度等非测量的影 响，这些对干涉仪的输出有较大影响，因此，应设法降低这些因素的影响。 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 2 3 本章小结 本章主要阐述了光纤光栅传感器的基本原理。 首先分析了引起光纤光栅谐振波长变化的主要因素，即应变和温度，分别 研究了应变和温度对谐振波长的影响及相关灵敏度的计算方法，接着介绍了目 前常用的两种光纤光栅的波长解调技术及它们的适用范围。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统总体架构分析 本章首先介绍了系统在设计时应遵循的基本原则，然后从整体上介绍了在 线监测系统的初步功能需求，接着结合系统的功能简单介绍了系统的开发环境 和运行模式，最后给出了系统的网络拓扑结构图。 3 1 系统设计原则 为保证电力电缆在电缆沟内长期有效的运行，及时消除安全隐患，并给使 用人员提供方便、实用的电力电缆温度在线监测平台，系统在设计时应遵循以 下原则： 实时性：系统能够及时有效的处理有效数据，并根据用户选择以多种方 式显示数据。 实用性：系统应该具有较强的应用价值，以用户的角度来设计，真正解 决用户所关心的问题 可靠性：系统应该能够保证全天2 4 小时安全有效的运行。系统的软硬 件资源应该能够满足可靠性设计要求。 可扩展性：为便于以后对系统的升级、维护，系统在设计时应充分考虑 这些问题，为以后的扩充预留接口。 安全性：系统应该具有必要的安全策略。 此外，系统应该为用户提供友好的图形化界面，操作简单，易与学习掌握， 灵活性强，并有较强的容错机制。 3 2 系统功能需求 本文研究的在线监测系统是基于c s 结构的数据库应用系统，主要由采集 客户端、中心数据库服务器、用户监测客户端三大部分组成。整个系统在由监 测计算机，交换机，采集机器等组成的局域网中运行，采集机器与监测计算机 通过s o c k e t 套接字进行通信，监测计算机上的客户端软件控制整个系统的运作 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 流程。 系统的原始数据由下位机采集，采集客户端通过串口循环读取采集上来的 数据，经过分析处理存储在本地，然后通过网络传送到中心服务器上，服务器 接收到数据后，经过必要的分析处理，最后将处理后的数据存入数据库中。 下图是系统的整体数据流图。 采集客户端 监测中心客户端 由l 数据采集 串口7 l 毂琚米果 上 数据相关 通信 数据接收 分析和计算 文件传输 一、 1r r 本甥i l 存储i数据库 数据分析 1 ” i 与统计 服务器 图3 1 系统整体数据流图 由于在线监测系统需要高速采集大量数据，对数据库的插入、查询操作频 繁，为提高系统的响应速率，本系统在设计时将采集模块和用户接口模块分为 两个客户端，采集客户端主要实现数据的采集和基本处理功能，监测中心主要 提供用户接口，以多元化的方式提供数据分析功能。二者之问通过s o c k e t 通信， 充分利用资源，提高系统效率。 采集客户端通过串口读取光纤光栅信号处理器传上来的数据，经过初步分 析处理以文本形式存入本地磁盘，随后将这些文本文件通过网络传送到服务器 上供进一步分析处理。 监测中心客户端一方面接收采集端发来的消息和文本数据，另方面给用 户提供各种数据分析统计功能，并协调整个系统的运行。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 采集客户端功能需求 通过上面对系统整体的数据流分析，采集客户端主要包括以下几个功能模 块。 原始数据采集：采集客户端读取串口中的原始数据放入缓存区中，供分析 和存储。 数据分析与处理：对采集上来的数据包，能自动进行解包分析，从中提取 有效的数据按固定格式进行本地存储。 服务器通信：在网络畅通的情况下，自动连接服务器，及时将历史数据传 输到中心服务器中。 用户接口：为用户提供便捷的参数初始化功能，并提供相关数据的报表打 印功能。 3 2 2 监测中心功能需求 监测中心整体功能需求框图如图3 - 2 所示： 叵堕 信息导航：模拟地理信息系统的地图导航功能，以地图的方式展示现场的 布线情况，包括变电站，电缆井的地理位置信息。能够形象显示电缆沟布线情 况和监测点的位置信息，系统正常运行时，地图信息能够实时刷新，正确显示 监测点的当前温度信息。除此之外，为方便用户查询，地图应具备查询定位功 1 4 毳引j 广liflil图j|lj框 一 图表功能 能功体弘引性r。llilill中测 一电缆负荷监溅 一监 厂1ll弛叼引j 图 武汉理工大学硕：上学位论文 能，根据用户输入信息，在地图上显示匹配记录对应图元。 图表功能：对监测点的温度提供实时曲线和历史曲线功能，实时曲线显示 用户选择测点的时间温度曲线，并在主页面上提供当前温度最高的线路对比柱 状图。历史曲线可以显示单个点温度也可以显示整根电缆的历史温度，并提供 对比曲线功能。对各种图表提供打印输出。 电缆负荷监测：实时显示所有线路的额定负载率，最高测量温度，表皮温 度，实时导体温度，最大短路电流，最终短路电流等供值班人员分析电缆的运 行状态。 报警功能：报警模块提供超温报警，临界预警及温升过快预警三种级别的 报警功能。实时记录报警信息，提供声音警示、图像闪烁多种形式的输出，引 起工作人员的注意。 系统维护：提供用户管理和系统参数维护的功能。用户管理主要包括用户 日志和用户基本信息的维护，如密码修改等。为提高系统的安全性，对使用者 设置用户权限管理，并定时进行数据库备份。系统参数维护主要包括电缆基本 参数的设置及其它初始化操作。 3 3 系统开发环境 本系统采用传统的客户端服务器模式，是一个典型的数据库应用系统，客 户端软件选用b o r l a n dd e l p h i7 0 编写，数据库服务器使用微软的s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，本章节结合在线监测系统的初步功能需求简单介绍了这些开发工具的技 术背景，并给出了系统的整体网络拓扑结构图。 3 3 1 可视化集成开发环境 d e l p h i 是b o r l a n d 公司推出的新一代的可视化编程工具，编程爱好者能够通 过它方便快捷地开发出各种w i n d o w s 应用程序。它采用微软的w i n d o w s 用户图 形界面的多种先进技术和思想，使用具有弹性的可重复利用的面向对象编程语 言( o b j c o t o r i e n tl a n g u a g e ) ，借用d e l p h j 可以快速地开发出功能强大、相应速 度快、占用资源少的应用程序1 2 。快捷d e l p h i 提供的大量的数据操作组件，能 够很好的支持数据库应用程序的编写。 d e l p h i 拥有个可视化的集成开发环境( i d e ) ，采用o b j e c tp a s c a l 语言和 武汉理工大学硕士学位论文 基于部件的开发框架，并为开发人员提供了丰富的可二次开发使用的构件，包 括数据库应用，网络通信，图形图像处理等各个方面。利用这些部件，开发人 员可快速开发所需要的应用系统。它被称为第四代编程语言。作为一个通用的 开发工具，d e l p h i 有以下一些优点1 2 2 】： ( 1 ) 编译速度快，可直接生成e x e 文件。由d e l p h i 高速编译器生成的可 执行文件，需要支持文件少，运行速度快。 ( 2 ) 提供强大的数据库支持。适用各种数据库结构，从c s 模式到多层数 据结构模式；并提供最新的数据分析手段和大量的企业组件。 ( 3 ) 成熟的组件技术。d e l p h i 在各个应用领域都有相关的成熟的组件。如 数据库方面的d b e x p r e s s 、i n t e r b a s e 和a d o ，网络应用方面的w e b s e r v i c e s 、 e x p r e s s w e b 等。 ( 4 ) 良好的可重用性和可扩展性。开发人员在使用组件的同时并不局限于 该组件，可以根据自身的需要对组件修改，并可重复使用，减少重复性工作。 ( 5 ) 独特v c l 类库。对v c l 类库的支持使得程序有条理清晰，开发人员 可以根据自身需要构建、扩展自己的v c l 。 在线温度监测系统在完成数据高速采集的同时，还要保证数据的实时传输， 这就要求所选的开发工具在数据库处理方面具有高效性，而d e l p h i 在数据库方 面的特长显的尤为突出。除此之外，d e l p h i 还拥有强大的三方控件功能，在满足 软件功能同时，给开发者提供了各种界面美化控件，使开发出的软件拥有友好 的人机界面。这也是目前软件需求中必不可少的一部分，综合上述分析，本系 统决定选用d e l p h i 作为软件开发工具。 3 3 2 系统的运行模式 随着计算机网络技术的不断发展，基于网络的数据库系统主要经历了三种 运行模式：终端主机模式，客户端( c l i e n t ) 月艮务器( s e r v e r ) 模式以及浏览器 ( b r o w s e r ) 朋艮务器( s e r v e r ) 模式。 终端主机模式是最早出现的集中式，当时的软、硬件都相对落后，为了最 大程度上共享资源，所有资源都共享在同一台大型主机上，大多远程终端都没 有计算能力，它们通过命令来共享主机上的c p u 及其他资源，所有的事务处理 ( 如计算，查找，打印等) 都是由主机来完成，但随着信息量的不断增大或远 程终端的增多，主机负荷过重，必然影响其效率。这种模式的主要特点是资源 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 得到了充分利用，但主机负担过重，不能满足信息量急剧增长的要求，已经逐 步被淘汰。 传统的客户端朋艮务器模式是两层c s 模式，系统中服务器主要负责数据库 方面的处理逻辑，并响应客户机的请求。客户端机器则主要处理事务逻辑、通 过接口与用户交互。这两者分别由多个计算机同时执行，协同完成整个系统的 应用。这种模式的特点是与用户交互性强，执行效率高，数据通信量小、安全 性高，但不利于安装维护，比较适合专用型的应用系统。 随着网络技术的进一步发展，出现了三层c s 模式，这种模式将大部分业 务逻辑抽象出来放到专门的服务器上处理，而客户机只负责显示逻辑，服务器 只处理数据库服务，三层结构大大降低了客户机的压力，被形象的成为“瘦客 户机 模式。对于比较复杂的系统，只需要增加中间层的服务器就可以方便的 扩展系统，基于这种模式的系统具有运行速度快、易扩展、易维护，服务器负 荷相对轻等优点。随后发展出现的b s 模式就是这个三层结构的典型应用，它 将客户端统一为基于h t m l 语言的软件，将所有的管理和服务集中在服务器端， 用户通过通用的浏览器向服务器发送请求，服务器处理请求将结果翻译为基于 h t m l 的语言传回给客户端显示。这种模式网络开销少、便于维护，客户端对 硬件要求低，资源共享性高；但当这种模式依赖网络性能，当网络数据传输流 量大时，会有网络延迟，影响系统效率，对于数据量传输大的系统，对网络带 宽要求较高。 在线温度监测系统是一个较专业的系统，主要研究的物理量是温度，对数 据库操作要求性能较高，在数据采集、分析方面的功能要求系统响应快、具备 灵活的交互性。基于这些特点，综合上面对目前流行的三种网络数据库应用系 统的运行模式，选用c s 模式更适合本系统，c s 模式的系统交互性强，安全性 高且信息处理速度快。 3 3 3 数据库管理系统 s q ls e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司推出的高性能数据库管理系统，也是 m i c r o s o f t 公司争夺电子商务领域最重要的核心部件市场的一大利器。m i c r o s o f t s q l s e r v e r2 0 0 0 建立在s q l s e r v e r6 5 和s q l s e r v e r7 0 坚固而雄厚的技术基础 之上，是套完全的数据库和数据分析解决方梨2 3 埘】。 s q ls e r v e r2 0 0 0 是典型基于客户机月艮务器模式的数据库系统，这种系统的 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 特点是：服务器负责数据管理及程序处理：客户机负责界面描述和界面显示； 客户机向服务器提出处理要求；服务器响应后将处理结果返回客户机：网络数 据传输量小【矧。 s q ls e r v e r2 0 0 0 采用多种方式以实现客户端应用程序与数据库服务器之间 的通信。具体可以分成两种情况： ( 1 ) 客户端应用程序与数据库服务器位于同一台计算机 这种情况下，s q l s e r v e r2 0 0 0 利用w i n d o w s 进程间通信组件，如本地命名 管道或内存共享等。 ( 2 ) 客户端应用程序与数据库服务器位于不同计算机 这种情况下，s q l s e r v e r 将使用网络进程通信组件进行客户端和服务器端的 连接。 由于s q l s e r v e r 2 0 0 0 强大的网络应用功能，所以客户端的通信方式比以往 任何一个版本都要复杂。但是s q ls e r v e r2 0 0 0 做了大量的简化工作，把复杂的 通信方式都屏蔽在了用户的使用范围之外。s q l s e r v e r 的客户端应用程序可以动 态确定服务器的网络地址，所以需要的仅仅是服务器计算机的网络名字l 矧。本 系统