（机械电子工程专业论文）变电站高压开关柜接点温度在线监测系统研究.pdf

r 、 华北电力火学顺：i ：学位论文摘要 摘要 在高压电气设备的故障中，发热造成停电的问题，时有发生。因此，对高压电 气设备实施在线温度监测已成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的问题。 为了解决这个问题，本文从监控系统用户需求与功能分析入手，结合当前飞速发展 的光纤传感技术、计算机软件、硬件技术、自动控制技术和通讯技术，开发了一套 高压开关柜接点温度在线监测系统。本系统针对当前电力系统的实际情况及需要提 出了- 3 1 简单可行的新测温方法：光纤温度传感器。它具有不受电磁干扰、安全可 靠、结构简单、成本低、安装方便等优点。硬件采用c 8 0 51 新型芯片。 通过实验结果表明本系统实现了接点温度的在线监测、显示、报警等功能，且 具有较好的扩展性和维护性，可以稳定、可靠地运行。 关键词：光纤温度传感器，高压开关柜，在线监测，c 8 0 5 1 ，双金属片 a b s t r c t h e a ti sb e i n gt h em a i nf a i l u r eo fh i g h v o l t a g ed e v i c e s s o0 1 1 一l i n e m o n i t o i i n g & t e s t i n gt h e h i g h - v o l t a g ed e v i c e sh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n tp r o b l e mt op r o t e c ts a f eo p e r a t i o no fh i g h - v o l t a g ed e v i c e s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m t h i st h e s i sp u t sf o r w a r do n - l i n et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mo fc o n t a c ti n h i g h - v o l t a g es w i t c hc a b i n e tt h a ti n t e g r a t e dd i f f e r e n tt e c h n i c a ls u b j e c t s ，s u c h a s o p t i c a lf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g y a d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a l e ，t h et e c h n o l o g i e so fi n t e l l i g e n t i n s h u r n e n t a u t o c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss y s t e ma i m sa ta c t u a ls i t u a t i o ni nc u r r e n t p o w e rs ) ，s t e mp r o p o s e sas i m p l ef e a s i b l em e a s u r e ：o p t i cf i b e rt e m p e i a t t i r e s e n s o r i nt h i s m e a s u r i n g t e c h n i q u et h et e m p e r a t u r ee l e m e n t st h a tb eu s e da r ea l li n s u l a t i n g ，s m a l l s i z e do p t i c a l f i b e rt e m p e r a t u r e s e n s o r , i th a st h em u c ha d v a n t a g ef o re x a m p l ea n t i - e l e c t r o m a g n e t i cn l e a s u l e ，r e l i a b l e ，t h es i m p l es t r u c t u r e ， ：t h e l o wc o s ta n df a c i l i t a t i n gi n s t a l h n e n t n e w s l u gc 8 0 51h a sb e e nu s e di nh a r d w a r ec i r c u i t ，a the s y s t e mh a st h ef f m c t i o n so fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n td i s p l a ya l a r me x c e p tt h a ti t h a sg o o de x p a n s i b i l i t ya n dn l a i n t a i n a b i l i t y s oi tc o u l dr u ns t a b l ya n dr e l i a b l y z h a n gj i a w e i ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gb i n g r e n k e y w o r d s ：o p t i cf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r ，h i g h - v o l t a g es w i t c hc a b i n e t ， o n l i n em o n i t o r i n g ，c 8 0 51 ，b i m e t a l 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站高压开关柜接点温度在线 监测系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致诩f 之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：丛盟 日期：矽叮二培 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华：i 匕l ：乜力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复, l ；u - j i ：保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：兰，! ! 兰f iii让e-旷 r 华北i u 力火学f 吹：i j 学位论文 第一章引言弟一早1 l 石 1 1 电力设备在线监测的现状 我国丌展电力在线监测技术的开发应用已有几十年了，此项工作对提高电力设 备的运行维护水平，及时发现事故隐患，减少停电事故的发生起到了积极作用。 根据l9 9 8 年全国部分省、市电力局、电力试验研究所、科研单位和供电局共 3 0 个单位提供的1 2 7 个变电站安装的各种在线监测系统或装置的运行情况，归纳 总结如下： ( 1 ) 在线监测采用的形式多种多样 有5 7 个变电站装有集中型在线监测系统，监测内容主要是电容型设备的介质 损耗、电容及其变化量、泄漏电流及其变化量、不平衡电压、避雷器泄漏电流和阻 性电流，或加上变压器套管的介损和油中氢气含量等。有10 个变电站装有分散型 和l 在线豁测装置，还有只监测某一参量的仪器，如只j 艋测避雷器泄漏电流的有3 9 个站。此外，还有只龄测变压器的局部放电或油中色谱、少油开关的泄漏电流及其 他设备如发电机放电等参数等。 ( 2 ) 豁测系统的正常运行率 集中型监测系统一次性投入费用高，因此，人们更加关注其投入运行后的 工作：状沙0 。调研的5 7 个系统中，基本运行正常的占3 0 左右，已不能正常使用或 处于瘫痪：队态的占3 6 。使用单位反映的意见主要集中在以下几点： 介损测量不够准确，稳定性、重复性较差，测量误差较大： 信号+ 采集部分常发生故障，如传感器失效、破损、电压信号畸变： 测量系统抗干扰性能差，抗温度、湿度变化的能力差； 数据传输与处理部分常发生故障，造成数据丢失。 安装分散型监测装置的1o 个变电站，运行正常的占9 0 主要用于本系统电 站。 有7 个站只安装了监测避雷器泄漏电流的装置基本能正常运行。 ( 3 ) 通过在线监测结果发生明显变化而发现故障的8 例，避雷器内部受潮2 例， 放电1 例，变压器套管受潮3 例，电抗器局部放电1 例，主变接地不可靠1 例。在 线监测系统应用情况表明，该系统对及时发现电力设备绝缘缺陷、保证设备安全起 华北i 也力火学颁：i j 学位论文 到了良好的作用，取得了一定的社会效益和经济效益。 1 2 高压开关设备接点在线监测的必要性 高压开关设备主要用于关合及开断电力线，以输送及倒换电力负荷，以及从 电力系统退出故障设备和线段，是保证系统安全运行的重要设备i jj 。实际电力系统 运行中，高压开关设备数量多，检修量大，大修费用高。实现预测维修、科学化管 理是实现最佳经济效益和社会效益的最好途径。 户外高压隔离开关在电网运行设备中是必不可少的，它担负着与其它电气设备 相互配合，保证与其它设备关合电流的重任。随着电网其它设备的逐步完善和更新， 户外高压隔离开关在完善与改进上，已滞后于电网的安全需要。在隔离开关的故障 中，过热造成停电的问题，时有发生，因此，对隔离丌关设备导电连接处进行温度 监测，实现过热报警，是避免重大事故发生或控制故障恶化的有力手段。 高压丌关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，在长期运行过程中，丌关柜中 的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，而这些发热部位的温 度监测困难，无法实现实时在线监测，由此最终导致火灾事故。近年来，在电厂和 变电站已经发生多起丌关柜过热事故，造成火灾和大而积的停电，因此解决丌关柜 过热问题是杜绝此类事故发生的关键。 通过雌测丌关柜内接点的温度运行情况，可有效防止丌关柜的火灾发生，但由 于开关柜内高压狭小的结构，无法进行人工巡查测温，因此实现温度在线监测是保 证高压- y i ：关安全运行的重要手段。 1 3 国内外温度在线监测技术的研究现状 高压电器设备一般都位于高电压、大电流和强磁场的环境中，由于强电磁噪声 和高压绝缘问题，在实际监i k 测中，必须要求监测对象与监测仪器之刚进行电压隔离， 其测试信号的有效传递也直是难以妥善解决的问题。因此常规的测温方法尚未应 用到高压电器设备中。国内； l - x , - j - 于这方面的研究，主要采用两种方法：红外辐射测 温和光纤测温法。 国外红外成像仪的工业化应用是在6 0 年代中期，最早出现是在瑞典。红外测 温仪是根据物体相对辐射强度与温度之间存在一定的函数关系而制成的。6 0 年代我 国的东北电力科技改进局、沈阳电业局和长春研究所联合研制出我国第一代为电力 设备探测诊断用的红外测温仪，使电力设备的过热故障有了明显下降，但是在实用 中由于不具备扫描功能和仪器本身距离系数的限制而存在很大的局限性，而且无法 直接解决电器设备内部温度的实时监测问题，因此没有推广使用。红外荧光测温仪 华北l u 力人学坝i ：学位论文 是近1 0 年来国内外有关专家倾心研究的课题，它是一门能对高压电器设备内部温 度变化直接测量的技术。针对红外测温的红外成像技术都无法使红外辐射穿透外壳 直接i 监测内部真实温度的情况，美国路克公司在美国电力研究所( e p r i ) 的资助下， 研制了专为电力系统应用而开发生产检测变压器绕组温度的荧光光纤测温装置，这 是一种全新的在线监测高压电器设备内部温度的仪器。1 9 8 5 年美国威克西姆博士和 孙( m hs u n ) 研制出第二代光纤测温仪，并在变压器厂家生产的电力变压器和电力公 司对旧变压器的改造中广泛应用。国内变压器制造业和电力部门也十分重视变压器 绕组热点温度的监测问题，沈阳变压器厂早在1o 多年前便立项进行这一课题的研 究，特别是我国国标油浸式变压器负载巡测的正式颁布实施，在主变压器加设 光纤点测温仪势在必行。1 9 9 4 年美国路克公司的光纤测温仪得到了i s 0 9 0 0 2 认证， 质量达到了更高水平，在此基础上，美国企业发展有限公司f e n t e r p r i s em a r k e t i n g i n c e m i ) 联合中国和美国的电力光学专家于19 9 4 年开始向中国介绍测发电机、高压 开关和变压器等高压电器设备内部热点温度的光纤测温仪，加速了我国光纤测温技 术的研究。光纤测温仪的安装和改造比较麻烦，但由于光纤具有良好的电气绝缘性 和抗电磁二f 扰能力，同时可以将探头埋设在电力设备内部的高压选定部位，直接测 出该点的实际温度变化，解决了电器设备内部测温的难题，成为高压电器设备温度 监测的主要技术方向。 但山于资金、技术等方面的原因，我国总体上对高压开关柜的温度监测还主要 应用较原始的人为观察蜡片熔化的方法。由运行人员每同观察几次是否熔化来判断 温度是否过高，这种方法对温度的变化不易察觉，不能实现连续监测，蜡片熔化时 不易及时发现，存在着事故隐患。另一种常用的方法是采用便携式红外感应温度测 量仪，这种方法对开关柜内的接点温度无法实现准确测量和在线监测。考虑到光纤 具有的良好特性和应用前景，因此，本课题决定采用光纤技术实现对高压开关电器 的在线温度监测。 1 4 光纤温度传感器的发展概况 由于光纤本身具有电绝缘性能好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环 境中使用等优点而越来越受到人们的重视，各种光纤传感器已相继问世。特别是某 些领域列。温度的测定可能造成一些实际的困难，如被测体所处的环境可能相当恶 劣、也许f 在运动之中或处于极难接近的位置，或者是根本无法与探头直接接触， 被测体周围也可能呈现有其他形式的、足以排斥使用纯电子测温仪的可能性和电磁 干扰。具体的例子如：转动中的涡轮发动机的叶片的温度测量，变压器的绕组温度 监测和射频升温理疗过程的温度监控等等。在寻求温度传感的其他替换手段的所有 的研究活动中，基于光导纤维的测温学是最为活跃的研究与开发领域之一。光纤温 - - i t i l ；i 力火学硕j l j 学位论文 度传感器是近几年发展起来的新技术，也是工业中应用最多的光纤传感器之一。目 前研究的光纤温度传感器主要有外差干涉温度传感器【7 j 、光纤荧光温度传感器【3 1 、 辐射式温度传感器【引、半导体吸收式温度传感器【5j 、分雨j 式光纤温度传感器【6 】、光纤 热色温度传感器 7 1 、光纤液体温度传感器【引、干涉型光纤温度传感器【9 1 、光纤偏振温 度传感器【lo 】等。这些传感器都属于强度调制型光纤传感器，除了光纤传感器的一般 优点外，还具有成本低，结构简单等优点。和其他类型的光纤传感器相比较，强度 调制型光纤传感器的主要限制是长期稳定性。 1 5 本课题的目的和任务 本课题主要是对变电站高压开关接点温度的在线监测问题进行研究。高压开关 是电力系统中最常见的高压电器设备，因长时间运行，接点接触位置偏移，造成动 静隔离触头接触不良和严重发热，从长期安全运行要求考虑，高压丌关柜接点的最 大发热温度不得超过最大允许发热温度。因此采用一种适合的温度监测方法，对高 压开关f 乜器接点的温度进行在线实时监测是十分必要的。因此本课题对于保障高压 开关电器的安全运行具有重要的实际工程意义，为高压电器设备实现智能测温提供 了一条有效途径。 在线j 盗测技术的丌发，推动了电力设备运行维护水平的提高，减少了维护人员 的劳动强度，对部分设备采用根据监测结果确定停电检修周期的方法，为从预防性 试验向状态检修方向过渡积累了经验。另一方面，由于引进了先进的电子技术、信 息处理技术，使得在线 i | ，1 i 测技术更具有先进性、实用性，推进了电力设备的温度监 测的变革。监测技术的丌发和应用，提高了运行管理的智能化程度，加快了设备运 行状态的信息反馈，缩短了故障判断和处理的时间，提高了工作效率，减少了因停 电造成的经济损失，为实现无人值班变电站创造了条件。 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 监测系统总体设计 整个系统由光纤温度传感器、光纤、温度监测仪、上位机等部分组成。 ( 2 ) 光纤温度传感器设计及系统标定 实验室内完成光纤温度传感器的标定曲线。通过软件设计，实现温度的准确测 量。要求能输出稳定的信号，对机械、光学、电路等方面的干扰不敏感；工作可靠， 调整方便；在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制作容易。 ( 3 ) 硬件电路的设计制作 包括电源电路设计、串行接口，显示器l e d 设计等。在实现功能的前提下，尽 4 华北l ：u 力大学颂二卜学位论文 可能的使结构简单，制作容易。 ( 4 ) 软件设计 包括温度监测仪的软件设计、上位机和上一级管理系统的软件设计： ( 5 ) 结论 华北电力大学硕：l j 学位论文 第二章接点温度监测系统的总体设计 2 1 监测系统简介 本温度监测系统是专门用来测量变电站高压开关柜接点温度的。传感器采用光 纤温度传感器，适用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境，采用外置电源的方式。 鉴于，1 j 关柜的环境，要求设计的监测仪能对接点进行温度采集并保存于存储器中； 测量完毕后，可以通过上位机温度采集软件将监测仪采集到的数据通过串行接口载 入计算机中。同时，上一级管理系统在线观察到现场的温度。 该系统利用单片机构成的监测仪对高压开关柜接点温度进行采集和处理。本监 测系统主要由光纤温度传感器、监测仪和上位机三大部分组成。 2 2 系统设计原则 ( 1 ) 先进性：系统需在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行 方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 ( 2 ) 可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作。 ( 3 ) 通用性：在设计f l t + ，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通 用性，可以在开关柜接点推广应用。 ( 4 ) 扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要。 ( 5 ) 经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。 ( 6 ) 操作维护方便性。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方 面，要求维护检修方便。 2 3 系统的总体方案 系统的光纤温度传感器采用双金属片结构，由计算机和监测仪进行监测，计算 机可充分利用其快速的数值计算功能和丰富的外设资源；监测仪由单片机控制，可 发挥其接口简单，数据传输方便，价格低等优点。r s 4 8 5 总线收发器运用具有光电 隔离的数据通讯接口m a x 4 8 5 ，利用它构成的外电路比较简单，数据传输稳定、可 靠、命令简单。经过上述配置的系统，能够实现对测点的覆盖范围较大区域进行监 测，性能优于其他形式监测系统，且系统使用简单、方便。 由于本系统的重点在于实时的监测开关柜接点温度信号，考虑到现场的设备、 华北电力火学硕：卜学位论文 测点的分散性和系统要求能够通过局域网在线监测系统丌关柜接点温度，整个系统 从体系结构分为三个层次：数据采集层、监测层、上一级管理层。如图2 一l 所示。 ( 1 ) 数据采集层主要包括光纤温度传感器、监测仪。主要完成对测点的数据采 集、数据处理、实时数据显示、数据传送。传感器安装于被测接点处。监测仪安装 于开关柜前面板，三位数码管分别显示通道和温度。 ( 2 ) 监测层由上位机组成。主要完成对所有测点的数据采集、数据处理、数据显 示、声光报警。值班室人员可以对多开关柜、多通道接点温度的实时在线显示。 ( 3 ) 上一级管理层主要面向高级管理人员使其能查看各站的监测计算机中监测 的温度数据。 图2 1 系统的体系结构 华北i u 力火学顺：l ：学位论文 3 1 引言 第三章光纤温度传感器的设计 光纤传感器的基本工作原理为】：由光源发出的光经过光纤送入调制区，在被 测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化， 使其成为了被调制了的信号光，再经过光纤送入光探测器和一些电信号处理装置， 最终获得待测对象的信息。按照信号在光纤中被调制的方式差异，光纤传感器可以 分为强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型和波长调制型。 光强度调制是光纤传感技术中相对比较简单【l 引，用的最广泛的一种调制方法。 自从光纤传感器在7 0 年代出现以来，强度调制型光纤传感器得到了广泛的应用。 强度调制型光纤传感器除具有一般光纤传感器的特点外，还具有成本低，结构简单 等优点。它们在近3 0 年来发展很快。在目前一些高新技术中，如纳米级技术，智 能结构，生物和医学等方面，它们的应用受到了重视。和干涉型光纤传感器相比， 强度调制型光纤传感器灵敏度低，但仍能满4 4 - 足多数工程应用的要求【i 。 由于本课题研究的光纤传感器主要是应用于电力系统，而决定产品能否在电力 系统大范围应用的一个主要因素是性能价格比。就调制器本身和探测过程而论，强 度调制是最简单的方法。只要注意选择光源和探测系统。 3 2 光源的特性及其对光纤的激励 在光纤传输系统中，用光波作为载波，在输入端电信号转换为光信号，即用电 信号调制光源，输出端再用光电检测器件将光信号转变成电信号。因此光源是其中 很重要的一部分，艺需要满足以下的条件【1 4 】： ( 1 ) 光源发射的峰值波长应在光纤低损耗窗口之间，即与石英光纤三个低损耗 窗口0 8 5pm ，1 3um ，1 5 5um 木目适应z 。 ( 2 ) 有足够高的稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求。 ( 3 ) 光电转换效率高，驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高。 ( 4 ) 单色性和方向性好，减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率。 ( 5 ) 强度噪声比要小，以提高模拟调制系统的信噪比。 ( 6 ) 体积小，重量轻，便于安装和使用，也利于光源和光纤的耦合。 一般情况下功率光源采用半导体激光器l d ，信号光源采用半导体发光二极管 r 华北i u 力大学硕一i j 学位论义 l e d 。二者的发光区都是山直接带隙的i i i v 族半导体材料制成的p - n 结构成的。它 们在工作原理上的根本区别在于发光二极管是利用注入有源区的载流子自发辐射 复合而发出光子，而激光器则是受激辐射复合发光的。在结构上后者有光学谐振腔， 使复合产生的光子在腔内振荡和放大：后者则没有谐振腔。由于两者在发光机理上 和结构上的差异，造成它们性能上的差别： ( 1 ) 半导体发光二极管不象激光二极管存在阈值特性，输出功率与注入电流之 间成线性关系。 ( 2 ) 因为自发辐射的随机性，致使发光二极管的光谱宽度比激光器高几个数量 级。 ( 3 ) 发光二极管的光束发散角较大，与光纤的耦合效率比半导体激光器低得多， 输出光功率也比半导体激光器低。由于在本系统中光纤只是起传输信号的作用，所 以我们不用过于关心其传输功率和耦合效率，而更注重其n 向应时间和l 工作稳定性。 所以我们选用l e d 作为系统的信号光源。和半导体激光器相比，半导体发光二极管 存在以下优点【1 5j ： 由于不存在闽值特性，不会出现阈值电流因温度升高而导致工作停止，它 的p i 线性很好，利于实现信号无畸变调制。 虽然半导体发光二极管的光相干性不好，但是避免了半导体激光器容易产 生模分配噪声和对光纤传输线路中放射光较灵敏的缺点。 二l 作稳定，输出功率随温度变化较小，不需要精确的温度控制，驱动电路 很简单，可以在很低的驱动电流下工作，这对于微功耗测温探头来说是非常重要的。 l = i = f 于不存在象半导体激光器那样的腔面退化，工作寿命可达l0 9 小时，而且 制造简单，成本低。 3 3 信号光源l e d 的发光原理 发光二极管是利用注入p - n 结的电子和空穴复合产生自发辐射发光的注入式电 致发光器件l l6 | ，如图3 一l 所示。它是通过正向偏压的作用使势垒降低，采用电注入 的方法增加少数载流子，以达到激发的目的。l e d 由p 型半导体形成的p 层和n 型 半导体形成的n 层以及在中间由异质结构成的有源层构成。有源层是发光的区域， 其厚度为0 卜0 2um 左右。由双异质结构成的l e d 的能带状态使p 层和有源层以 及n 层的能量差变大，这个能量差就是所谓的异质势垒。在p l - 力n 正向偏置电压的作 用下，n 区的电子将正方向扩散进入有源层，p 区的空穴也将负方向扩散进入有源 层。进入有源层的电子和空穴由于异质势垒的作用而被封闭在有源层内，形成粒子 华北f 乜力大学硕：i j 学位论文 数反转 正向偏压 图3 1l e d 发光原理示意图 分布，其中的电子经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光，这种复合的自发辐射 光是通过外加正向偏置电压形成的注入电流，源源不断地向有源层提供电子和空穴 对得以维持的。 l e d 利用正向偏压一f 的p n 结在激活区中载流予的复合发出自发辐射的光。因此 l e d 的出射光是一利，非相二f 光，其谱线较宽( 3 0 m m 6 0 r a m ) ，辐射角也较大。短波长 ( o 8 2 - 0 8 5um ) 和长波长( 1 3 一1 5 5um ) 的l e d 分别使用g a a i a s g a a s 和 i n g a a s p n p 双异质结构。用这些直接带隙跃迁材料能保证在室温下给出较高的内 量子效率( 5 0 ) ，在本课题的信号传输线中，我们所关心的既非传输损耗又非光 散特性，因此选用0 8 5um 的o a a i a sl e d 是可行的，而且它更容易得到，更廉价。 3 4 强度调制的原理 强度调制的基本原理【1 6 1 是：利用外界被测信号的扰动改变光纤中光( 宽谱光或 特定波长的光) 的强度( 即凋制) ，再通过检测输出光强的变化( 解调) 实现对外界信 号的测量。强度调制型光纤传感器的一般结构框图如图3 2 所示。 幽3 2 强度调制与检；! j 1 0 原理图 采用输出稳定的l e d 或高亮度白炽灯等非相干光源发出的光波i i n 注入调制区， 在外力场i s 的作用下，输出光波强度被调制，载有外加场信息的i o u 。的包络线与 i s 形状一致。光电检测区的输出电流i 【l ( 或电压u d ) 也作出同样的调制。检测器一 般用p 】n 型( 或a p d 型) 光电二极管。强度调制型光纤传感器一般采用多模光纤作为 信号传输光纤。敏感元件可以用一般光纤或光纤阵列实现( 即传感型) 。当然也可 l o 华北电力火学硕卜学位论文 以用其它激光、电光等敏感元件，而光纤只用于光的传输( 即传输型) 。 根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类【17 引。一类为功能型调制，另 一类为非功能型调制。 ( 1 ) 功能型光强调制 功能型光强调制的调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输 特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型( f u n c t i o n a lf i b e r ，简称f f 型) 或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同时具有“传”和“感”两 种功能。与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续的光纤， 称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。利用相位 和偏振变化的是单模光纤，利用强度变化者是多模光纤。功能型传感器主要靠被测 对象调制或影向光纤传输特性，所以大多用单模光纤。 其基本原理是：外界信号( 被测量) 通过改变传感光纤的外形、纤j 枣与包层折 射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。 ( 2 ) i m 功能型光强调制 非功能型光强调制的凋制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光 纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型( n o nf u n c t i o n a lf i b e r ，简称 n f f 型) 或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为 传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制 型光纤传感器。由于要求传光型传感器传输尽量多的光量，所以这种传感器主要使 用多模光纤。 3 5 方案的确定 光强度调制的具体凋制方法很多，根据本实验所要求的测温环境，目前可用的 强度调制方法有： ( 1 ) 利用光纤微弯产生损耗进行光强度调制【1 8 】【1 9 】 其原理如图3 3 所示。一根多模光纤夹在一对变形板之间，以周期t 弯曲成 规则的形状，变形板响应环境的变化，对光纤施加一压力，使其产生形变，导致光 纤内发生模式间的耦合，使得有少量芯模能量转换成包层能量而损失掉。通过检测 纤芯中光功率的变化，就能确定微弯板位移量的大小或微弯板受到压力的大小。 光强与变形板位移间的关系，在小位移时是线性的。对大位移或用聚合物涂复 的光纤，这个关系是非线性的，但实现测量的动态范围大。 华北i 乜力火学颂：l j 学位论文 微弯型传感器的优点是：测量精度高，成本低；光路是完全封闭的，不受尘埃 等环境因素的影响。但光纤的宏观弯曲对这种传感器影响很大，虽然没有模式耦合 产生，但宏观弯曲会使高阶传输模进入光纤包层，从而引起光损耗，这使微弯效应 变弱，必须设法加以避免。这种传感器的缺点是机械设计和制造比较困难，变形器 不易调整，弯曲光纤较短，带宽较窄。 图3 3 光纤微弯型光强度调制 ( 2 ) 迅衰场型光强度凋制【2 0 】【2 1 1 它包括一对单模光纤或多模光纤，其原理如图3 4 所示。图中的l 表示两光纤 相互作用长度，d 表示两纤芯的距离。在作用区内，包层被减薄或整个剥去，以便 使纤j i j ! j = 之问的距离减小到足以在这两光纤的相当小的相互作用长度之间产生迅衰 场耦合。只要两波导是相同的，则两光纤的间隔改变时，相互之间的耦合功率就会 改变。若把两波导的小t 1 1 互作用封闭在折射率( 与包层折射率相同) 为1 1 2 的流质或可 塑弹性体中，耦合就纰- h “的- - ! 强。待测特定力场感生的间距，相互作用长度或折射率只 要发生一点微小变化，猫合进入下部光纤或传感光纤的光将产生重大变化。 幽3 4 迅衷场型光强度调制 利用这种光强度调制可以探测多种外界物理量的变化，因为很多物理量都可以 用位移作为中间手段实现测量。缺点是，对装置的加工精度要求特别高。 ( 3 ) 光路遮断型光强度调制【2 5 】 如图3 5 所示，发射光纤的出射光束经透镜l l 变换成平行光柱，再经透镜l 2 聚焦，使之耦合进接收光纤，在光学系统平行光柱位置上固定双金属片，并用双金 属片的前端遮住部分光柱，双金属片随温度变化而变形，前端产生相应的垂直位移， 1 ， 华北电力人学硕：f ：学位论文 从而改变遮光量，这样，接收光纤传送的光能变化量就代表了温度的变化。 燃片 图3 - 5 光路遮断型光强度调制 这种传感器测温范围取决于平行光柱的射束径，遮光部分每度( o c ) 的垂直位 移量以及在平行光柱中，t l , 遮光端部的温度( 标定时的基准点) 。这类传感器结构简 单、易于实现、成本低廉，但测温范围窄，通常为0 1 0 0 0 c 。此范围完全满足开关 柜接点的温度监测的要求。为了提高测温范围和分辨率，光柱的射束径越大越好， 但这样光束透过率的温敏度将变小，灵敏度降低，测量精度下降。 ( 4 ) 动栅式强度调制1 2 2 j 如图3 6 所示，入射光经过自聚焦透镜后成平行光，该平行光通过光栅后再 用自聚焦透镜把光聚焦在出射光纤的端面上。一个光栅是固定的，另一个光栅则随 外界二f 拢而移动，此时的这对光栅作相对运动，通过光栅的光强度就发生了变化。 光栅由等宽度交替排列的透明区和不透明区组成。这样当两光栅完全重合时，光传 输为5 0 ，当一个光栅的不透明条正好与另一个光栅透明条位置重合时，光传输为 零。即叫。实现光传输o 5 0 的调制。而且分辨率在光栅条问问距的1 0 - 6 数量级以 内。 发射光纤 接收光纤 图3 - 6 动栅式光强度调制 在上面介绍的这几种光强度调制方法中，微弯型光纤传感器是最灵敏的，具有 华北l i l 力火学顺- j ：学位论文 零点，j 乙埃的分辨率。但是，这涉及到在传感器中使用裸光纤，石英玻璃是一种脆性 材料，很容易折断，迅哀场型光强度调制也存在这方面的问题。动栅式的两个光栅 因为之i 白j 距离非常小，对装置的加工精度要求特别高，计算繁琐。而光路遮断型的 原理简单，易于制造，只要选取合适的标注方法和正确的处理手段就可以保证测量 精度。因此本系统决定选用光路遮断型光强度调制。 3 6 双金属片传感器 3 6 1 双金属片传感器的组成及作用 ( 1 ) 入射光纤：传输光源供给的工作能量( 光能) 。 ( 2 ) 接收光纤：接收调制后的光束传输给光检测器。 ( 3 ) 双金属片：温度升高时双金属片向上延伸遮光。 ( 4 ) 透镜l l ：将光纤f i 的出射光束变成平行光。 ( 5 ) 透镜l 2 ：将平行的光耦合成光纤f 2 。 3 6 2 双金属片传感器的结构和原理 这种新型光纤温度传感器的结构如图3 5 所示，光纤f l 的出射光束经透镜l 变换成平行光柱再经透镜l 2 聚焦，使之耦合成光纤f 2 ，在光学系统平行光柱位置 上固定双会属片，并用双金属片的前端遮住部份光柱，双金属片随温度变化而变形， 前端产生相应的垂直位移从而改变遮光量，这样光纤f 2 传送的光能变化量就代表了 温度的变化。 为使透镜小型化，采用直径1 8 m m 的微型棒状透镜，双金属由两片不同金属密 接而成，温度的变化产生不同的形变。由双金属片温度变化t 引起的遮光部份垂 直方向的移动量x 可用下式表示： a x = 4 k l 2 x , t l 式中：k 为变曲系数：l 为双金属片有效长度；l 为双金属片厚度。 图3 7光纤温度传感器的测温装置 1 4 华北电力火学颁：l j 学位论文 光纤温度传感器的测温装置如图3 7 所示。 3 7 光纤温度传感器与传统传感器性能比较 光纤温度传感器与传统传感器性能比较如表3 1 所示。 表3 一l 光纤温度传感器与传统传感器性能比较 比较内容光纤温度传感器传统传感器 探头光纤，抗干扰能力强，绝缘性好电子传感器，易受电磁干扰，检修维护困难 光纤，探头与信号通道一体，不 信号通道电路，对设备绝缘要求高 怕干扰 检测：光电技术检测：模拟电子 信号处理传输：光信号传输：弱点信号 处理：高速数字技术处理：数字技术 系统可靠性可靠性高 可靠性低，受探头。主机等全部i 殳备影响 方便，能往细小夹缝、易燃、 施一】：、安装易爆、恶劣环境下安装；布线简 不方便，许多地方无法实施安装：布线复 照 杂；维护困难。 不带电，抗射频利电磁干扰、 其它特点 抗腐蚀耐高压，能在各种有害的 早期技术，过去应用广泛。在许多特殊环 境下无法使用。 环境中：i ：作 华北电力人学硕：i ：学位论文 第四章温度监测仪的硬件设计 4 1 监测仪的主板设计 监测仪的硬件系统由电源、光电转换装置、c 8 0 5 1 、l e d 、r s 4 8 5 、j t a g 等部 分组成。每个监测仪控制六个光纤温度传感器，即六个通道。光纤温度传感器 将温度的高低转变为光纤中的光的强弱，光电转换装置将光强转变为电压，通 过引脚a i n o a i n 7 ，c 8 0 5l 芯片光电转换后的电压传入其芯片内部，调用已设 定好的程序对数值进行处理。l e d 由c p u 控制，采用三位数码管显示，第一位显 示通道号，二三位显示温度值。r s 4 8 5 串口传送，用于监测仪与上位p c 机间的 数据传送。j t a g 用于软件的调试与安装。通过整压、稳压、降压后形成的3 0 v 的稳压电源，供单片机使用。由于采用了新型芯片c 8 0 5l 使电路的设计更加简 单，省玄了放大电路、a d 转换电路、不用再扩展引脚。所以整个电路的设计显 的简单高效。 硬件系统总体框图，如图4 一l 所示。 模拟输入 稳压l 乜源 图4 1 硬件系统总体框图 c 8 0 5lf 0 0 5 部分的引脚电路可查看c 8 0 5 1f o x x 目标板原理图23 1 ，如图4 2 所示。 1 6 华北电力大学硕十学位论文 占七 茎暂韵 一 l 气九m 专口l n 一 h l 一 目h t 一 咀h z 一 。 黑一 。一i 嚣m 。i 上一“玉。一 r ”了”莲三 日k i 一 鼬 一 图4 2c 8 0 5 1 f o x x 目标板原理图 连接后的硬件系统丰板如图4 3 所示。 图4 3 硬件系统主板图 华北电力火学硕十学位论文 4 20 8 0 51 性能介绍 总部位于美国德克萨斯州的美国c y g n a l 公司【2 引，是一家专门从事混合信号 片上系统单片机设计与制造的新兴半导体公司。c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机是该公司 已拥有自主产权，并与m c s - 5 l 内核及指令集完全兼容的c i p - 5 1 为内核而集成 的混合信号片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。c y g n a lc 8 0 5 i f 系列单片机是集成的 混合信号片上系统s o c ( s y s t e m0 nc h i p ) ，具有与m c s 一5 l 内核及指令集完全兼 容的微控制器，除了具有标准8 0 5 l 的数字外设部件之外片内还集成了数据采集 和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 c y g n a lc 8 0 5 1 f 系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放 大器a d c 、d a c 、电压比较器、电压基准、温度传感器、s m b u s 1 2 c 、u a r t 、s p i 、 可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、定时器数字i o 端口、电源监视器、看门狗 定时器( w d ，r ) 和时钟振荡器等。所有器件都有内置的r l a s i i 存储器和2 5 6 字节 的内部r a m ，有些器件还可以访问外部数据存储器r a m 。 c y g n a lc 8 0 5 1 f 系列单片机是真正能独立工作的片上系统s o c 。c p u 有效地 管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。f l a s h 存储器还具 有在线重新编程的能力，即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储。 应用程序可以使用m o v c 和m o v x 指令对f i 。a s i - i 进行读或改写。 c y g n a lc 8 0 5 l f 系列单片机具有以下特点： ( 1 ) 片内资源 8 12 位多通道a d c 。 l 2 路1 2 位d a c 。 l 2 路电压比较器。 内部或外部电压基准。 内置温度传感器( 3 0 c ) 1 6 位可编程定时计数器阵列( p c a ) 可用于p w m 等。 3 5 个通用1 6 位定时器。 8 6 4 个通用i 0 口。 华北电力火学硕士学位论文 带有1 2 c s m b u s 、s p i 、l 2 个u a r t 多类型串行总线。 8 k 1 2 8 kf l a s h 存贮器。 2 5 6 - - 8 4 4 8 b i t 数据存贮器r a m 。 片内时钟源内置电源监测看门狗定时器。 ( 2 ) 丰要特点 与标准8 0 5l 完全兼容 c y g n a lc 8 0 5 l f 系列单片机采用c i p 5 1 内核( c y g n a l ) 专利与m c s 一5 1 指令 系统全兼容可用标准的a s m - - 5 1 、k e i lc 高级语言开发编译c 8 0 5 l f 系列单片机 的程序。 高速指令处理能力 标准的8 0 51 一个机器周期要占用l2 个系统时钟周；明，执行一条指令最少 要一个机器周期，c y g ne t lc 8 0 5 l f 系列单片机指令处理采用流水线结构，机器周 期由标准的1 2 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，指令处理能力比m c s 一 5 1 大大提高，c ip 一51j 2 , j 核7 0 的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完 成，只有四条指令的执 - j 二需4 个以上时钟周期。 c 1 p 一5 1 指令与m c s 5 l 指令系统全兼容共有1 1 1 条指令。 图4 4 是几个典型m c u 指令执行速度对照表。 | | | | | | | | | | | | | 一一 华北电力火学硕十学位论文 ( 3 ) 增加了中断源 标准的8 0 51 只有7 个中断源。c y g n a lc 8 0 5 lf 系列单片机扩展了中断处理， 这对于时实多任务系统的处理是很重要的。扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供2 2 个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断。一个中断处理需要较少的c p u 干 预，却有更高的执行效率。 ( 4 ) 增加了复位源 标准的8 0 51 只有外部引脚复位。c y g n a lc 8 0 5 1f 系列单片机增加了7 种复 位源，使系统的可靠性大大提高。每个复位源都可以由用户用软件禁止。 片内电源监视。 w d t 看门狗定时器。 i i - j 钟丢失检测器 比较器0 输出电平检测。 软件强制复位。 c n v s t r a d 转换肩动。 外部引脚r s t 复位可双向复位。 ( 5 ) 提供内部时钟源 标准的8 0 51 只有外部时钟。c y g n a lc 8 0 5 lf 系列单片机有内部独立的时钟 源，在系统复位时默认内部时钟。如果需要可接外部时钟