（高电压与绝缘技术专业论文）应用于输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统的研究.pdf

i 声明尸明 所提交的硕士学位论文应用于输电线路覆冰监测的光纤光栅 测量系统的研究，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谢之处外，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：迢亘整日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、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 段复制并保存学位论文；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： 日 期： 导师签名：猫 日期： i 华北电力大学硕士学位论文 摘要 输电线覆冰将严重影响电力系统的经济效益和安全运行可靠性。本文提出了一种应 用于输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统，该系统对于解决这个问题具有重大的实际 意义。主要完成以下工作： 该系统采用多参考光栅的方式排除了f - p 腔温漂和非线性的影响；提出了一种温度 测量算法，利用参考光栅和双灵敏度温度传感器测量导线表面的温度；利用温度补偿方 式来测量导线的应变。确定了光栅的分布，选择了各项光学元件，设计了单片机系统。 通过实验验证了：测量系统的稳定性和准确性；温度和应变测量的准确性。 本系统最大的特色是针对应用环境温度变化大，电源功率有限等困难采用了参考光 栅和双灵敏度温度传感器的温度测量算法，使测量系统实现了精确测量，节能化和低成 本化，为该系统应用于工程实践奠定了基础。 关键词：输电线覆冰，光纤光栅测量系统，单片机，算法 a b s i 。l 己a c i g r e a ti c eo nt r a n s m i s s i o nl i n e sw i l lr e d u c et h ee c o n o m i cb e n e f i ta n ds t a b i l i t yo f e l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m s i nt h i sp a p e r , an e w d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i sp r o p o s e dt om o n i t o rt h ei c i n go nt r a n s m i s s i o nl i n e s a tf i r s t ，s e v e r a lf b g sa r eu s e dt o g e t h e rt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h en o n l i n e a r i t yo f t h ef - pf i l t e ra n dt h ei n f l u e n c ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e s e c o n d l y , f b g sw i t ht w ok i n d so f s e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r ea n d ac a l c u l a t i o nm e t h o da l eu s e dt om e a s u r et h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo ft h et r a n s m i s s i o nc o n d u c t o r t h i r d l y , t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o di s u s e dt om e a s u r et h es t a i no ft h et r a n s m i s s i o nc o n d u c t o r s o na d d i t i o n ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e d t h eo n e - c h i p - m i c r op r o c e s s o rs y s t e m ，t h el i n el e n g t hf o re a c hf b g ，c h o s ee a c ho p t i c a l c o m p o n e n t sf o rt h i sd e t e c t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t sw e r em a d et op r o v et h es t a b i l i t y ，a c c u r a c y o ft h i ss y s t e m t h eb i g g e s tb e n e f i to ft h i ss y s t e mi st h er e f e r e n c ef b g sa n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o db a s e o nt w ok i n d so ft e m p e r a t u r es e n s o r s s o ，i tn o to n l yo v e r c o m e st h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ea n dt h e l a c ko fp o w e rs u p p l y , b u ta l s oa c h i e v e s p r e c i s em e a s b r e m e n l e n e r g y - s a v i n ga n dl o wc o s t ，r e s u l t i n gt oa p p l y i n gi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n ei c i n g , f b gm e a s u r e m e n ts y s t e m , s c m ，a l g o r i t h m ( h i 曲v o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db y 华北电力人学硕士学位论文 目录 摘要i 第一章绪论1 1 1 研究输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统的意义1 1 2 输电线路在线监测方法简述及现存问题分析2 1 3 光纤光栅传感技术3 1 4 光纤布喇格光栅传感理论：4 1 4 1 光纤布喇格光栅的传感原理5 1 4 2 光纤布喇格光栅信号解调技术6 1 5 本文的主要工作1 1 第二章光纤光栅传感解调系统设计1 3 2 1 输电线路覆冰监测需求分析1 3 2 2 光纤光栅传感解调方案设计1 3 2 2 1 解调方案设计1 3 2 2 2 传感器分配1 5 2 2 3 各元件选型及性能指标要求1 6 2 3 波长解调算法的研究2 2 2 3 1 参考光栅温度恒定时的波长解调算法2 3 2 3 2 参考光栅温度未知时的波长解调算法2 3 2 4 温度测量算法2 5 2 5 应变测量算法2 5 第三章单片机测量系统设计2 7 3 1 放大器设计2 7 3 2 低通滤波电路设计2 9 3 3 单片机数据采集电路设计3 0 3 3 1 单片机选型3 0 3 3 2 采样速率和转换精度的确定3 2 3 3 3 电路框图及控制信号3 3 3 3 4 数据采集程序设计3 4 3 4 数模转换电路3 5 3 4 1 转换精度分析3 5 3 4 2 三角波产生模块程序设计3 7 3 5 数据传送模块设计3 8 t i 华北电力大学硕+ 学位论文 3 5 1 串口通信电路3 8 3 5 2g p r s 无线通信模块3 8 3 6 系统性能分析4 l 3 6 1 系统分辨率的研究4 1 3 6 2 最大电压值法误差研究4 1 第四章光纤布喇格光栅测量系统的实验研究4 3 4 1 测量系统的稳定性和准确性实验4 3 4 1 1 参考光栅温度已知时测量系统的实验验证4 3 4 1 2 参考光栅温度未知时测量系统的实验验证4 8 4 1 3f - p 腔温漂及其排除实验5 0 4 2 温度测量方法的准确性实验5 2 4 2 1 实验室温度测量5 2 4 2 2 低温测量实验5 6 4 3 应变测量方法的准确性实验5 6 4 3 1 实验方法5 6 4 3 2 实验结果分析5 8 第五章结论6 l 参考文献6 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 5 致谢6 6 i i i 华北电力人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统的意义 在当前我国经济迅猛发展的大背景下，全社会对电力可靠性的要求越来越高， 电力事故造成的经济损失越来越严重。2 0 0 8 年，一场国际上百年罕见的大面积覆冰 影响了我国南方大部分地区的十几个省。由于持续的雨雪冰冻天气，导致输电线路 大面积覆冰，不堪重负倒塌断线，电力设施遭到前所未有的破坏，供电线路大范围 中断，给人民的生产生活造成了巨大的灾害和损失，直接经济损失超过千亿元。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美加电网发生连锁性大面积恶性停电事故，造成1 0 0 多座电厂跳闸、 损失负荷6 1 8 0 0 m w 、停电范围9 3 0 0 平方英里，震惊了全世界。之后不久，欧洲和俄 罗斯又相继发生了大面积电网崩溃和长时间停电事故，造成了巨大的社会影响和重 大的经济损失，又一次提醒人们电力安全的重要性：电力安全是国家安全的一个重 要组成部分。 输电线路因其分布广泛，所处环境恶劣，经常遇到大面积污闪、覆冰、雷击事 件，是电网中的薄弱环节。1 9 8 4 年贵州电力系统发生了大范围的架空线路覆冰事故， 全省有2 7 3 7 的线路跳闸，共1 3 1 条次，平均每天跳闸4 条次，并且造成了贵州电 力系统解体n 1 。2 0 0 5 年春节期间，在湖南、湖北以及重庆地区，由于连续大范围雨 雪天气，出现了5 0 年来最严重的冰灾，1 7 条供电线路陷于瘫痪，影响生产和生活 长达一个多月瞳1 。1 9 9 6 年8 月1 0 日，美国西部电网由于联络线负荷重导致弧垂过 大，分别由3 条线路对树木放电掉闸，最终导致电网解列为4 片，损失负荷3 0 3 9 万k w ，影响7 5 0 万个用户供电。 高压架空输电线路上针对导线的监测主要有应力、温度、弧垂监测。应力监测 和弧垂监测也是防范覆冰断线事故的重要技术基础。本文的主要目的是提出一种基 于光纤光栅传感器的高压架空输电线路应力、温度、弧垂在线监测系统的设计思想。 而用光纤光栅作为传感器来测量外界物理量的核心技术是传感信号的解调，所以本 文主要设计了基于单片机的光纤光栅测量系统。但目前而言，国内对光纤光栅传感 器的研究还主要在高校和科研院所，基本上是处于理论研究和实验阶段，而且研究 的重点也主要集中在物理特性方面，应用性的研究成果很少。因此设计开发出一种 高精度高速度的并且价格低廉的光纤光栅波长解调系统，对于实现光纤光栅传感器 的推广和使用，具有重大的意义。 光纤光栅具有良好的温度、应变特性，即随着温度、应变的变化，其中心波长 发生偏移，并且中心波长的偏移量与温度、应变的变化量具有良好的线形关系，显 1 华北电力大学硕士学位论文 而易见，光纤光栅的波长偏移即为温度、应变变化的外在反映。并且它抗周围环境 干扰能力更强，在线测量得到的数值更精确，能及时发现电力设备内在的隐患，可 使设备的重大故障提前发现，很大程度上降低了因故障而造成的经济损失，因此光 纤光栅传感器成为合适的选择。其研究成果将彻底解决现有压力和温度传感器易受 强电磁场干扰、测量精度不高的缺点，为输电线路的导线状态监测提供更加准确可 靠的监测技术和装置，使得对导线状态的监测迈上新的台阶，能够更加准确地指导 生产实践，从而达到极大减少导线事故、提高导线输送容量的目的。状态检修始于 1 9 7 0 年，是当前耗费最低、技术最先进的维修制度，它为设备安全、稳定、长周期、 全性能优质运行提供了可靠的技术和管理保障，是未来的发展趋势。输电线路的导 线状态监测是整条线路状态监测的必不可少的部分，本项目的研究成果能够填补导 线状态监测领域的空白，维护输电线路状态检修的完整性，将有力推动我国电力工 业状态维修体制的确立和完善。 鉴于以上，该课题不论是从在理论研究还是从实际应用上来看都有重大的现实 意义和实用价值。 | i 2 输电线路在线监测方法简述及现存问题分析 在国外，俄、加、美、日、英、芬兰和冰岛等国的科研人员对导线覆冰及舞动 现象进行了大量研究，在导线覆冰的机理、导线覆冰荷载等领域取得了大量研究成 果，他们侧重子导线除冰技术的研究和相关设备的开发d 利，在覆冰监测方面多年来 没有突破性进展。中国各设计、科研及运行单位也进行了大量研究工作，取得了许 多卓有成效的成果晡1 。 针对导线温度、弧垂和覆冰的在线监测装置，国内外研究成果较少。国内海康 雷鸟信息技术有限公司提出了采用弧垂实时监测、线路图像实时监视和小型气象站 相结合的综合方法来实时监测架空线路覆冰的方案，利用先进的数字视频压缩技 术、低功耗技术、g p r s 无线通信技术，将现场图像信息传输到监控中心的服务器上， 从而实现对输电线路全天候监测；可以对线路覆冰形成的气象条件、覆冰形成过程 和覆冰的严重程度进行全过程的实时监测1 。金源电气有限公司和西安交通大学电 气工程学院黄新波等建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型，设计了应变 片式压力传感器的安装结构，研制了x f b m - x 输电线路覆冰在线监测系统 1 。在覆冰 监测的技术路线上，最常采用的是导线的倾角一弧垂分析，线路覆冰时最明显的是 导线弧垂的增加。美国u s i - p o w e r 公司生产的p o w e r - d o n u t 2 ( 电力环) 以及国内海 康雷鸟公司生产的温度一倾角测量球通过实时直接测量导线温度和导线倾角计算导 线弧垂，均可测量线路负荷变化时由于导线发热造成的弧垂变化，也可测量导线覆 冰时，由于导线重量增加造成的弧垂变化哺1 。 2 华北电力人学硕+ 学位论文 现有监测装置虽然已有少量应用，但仍未大面积推广应用。目前在应力测量方 面应变片使用特别广泛，将应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、 加速度、力、力矩、压力等参数的电阻应变式传感器，其主要优点是：传感器结构 简单、使用方便、性能稳定可靠、灵敏度较高、测量速度快、适合静态和动态测量 等。但由于应变片依靠微弱的电阻变化量来反映构件的应变，存在非线性和温度、 零位漂移等因素，需要精密的电桥测量电路。在输电线路上，存在极为不利的影响 因素：( 1 ) 强大的交变电磁场将在应变片的引线上产生较高的感应电压；( 2 ) 绝缘 子金具尺寸狭小，桥路或电路补偿构建困难。这些因素造成测试结果产生的误差更 加严重。 1 3 光纤光栅传感技术 光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源器件。自1 9 7 0 年，美国康 宁公司首先研制出2 0 d b k m 的光纤1 ，为光纤光栅的发展提供了基本条件以来，光纤 光栅的制作技术逐步得到了完善。1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的h i l l 等人 首先发现了掺锗光纤的光敏性，并采用驻波干涉法制成了第一根光纤光栅，开辟了 光纤光栅研究的历史p 1 。尽管这一发现具有重大的历史意义，但当时采用的写入技 术写入效率低，写入的布喇格波长也受到限制，此后的十年间这项极富潜力的技术 一直进展缓慢。1 9 8 9 年，美国东哈福德联合技术中心的g m e l t z 等人以倍频氩离子 激光器输出的2 4 4 n m 紫外光为光源，用分振幅干涉的方法在掺锗石英光纤上研制出 世界上第一只布喇格谐振波长位于通信波段的光纤光栅n 们，为这一领域的研究工作 开辟了新的途径。1 9 9 3 年，k 0 h i l l 与p j l e m a i r e 分别提出相位掩模成栅技术和 低温高压载氢技术1 引。这两项技术相结合极大的降低了光纤光栅的制作成本与容 易程度，使得光纤光栅的批量化生产成为可能，从而在世界各地掀起了基于光纤光 栅应用研究的热潮。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，使光纤内部产生纵向永久 性周期性或非周期性折射率变化而制成的。由于光纤光栅是在光纤内部形成的，具 有全光纤化、插入损耗低、成本低的优点，并且通过对光栅结构的设计可以得到满 足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域展现 出广阔的应用前景。在光纤传感领域，光纤光栅可以用作测量诸如温度、应变、振 动、压力、声场、电磁场等物理量和某些化学量的传感元件。光纤光栅的应用促成 了光纤传感系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化，因此光栅传感技术一经 提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴的技术迅速崛起，成为目前光纤传感中增 长最快的领域之一。 1 9 9 6 年，h a m m o n 等人对光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度进行研究 u 引，长期监测的精度已达到3 。c 。德国西门子公司于2 0 0 0 年将光纤光栅传感器应 3 华北电力大学硕+ 学位论文 用于气冷涡轮发电机定子温度的测量，同时，他们还在同一发电机中对大电流进行 了测量n 钔。日本北海道还使用光纤光栅传感器测量高压传输电缆的积雪荷载n 引。国 内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初期，清华大学、 南开大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤光栅的研究，尤其 是哈尔滨工业大学的欧进萍院士、周智博士等对光纤光栅传感器在土木工程中的应 用进行了细致的研究与工程应用，取得较好的成果。武汉理工大学的国家光纤研究 中心姜德生等人在光纤光栅的研究和应用方面目前已经自行研制了光纤光栅温度 传感器、应变传感器、光纤光栅解调仪、光纤液位计。为加快我国在这一高新技术 领域的发展，国家计委于1 9 9 7 年通过“光纤传感技术国家重点工业实验基地 项目 的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备，使我国在传 感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质基础，加快了我国在此技术领 域的步伐。2 0 0 0 年国家计委又批准在武汉理工光科股份有限公司建设“光纤传感器 国家高技术产业化示范工程 。经过几年的努力，若干关键技术和产业化研发方面 都取得一系列重要突破，这大大加速了这一高新技术的产业化进程n 引。 与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是： ( 1 ) 电绝缘性好，耐腐蚀，耐高温，抗电磁干扰能力强： ( 2 ) 传感器灵敏度高； ( 3 ) 体积小，重量轻，容易加工； ( 4 ) 对被测物体影响小； ( 5 ) 能够组成复用系统，实现分布式传感器阵列，便于成网； ( 6 ) 价格便宜。 高压输电线路处于强电磁场中，对其进行监测需要绝缘性好，体积小，较少维 护的传感器，般电类传感器无法胜任，而光纤光栅的优势正好体现出来。 综上所述，架空输电线路导线状态监测领域在传感器和预警方面仍然处于初级 阶段，很不成熟，难以满足工程实践需要。光纤光栅传感技术是一种新兴技术，特 别适用于输电线路导线状态监测，而且已在土木工程和电力设备上有成功应用案 例。但是，将光纤光栅技术应用于输电线路的案例还非常少，本项目的研究具有明 显的创新性。 1 4 光纤布喇格光栅传感理论 光纤光栅传感器是以光栅作为传感元件的波长调制型光纤传感器，波长解调技 术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦 合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点。随着光纤光栅性能的逐步改善和 制造工艺的进步，光纤光栅传感器在光纤传感器领域中会越来越成为研究热点。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 4 1 光纤布喇格光栅的传感原理 温度和应变的变化会引起光栅周期和有效折射率的变化，从而使光纤光栅的反 射谱和透射谱发生变化，通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以得出 相应的温度和应变变化量，这就是用光纤光栅测量温度和应变的基本原理n 7 1 。 光纤布喇格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。光纤布喇格光栅的 结构如图卜l ( a ) 所示，当光波传输通过光纤布喇格光栅时，满足布喇格光栅波长 条件的光波矢将被反射回来，这样入射光波矢就会分为两部分：透射光波矢和反射 光波矢，如图卜1 ( b ) 所示，这就是光纤布喇格光栅的基本工作原理。 ( - ) 兜缗靠投籀光橱结构示意翔 眨l 囱己 透射光 t b 兜渡潺避档| 龟格光镊缝麓分配4 i 毖爨 图卜l布喇格光栅的结构及原理图 对于这类调谐波长反射现象的解释，最先由威廉b r a g g 爵士提出，因而这种光 栅被称为b r a g g 光栅( 本论文以下内容中光纤光栅即为光纤布喇格光栅) ，反射条 件被称为b r a g g 条件。反射的中心波长信号厶，跟光栅周期a ，纤芯的有效折射率 n 有关。由耦合波理论可得，当满足相位匹配条件时，光栅的布喇格波长为n 引： 厶= 2 人 ( 卜1 ) 式( 卜1 ) 中：以为布喇格中心波长；，o 为光纤传播模式的有效折射率；人为 光栅周期。对( 1 - 1 ) 式两端取微分可得： v 以= 2 v n 够a + 2 n a v a ( 卜2 ) 从式( 1 - 2 ) 中可以看出，当外界的被测量引起光纤光栅温度、应变改变都会 导致光纤光栅的人或的变化，进而导致反射的中心波长的变化。也就是说，光纤 光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅中心反射波 长与温度和应变的关系为： s 华北电力大学硕士学位论文 导哳均仉”班s 3 ) 式( 1 3 ) 中：吩= 去等为光纤的热膨胀系数；f = 三n 塑d t 为光纤材料的热光系数； 见：一三粤为光纤材料的弹光系数n 9 1 。 na 亡 1 4 2 光纤布喇格光栅信号解调技术 信号检测是传感系统中的关键技术之一，它要能够准确、迅速地测量出信号幅 度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息( 动态的或静态的) 不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。 光纤布喇格光栅信号波长解调如图1 - 2 所示，在传感过程中，光源发出的光波 进入传感光栅，传感光栅在外场( 主要是应力和温度) 的作用下，对光波进行调制， 然后，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射( 或透射) ，被探测器接收解调并 输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱 分析及相关变化，即可获得外场信息。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较 容易实现乜们。 ( | ) 反射式 戳拭 图1 - 2 光纤光栅传感解调系统 目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪检测法、边缘滤波 检测法、可调谐滤波检测法、匹配光栅检测法、可调谐窄带光源检测法、非平衡m z 干涉仪检测法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法等乜h2 刳。 1 ) 光谱仪检测法瞳3 1 在各种波长移动检测方案中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源， 输入光纤光栅，再用光谱仪检测输出光的中心波长移位从，该法结构简单，具有 可携带性、经久耐用且易于使用和自动测试等特点，常用于实验室。 2 ) 边缘滤波器检测法他 6 图1 - 3 边缘滤波法解调系统原理 3 ) 可调谐f a b r y - p e r o t 滤波检测法心0 1 可调谐法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，f - p ) 腔作为一个窄带滤波器，一定波长带 宽的平行光入射到f - p 腔，只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉， 产生相干极大。可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波器典型的带宽为0 3 n m ，工作范围为 几十个纳米。通过压电陶瓷精确移动平面镜的间距，可改变f a b r y - p e r o t 腔的腔长， 从而实现滤波器的调谐，当前，可调谐f - p 滤波器的扫描频率可达l k h z 。为保证光 纤光栅的反射信号总能被可调谐光纤f a b r y - p e r o t 滤波器检测，可调谐光纤 f a b r y p e r o t 滤波器的自由光谱区应大于光纤光栅的工作谱区。 7 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 4 可调光纤f - p 滤波器解调系统 如图1 - 4 所示，宽带光源发出的光经光隔离器和耦合器后进入传感光纤光栅阵 列，其中满足布喇格条件的光被反射后经3 d b 耦合器进入可调光纤f p 滤波器，通过 在f p 滤波器的压电陶瓷( p z t ) 上施加三角波( 或锯齿波) 扫描电压调节其腔长。 当f - p 滤波器的透射波峰与f b g 的反射波峰重合时，探测器能探测到最大光强，此时 给压电陶瓷施加的电压u 就对应着f b g 的反射波长。光电探测器将探测到的光信号转 换成电信号，电信号经放大后由a d 转换模块转换成数字信号输入数据处理系统，数 据处理系统对采集到的信号进行处理，计算得出传感光纤光栅的中心波长值。 4 ) 匹配光栅检测法晗副 匹配光纤光栅滤波法是利用其他f b g ，在驱动元件的作用下跟踪测量f b g 的波长 变化，然后通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。 匹配光纤光栅滤波法解调技术分为反射式和透射式两种，反射型解调系统心引如 图卜5 所示，g 。和g mg 。和g 小g 。和g 。、g 蛐和g 。都是匹配光栅对。宽带光源发出的 光经传感光栅阵列后形成多波长反射信号光，并等功率耦合分给各匹配光栅，匹配 光栅并行布置在同一个p z t 上。驱动p z t 调节匹配光栅的中心波长，使其中心波长在 一定范围内来回移动，光谱移动范围涵盖了传感光栅的反射谱。当两光纤光栅波峰 重合时，光信号强烈反射，各个探测器接收达到最大值，由相应p z t 电压一波长关系 得到各传感f b g 的中心波长。该方法调谐简单、线形度好，系统分辨率取决于所使 用的f b g 带宽，但信号光经过多耦合器达到匹配f b g 导致信噪比下降。 8 华北电力人学硕士学位论文 d l 图1 - 5 反射方式匹配光纤光栅滤波法 图卜6 透射方式匹配光纤光栅滤波法 图1 - 6 为透射型系统心引。其工作原理是：各匹配光栅由不同的p z t 进行独立的波 长调谐，串连成滤波光栅阵列。信号光进入该阵列后由同一个探测器接收透射光， 依次对各个匹配光栅单独调谐，使接收光强最小。可由p z t 的驱动电压取得各传感 f b g 的中心反射波长。此方法优点是信号光功率利用率高，缺点是多个p z t 造成跟踪 控制较复杂，非线性误差较大。 5 ) 可调谐窄带光源检测法n 鲥 可调谐窄带光源检测法的解调原理是窄带可调谐光输入光纤光栅，并周期性地 扫描光纤光栅的反射谱( 或透射谱) ，根据激光器的扫描电压一波长关系可得到传感 光纤光栅的中心反射波长。如图1 - 7 所示，光源是线宽很窄的光纤激光器，激光器 固定在压电陶瓷( p z t ) 上，当压电陶瓷受三角波电压驱动时，激光波长在一定范 围内扫描，当波长恰好为某个光纤光栅传感器的波长时，照射到传感器阵列上的光 9 华北电力人学硕十学位论文 就会被相应光纤光栅传感器强烈反射。反射信号经过耦合器后送到探测器，接上数 字示波器根据p z t 的电压一波长关系即可获得光纤光栅传感器的中心反射波长的变 化。这类系统的信号光功率较高，可以抑制噪声，因此具有较高的信噪比和分辨率， 但是目前光纤激光器的稳定性和可调谐范围尚不够理想，在一定程度上限制了传感 f b g 的数目和使用范围。 小。 锯齿波 图1 - 7 可调窄带光源解调系统 6 ) 非平衡m z 干涉仪检测法船瑚1 非平衡m - z 干涉仪法将传感光栅波长偏移量转换成为相位变化量来进行检测， 传感系统如图卜8 所示。 探测器 图1 - 8 非平衡m - z 干涉仪解调系统 在该检测技术中，宽带光源发出的光经耦合器入射到传感光栅上，被反射后进 入到不等臂长的m - z 干涉仪( 两臂光程差n d ) ，通过非平衡m z 干涉仪把布喇格波 长偏移转化为相位变化。当输入光波长变化五时，非平衡m z 干涉仪输出相位变化 为： 缈( 允) ：下2 7 r n d a a ( 1 5 ) 式( 卜5 ) 中：n 是光纤的有效折射率；d 是干涉仪两臂的长度差；兄是f b g 反 射光的中心波长。 1 0 图1 - 9 非平衡扫描迈克尔逊干涉法原理示意图 ，使用相位 感光栅上的 在图1 - 9 中，非平衡扫描迈克尔逊干涉仪的短臂缠绕在受三角波信号驱动的压 电陶瓷上，传感光栅的反射光波经过耦合器进入非平衡扫描迈克尔逊干涉仪，输出 信号由探测器接收后变为电压信号，电压信号经过滤波器与压电陶瓷的驱动信号分 别作为待测信号和参考信号一起输入相位计。不断改变驱动电压信号的幅值以及直 流电平的大小，最终使干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所 显示的值与施加在传感光栅上的待测应变量的大小有关，而参考信号的相位与之无 关，所以，观测相位的变化可判断待测应变的变化程度。 1 5 本文的主要工作 目前研究的光纤光栅解调装置基本上应用在常温环境下，以市电作为电源，然而输 电线路覆冰监测光纤光栅测量系统长期安装在高压输电线路上，面临着环境温度变化 大，电源功率有限，系统应用空间有限等困难。本系统要实现工程应用必须解决以上难 点，本文主要开展以下研究工作： 1 ) 针对输电线路覆冰的情况，设计光纤光栅测量系统，采用模块化设计，节 约空间，实现系统的小型化； 2 ) 针对温度变化造成的f - p 腔的温漂和压电陶瓷的非线性问题，研究采用参 华北电力大学硕士学位论文 考光栅法来提高测量精度； 3 ) 针对测量系统电源功率有限，无法采用温度控制装置来保持参考光栅的波 长恒定，造成测量误差很大的问题，本文创新性地提出采用参考光栅和双灵敏度温 度传感器温度测量算法来实现测量结果的准确性，并实现系统的节能化； 4 ) 设计数据采集与传输硬件电路； 5 ) 实验室验证光纤光栅测量系统的稳定性和准确性。 1 2 华北电力火学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感解调系统设计 要组建一个应用于输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统，首先要对输电线路 覆冰监测需求进行分析；然后根据分析结果对比各种解调方法，确定采用哪种解调 方法；最后根据解调方法去确定各个元件，组成输电线路覆冰监测光纤光栅传感解 调系统。 2 1 输电线路覆冰监测需求分析 本系统主要测量输电线路的温度与应变，由于关于高压输电线路在覆冰状况下 温度和应变值的范围没有国家标准。根据统计分析，在雨雪天气下，输电线路产生 覆冰的基本气象条件为：气温及设备表面温度达到o 以下；空气相对湿度在8 5 以上；风速大于1 o m s 1 。根据此统计分析我们设计高压输电线路覆冰监测系统的 温度范围定为：一4 0 1 2 0 ( 光纤光栅温度传感器测量温度达到1 2 0 ，为判别 输电线路载送能力是否受制约提供参考温度值) ，分辨率为0 2 1 2 ，精度为1 。 根据龙斗i i 回5 0 0 k v 输电线路的导线型号，档距，导线比载等参数计算出当导线拉 断时所产生的应变量为3 8 0 0 胆，我们将应变量的范围定为0 - - - - 5 0 0 0 肛，分辨率为 2 肛，精度为l o 肛。对应光纤光栅传感器中心波长的分辨率为2 p m ，精度为l o p m ( 本论文所使用光纤光栅传感器变化0 1 和1 肛分别大概对应波长变化l p m ) 。 本测量系统要实现输电线路覆冰在线监测就要采用小型化，节能化，低成本化设计； 本系统在高压输电线路上使用，处在强电磁场环境中，必须很好的考虑电磁兼容问题。 为了实现小型化，我们在设计中，都采用了模块化元器件，集成化高，整套设备体积小； 为了实现节能化，我们在保证测量精度的同时采用了单片机测量系统，这样就能降低整 套系统的电源功率需求，而且单片机价格便宜，也同时有利于实现低成本化；为了实现 低成本化，我们采用了参考光纤光栅解调算法，比传统的采用温补控制装置或者光标准 具的方法不仅降低了成本，还实现了节能化。 2 2 光纤光栅传感解调方案设计 2 2 1 解调方案设计 光纤光栅的传感信息采用波长编码，由于光纤光栅的中心波长会随着环境温度 和应变的变化发生变化，因此如何检测光纤光栅中心波长随温度和应变的变化而产 生的移动量，是光纤光栅实用化面临的关键技术。在第二章阐述的诸多波长检测方 法的优点与缺点如表2 - 1 所示。 1 3 华北电力人学硕十学位论文 表2 - 1 各种解调方法优缺点对照 解调方法优点缺点 光谱仪检测法简单，直接价格偏高，精度偏低，扫描速度慢，体积 大 边缘滤波法解调电子处理电路比较简单受到器件传输特性的影响，测量的分辨率 比较低 匹配光栅解调法反射方式：系统结构反射方式：系统信噪比较低： 简单、造价低廉；透射方式：跟踪控制复杂，系统非线性误差 透射方式：信号光利 较大 ： 用率高 可调窄带光源解具有较高的信噪比和分辨率目前d b r 光纤激光器的稳定性及可调谐范 调法检测法围尚不够理想，这在一定程度上限制了传 感光栅的个数和使用范围 非平衡m z 干涉解 宽带宽、高解析度的解调能但容易受到干扰的影响，产生测量误差 调法力 非平衡扫描迈克具备查询、解调光纤光栅网络动态测量时需要详细分析相位随时间变化 尔逊干涉法传感信号的能力的规律 可调谐f p 滤波器可直接将反射波长信号转换滤波损耗较大 法成电信号，并且具有体积小、 价格低、灵敏度高、光能利 用率高、操作简单和适用于 工程应用的波长位移检测技 术 根据对各种解调方法优缺点的对照，并考虑我们测量系统实际应用时温度和应 变量测量范围和精度的要求，本论文选用可调谐f p 滤波器法进行解调。输电线路 覆冰监测的光纤光栅测量系统原理如图2 - 1 所示。 1 4 华北电力人学硕士学位论文 图2 一l 输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统原理图 输电线路覆冰监测的光纤光栅测量系统，宽带光源发出的光经光隔离器和耦合 器后进入传感光纤光栅阵列，其中满足b r a g g 条件的光被反射后经3 d b 耦合器进入可 调谐光纤f - p 滤波器，由单片机系统产生的三角波扫描电压施加在f - p 滤波器的p z t 上调节其腔长。当f p 滤波器的透射波峰与f b g 的反射波峰重合时，通过可调谐光纤 f p 滤波器的光强达到最大，由探测器探测到最大光强，此时给压电陶瓷施加的电 压u 就对应着f b g 的反射波长。光电探测器将探测到的光信号转换成电信号，电信号 经过放大和整形滤波后由a d 转换模块转换成数字信号输入单片机系统，单片机系统 将采集到的数据通过g p r s 无线传输模块传送到后台数据处理中心。后台数据处理中 心根据采集到的数据，利用设计好的解调算法，计算得出传感光纤光栅的中心波长 值、温度值、应变值。 当作用于f b g 温度、应变等物理量发生变化时，f b g 的中心波长会随之偏移。因 此，测量系统可以通过测量其反射波长的偏移量来计算出物理量的变化，本系统中 该物理量为温度和应变。当反射光经耦合器进入可调谐光纤f p 滤波器时，f - p 滤波 器的驱动电压在0 + 2 0 v 之间周期性循环以控锘o f - p 腔的腔长变化，从而使得被测物 理量最终以f p 滤波器输出光强峰值所对应的驱动电压的瞬时值的形式表达出来。 由于f p 滤波器的驱动电压在0 + 2 0 v 之间进行周期性循环变化，所以被测物理量也 可以利用f - p 滤波器输出光强峰值所对应的时间来表示。 2 2 2 传感器分配 本测量系统需要测量输电线路上某处的温度与应变值，由于采用了可调谐f p 滤波器解调方案，需要增加参考光纤光栅传感器和温度补偿传感器。为了避免光纤 1 5 华北电力人学硕士学位论文 光栅传感器反射波之间相互产生干涉，要保证任意1 只光纤光栅传感器在测量时都 有自己独立的光波长范围，1 只光纤光栅温度传感器需要1 5 n m 的波长带宽，1 只光 纤光栅应变传感器需要5 n m 的波长带宽，1 只参考光纤光栅需要i n m 的波长带宽，1 只 温度补偿传感器需要i n m 的波长带宽。本系统使用的a s e 宽带光源带宽为4 0 n m ( 本文 设计以此为基础) ，在4 0 n m 宽带内最多可以设计4 只光纤光栅温度传感器，4 只温度 补偿传感器，4 只光纤光栅应变传感器，4 只参考光纤光栅。本文将4 0 n m 分为4 个区 域，第一区为1 5 2 3 n m - - - 1 5 2 9 n m ，为4 只光纤光栅温度传感器的区域，它们的中心波 长分别为：1 5 2 3 n m 、1 5 2 4 5 n m 、1 5 2 6 n m 、1 5 2 7 5 n m ；第二区为1 5 3 0 n m 1 5 3 4 n m ，为 4 只温度补偿传感器的区域，它们的中心波长分别为：1 5 3 0 n m ：, 1 5 3 1 n m 、1 5 3 2 n m 、 1 5 3 3 n r a ；第三区为1 5 3 5 n m , - 一1 5 5 5 n m ，为4 只光纤光栅应变传感器的区域，它们的中 心波长分别为：1 5 3 5 n m 、1 5 4 0 n m 、1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n m ；第四区为4 只参考光纤光栅的 区域，其中4 只参考光纤光栅的中心波长为：1 5 2 2 n m 、1 5 2 9 n m 、1 5 3 4 n m 、1 5 5 5 n m 。 根据实验室现有光纤光栅传感器的情况，本论文所设计的用于实验的测量系统 一共使用了7 只光纤光栅传感器。其中，1 只光纤光栅温度传感器( 中心波长1 5 4 8 n m ) ， 1 只光纤光栅应变传感器( 中心波长1 5 4 8 n m ) ，1 只温度补偿光纤光栅传感器( 中心 波长1 5 4 0 n m ) ，4 只参考光纤光栅传感器( 中心波长1 5 3 2 n m 、1 5 4 2 n m 、1 5 5 1 n m 、1 5 5 2 n m ) 。 2 2 3 各元件选型及性能指标要求 光栅传感解调系统元件包括：宽带光源( a s e ) 、隔离器、耦合器、光纤光栅传感 器、可调谐光纤f - p 滤波器、光电探测器等若干部分。其中所用光纤为单模光纤， 各元件工作波长均在1 5 5 0 n m 及其附近。 1 ) 宽带光源的选择 光源在光纤光栅传感系统中的作为是将电信号变换成为光信号，即实现电一光 的转换，以便在光纤中传输。目前光纤光栅传感系统中常用的光源主要有：半导体 发光二极管l e d 、超辐射发光二极管s l e d 、放大自发辐射a s e 光源和半导体激光器。 在用光纤光栅作为传感元件时，光源的选择是很重要的，如欲扩大其测量范围， 则应使用宽谱光源，而要提高检测的信噪比，则要求光源的输出功率高。一般情况 下这两个要求是矛盾的，不可兼得。半导体激光器输出功率虽然很高，但光谱极窄， 仅几个n m ；l e d 发光功率小，从器件到单模光纤的耦合效率很低，在光功率方面不 能满足系统的要求，所以一般不采用这种光源；s l e d 的3 d b 带宽较大，可达6 0 n m 以 上，但输出光功率只有i m w 左右，不能满足系统中多路复用的要求；a s e 光源输出光 功率高达l o m w ，3 d b 带宽在5 0 n m 以上，光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的 泵浦激光器，独特的a t c 和a p c 电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定， 通过调节a p c ，可在一定范围内调节输出功率，所以a s e 光源能满足本系统对光源光功 1 6 华北电力大学硕士学位论文 率的要求，且价格比较适中。本解调系统采用的a s e 模块光源的性能指标如表2 - 2 所 示，a s e 模块光源如图2