專利名稱：光纖光柵測溫系統(tǒng)及多點測溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于光纖光柵的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)中，設(shè)備長期運行過程中，各種刀閘觸點和母線排連接處等部位因老 化或接觸電阻過大而發(fā)熱。通過監(jiān)測觸點溫度的運行情況，可有效防止電力設(shè)備的火災(zāi)發(fā) 生，因此實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測是保證電力設(shè)備安全運行的重要手段。由于電力設(shè)備高壓的環(huán) 境，導(dǎo)致這些發(fā)熱部位的溫度很難及時在線監(jiān)測，因此容易導(dǎo)致火災(zāi)事故。目前，國內(nèi)大部 分電廠和變電站采用基于電信號傳感器的測溫系統(tǒng)。其中紅外測溫為非接觸測量，易受環(huán) 境及周圍電磁場干擾，且需人工操作，無法實現(xiàn)在線測量，效率低下；電子溫度傳感器易受 電磁干擾，機械的溫度傳感器受環(huán)境的影響也比較大，以上幾種檢測方法的測量效果都不 夠理想。因此開發(fā)一種大容量分布式在線實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)，來監(jiān)測各種電力設(shè)備觸點的 溫度已成為電力行業(yè)當務(wù)之急。隨著傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得對變電 站各設(shè)備的溫度狀態(tài)進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并對累計性故障做出預(yù)測成為可 能。它對于保證變電站設(shè)備的正常運行，減少維修次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的運行可靠性和自動 化程度具有重要意義。由于高壓電力設(shè)備處于高電壓、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾 環(huán)境中，要實現(xiàn)對觸頭的測溫，必須解決電子測量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性。利用光纖光柵測溫多是采用FBG的波長選擇性反射原復(fù)合信號進入FBG時，在 它反射中心波長附近的光譜幾乎全部被反射回去，而非中心波長附近的光就會幾乎完全透 射?，F(xiàn)有的利用光纖光柵測溫的方案利用光纖光柵對溫度敏感的特性，利用寬帶光譜進入 光柵后的波長選擇反射特性進行溫度的測量，將反射波引入光纖光柵解調(diào)器從而對波長進 行解調(diào)，得到待測溫度。由于光纖光柵解調(diào)器價格昂貴，此方案一般采用多個光纖光柵串聯(lián) 的方式來實現(xiàn)多點的測量。這樣各個測量點的成本可以均攤。這種方案雖然實現(xiàn)了利用光 纖光柵對溫度進行測量，可是由于光柵是串聯(lián)的，因此一旦其中某個發(fā)生損壞，整個系統(tǒng)就 不能工作了，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)明專利內(nèi)容本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)和的不足，本發(fā)明提供了兩種具有相同發(fā)明構(gòu)思的新型 的光纖光柵測溫系統(tǒng)，并提供兩種分別利用這兩種測溫系統(tǒng)實現(xiàn)的多點測溫方法，利用帶 導(dǎo)熱板的FBG制成溫度鑒別器對所測溫度進行鑒別，大大提高了測量精度。并克服了由于 串聯(lián)而造成了系統(tǒng)不穩(wěn)定性，并由于采用自己設(shè)計了 FBG測溫控制儀而大大降低了成本。本發(fā)明的一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括測溫傳感頭和FBG測溫控制儀，其特 征在于，F(xiàn)BG測溫控制儀包括帶導(dǎo)熱板的溫度鑒別器、寬譜SLED光源、第一光纖方向耦合 器、第二光纖方向耦合器、光探測器以及CPU ；SLED光源發(fā)射的寬譜光通過第一光纖方向耦 合器之后進入測溫傳感頭，所述測溫傳感頭受外部溫度的變化而改變周期進而改變中心波 長，由寬譜SLED光源發(fā)出的光經(jīng)測溫傳感頭反射后變?yōu)橹行牟ㄩL與傳感頭中心波長對應(yīng)的窄帶信號，該窄帶信號依次通過第一方向耦合器和第二方向耦合器后進入溫度鑒別器； 溫度鑒別器的中心波長根據(jù)導(dǎo)熱板的加熱或者降溫溫度改變，進入溫度鑒別器的窄帶信號 在與溫度鑒別器的中心波長相同時反射信號最強，反射信號經(jīng)由第二方向耦合器被送入光 探測器，由光探測器采集的光信號強度被送入CPU，CPU根據(jù)光信號強度最大值計算并監(jiān)測 外部溫度。作為優(yōu)選實施方式，所述的系統(tǒng)還可以包括一個將基準光信號送入CPU的另一個 光探測器。本發(fā)明提供的另一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括置于外部環(huán)境中的測溫傳感 頭、粘附在導(dǎo)熱板上的窄帶半導(dǎo)體激光器、方向耦合器、光探測器和CPU，所述測溫傳感頭 受外部溫度的變化而改變中心波長；通過CPU控制導(dǎo)熱板對半導(dǎo)體激光器進行加熱或者降 溫，使其中心發(fā)射波長發(fā)生改變；半導(dǎo)體激光器發(fā)射的窄帶光進入測溫傳感頭，與測溫傳感 頭中心波長相匹配的窄帶光被反射后經(jīng)過方向耦合器被送入光探測器，光探測器輸出的信 號被送入CPU ；CPU內(nèi)存儲有表達窄帶半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長與外部溫度之間的關(guān)系的校 準數(shù)據(jù)，CPU根據(jù)光探測器輸入的信號和校準數(shù)據(jù)，計算外部溫度。本發(fā)明同時提供分別利用上述的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)實現(xiàn)的多點測溫方法，使 用一個光開關(guān)將兩個或兩個以上的光纖光柵測溫系統(tǒng)并聯(lián)，通過時分復(fù)用實現(xiàn)對多個點的 溫度巡檢。本發(fā)明將溫度自動控制技術(shù)與光纖光柵進行了有機結(jié)合，充分發(fā)揮了光纖光柵的 優(yōu)勢，改善了一般串聯(lián)型光纖光柵測溫系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并且降低了成本，測溫的精度高， 使用靈活。本發(fā)明還提出了一種采用光開關(guān)的并行光纖光柵測溫結(jié)構(gòu)，可以進一步降低了 成本。具體而言，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.耐高溫，測量溫度范圍為0°C 250°C ；2.測量精度高，誤差一般在+/-0. I0C ；3.可靠性高，可使用時間多于20年；4.成本低，一般一個的成本為3000元左右；5.體積小，便于安裝，封裝尺寸為Φ5. 5X65mm ；6.多個并聯(lián)時各個探頭是獨立工作的，不會相互影響；7.全石英封裝，絕緣性高。


圖1為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為簡化的光纖光柵測溫結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合本發(fā)明的原理圖具體說明如圖1所示，本發(fā)明包括測溫傳感頭1，以及FBG測溫控制儀2這兩大部分。而FBG 測溫控制儀2中包括了寬譜SLED光源3，兩個光纖方向耦合器4和5，溫度鑒別器6，導(dǎo)熱板 7，兩個光探測儀8和9，以及一個控制用的CPU。溫度鑒別器6是粘附在導(dǎo)熱板7上的以便 通過導(dǎo)熱板7加熱或者降溫改變溫度鑒別器6的光柵周期和中心波長。CPU和導(dǎo)熱板7，兩光探測器8和9以及SLED光源3相連，控制整個FBG測溫控制儀的運作。如圖1，將測溫傳感頭1置于外部環(huán)境中，由于外部環(huán)境的溫度會導(dǎo)致測溫傳感頭 的光柵周期發(fā)生變化從而改變它反射的中心波長。從測溫控制儀2中的SLED光源3發(fā)射 出來寬譜光通過方向耦合器4之后進入測溫傳感頭，此時的測溫傳感頭由于已經(jīng)因為外部 溫度而改變了周期，因此寬譜光進入傳感頭后反射回來的窄帶光就已經(jīng)攜帶了外部溫度的 信息。由于在測溫傳感頭1另一頭鍍上了吸收膜，因此透射過傳感頭1的信號就會被吸收， 不會因為在后端面發(fā)生反射而影響后來的測量。被測溫傳感頭1反射了窄帶光通過光纖方 向耦合器4和5之后進入溫度鑒別器6，此時CPU控制導(dǎo)熱板7給溫度鑒別器6加熱或者 降溫，同時監(jiān)測光探測器8和9上接受的光功率。導(dǎo)熱板7加熱或者降溫使得在它上面的 溫度鑒別器6的溫度上升或者降低，使得其中FBG的周期改變從而改變它的反射中心波長。 當它加熱或者降溫的溫度不對時，溫度鑒別器6的中心波長與傳送進溫度鑒別器的帶有外 部溫度信號的窄帶光不匹配，從而導(dǎo)致窄帶激光大部分透射過溫度鑒別器6進入光探測器 9而光探測器8的接收光功率幾乎很為0。而當導(dǎo)熱板7加熱或者降溫的溫度正好達到外 部溫度時，溫度鑒別器6的中心波長與傳送進溫度鑒別器的帶有外部溫度信號的窄帶光正 好匹配，從而使得窄帶激光大部分被溫度鑒別器6反射，反射光通過方向耦合器5之后進入 光探測器8，此時光探測器8的接收光功率達到最大時，控制電路停止對導(dǎo)熱板進行加熱或 者降溫，并將此時測得的導(dǎo)熱板溫度作為傳感頭的溫度。與此同時，始終將光探測器2上探 測的光信號可以作為參照，自動消除因系統(tǒng)其他因素引起的任何干擾。如想測量多處的溫度，可以使用光開關(guān)將多個這樣的光纖光柵測溫系統(tǒng)并聯(lián)，通 過時分復(fù)用即可實現(xiàn)對多個點的溫度進行巡檢。這樣還可以進一步降低每個測溫點的成 本。作為另一個備選實施方案，本發(fā)明還提出一種簡化的光纖光柵測溫結(jié)構(gòu)。如圖2所示，本簡化結(jié)構(gòu)包括了測溫傳感頭1，一個窄帶半導(dǎo)體激光器2，一個方向 耦合器3，一塊導(dǎo)熱板4，一個光探測器5以及一個控制用的CPU。半導(dǎo)體激光器2粘附在導(dǎo) 熱板4上，而CPU和窄帶半導(dǎo)體激光器2，導(dǎo)熱板4，以及光探測器5相連，以控制整個系統(tǒng) 的工作。如圖2，在測量前先進行事先校準，得到窄帶半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長與外部溫度之 間的關(guān)系。測溫傳感頭1置于外部環(huán)境中，由于外部環(huán)境的溫度會導(dǎo)致測溫傳感頭的光柵 周期發(fā)生變化從而改變它反射的中心波長。導(dǎo)熱板4和半導(dǎo)體激光器2粘附在一起，通過 CPU6控制導(dǎo)熱板4對半導(dǎo)體激光器6進行加熱或者降溫，而半導(dǎo)體激光器2的發(fā)射中心波 長受溫度影響，導(dǎo)熱板4對激光器的加熱或者降溫會導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的中心發(fā)射波長發(fā) 生改變。通過CPU 6控制導(dǎo)熱板4溫度進行周期性變化，從而使得窄帶半導(dǎo)體激光器2的 中心波長周期性的掃描變化。半導(dǎo)體激光器2發(fā)射的窄帶激光進入測溫傳感頭1，如果發(fā)射 的窄帶光和測溫傳感頭1的中心波長不匹配，那么窄帶激光大部分會透過測溫FBG，因為在 測溫傳感頭1后端面涂上了吸收膜，透過測溫傳感頭1的窄帶光會被吸收膜吸收，而不會反 射回來影響測量效果。因此此時光探測器5測得的光功率很小。而如果激光器發(fā)射的窄帶 光和測溫傳感頭1的中心波長匹配，那么窄帶光大部分會被測溫傳感頭1反射，通過光纖方 向耦合器3進入光探測器5，而此時光探測器5測得的光功率最大。通過CPU的控制即可 測得光探測器5上測得的光功率最大時導(dǎo)熱板4的溫度以及半導(dǎo)體激光器2的發(fā)射中心波長。利用事先校準的數(shù)據(jù)，CPU可以計算得到此時外部的溫度。 如想測量多處的溫度，同樣可以使用光開光將多個這樣的光纖光柵測溫系統(tǒng)并聯(lián)，通過時分復(fù)用即可實現(xiàn)對多個點的溫度進行巡檢。這樣還可以進一步降低每個測溫點 的成本。
權(quán)利要求
一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括測溫傳感頭和FBG測溫控制儀，其特征在于，F(xiàn)BG測溫控制儀包括帶導(dǎo)熱板的溫度鑒別器、寬譜SLED光源、第一光纖方向耦合器、第二光纖方向耦合器、光探測器以及CPU；SLED光源發(fā)射的寬譜光通過第一光纖方向耦合器之后進入測溫傳感頭，所述測溫傳感頭受外部溫度的變化而改變周期進而改變中心波長，由寬譜SLED光源發(fā)出的光經(jīng)測溫傳感頭反射后變?yōu)橹行牟ㄩL與傳感頭中心波長對應(yīng)的窄帶信號，該窄帶信號依次通過第一方向耦合器和第二方向耦合器后進入溫度鑒別器；溫度鑒別器的中心波長根據(jù)導(dǎo)熱板的加熱或者降溫溫度改變，進入溫度鑒別器的窄帶信號在與溫度鑒別器的中心波長相同時反射信號最強，反射信號經(jīng)由第二方向耦合器被送入光探測器，由光探測器采集的光信號強度被送入CPU，CPU根據(jù)光信號強度最大值計算并監(jiān)測外部溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的系統(tǒng)還包括一 個將基準光信號送入CPU的另一個光探測器。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)實現(xiàn)的多點測溫方法，其特征在 于，使用一個光開關(guān)將兩個或兩個以上的光纖光柵測溫系統(tǒng)并聯(lián)，通過時分復(fù)用實現(xiàn)對多 個點的溫度巡檢。
4.一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括置于外部環(huán)境中的測溫傳感頭、粘附在導(dǎo)熱板上 的窄帶半導(dǎo)體激光器、方向耦合器、光探測器和CPU，所述測溫傳感頭受外部溫度的變化而 改變中心波長；通過CPU控制導(dǎo)熱板對半導(dǎo)體激光器進行加熱或者降溫，使其中心發(fā)射波 長發(fā)生改變；半導(dǎo)體激光器發(fā)射的窄帶光進入測溫傳感頭，與測溫傳感頭中心波長相匹配 的窄帶光被反射后經(jīng)過方向耦合器被送入光探測器，光探測器輸出的信號被送入CPU ；CPU 內(nèi)存儲有表達窄帶半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長與外部溫度之間的關(guān)系的校準數(shù)據(jù)，CPU根據(jù)光 探測器輸入的信號和校準數(shù)據(jù)，計算外部溫度。
5.一種采用權(quán)利要求4所述的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)實現(xiàn)的多點測溫方法，其特征在 于，使用一個光開關(guān)將兩個或兩個以上的光纖光柵測溫系統(tǒng)并聯(lián)，通過時分復(fù)用實現(xiàn)對多 個點的溫度巡檢。
全文摘要
本發(fā)明屬于溫度測量領(lǐng)域，涉及一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括測溫傳感頭和FBG測溫控制儀，F(xiàn)BG測溫控制儀的SLED光源發(fā)射的寬譜光通過第一光纖方向耦合器之后進入測溫傳感頭，所述測溫傳感頭受外部溫度的變化而改變周期進而改變中心波長，由寬譜SLED光源發(fā)出的光經(jīng)測溫傳感頭反射后變?yōu)橹行牟ㄩL與傳感頭中心波長對應(yīng)的窄帶信號，該窄帶信號依次通過第一方向耦合器和第二方向耦合器后進入溫度鑒別器。本發(fā)明同時提供了利用此種測溫系統(tǒng)實現(xiàn)的多點測溫方法。本發(fā)明將溫度自動控制技術(shù)與光纖光柵技術(shù)進行了有機結(jié)合，改善了一般串聯(lián)型光纖光柵測溫系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并且降低了成本。本發(fā)明還提出了一種簡化的光纖光柵測溫結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且進一步降低了成本。
文檔編號G01K11/32GK101813529SQ200910228048
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者劉 文, 彭定敏, 文濤, 李婧娟, 王智浩 申請人:武漢烽火富華電氣有限責任公司;華中科技大學