CN103398802A - 一种系留缆的温度监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系留缆的温度监测装置和方法,温度监测装置包括两个串联的光纤光栅温度传感器阵列、光纤、分支器、光纤光栅解调器、终端显控设备等,光纤是利用分支器从系留缆的光缆中分出的一只光纤,用于连接光纤光栅温度传感器阵列与地面设备,借助于该光纤通路使光信号在光纤光栅温度传感器阵列与地面设备之间传输;光纤光栅解调器位于地面锚泊车内,用于实现光纤光栅信号的解调处理,得到光栅光纤温度传感器测量的温度值;该装置通过栅格化的光纤光栅温度传感器实现动态温变点的监测,采用非金属链路设计避免电晕产生,同时利用光纤光栅测量方式实现高空动态实时温度预警。具有不受光功率波动影响、传输距离远、抗电磁干扰、易于系统组网、测量精度高、区域化监控等优点。

Description

一种系留缆的温度监测装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种温度监测系统,特别涉及一种系留缆的温度监测系统。

背景技术

[0002] 系留缆绳用于浮空平台的系留锚泊,并负责从地面向浮空平台提供电力保障,包括外护套和设于外护套内的缆芯,外护套由绝缘材料构成,缆芯包括绞合的多根电缆和光缆;当系留缆绳作为天线工作时,其中有一段向外辐射电磁波,被称为辐射段,而不向外辐射电磁波的部分称为绝缘段,当系留缆在高空系留工作时,内部的高压电通过辐射段金属导电层向外辐射能量信号,由于金属导电层的工艺控制不均匀,会在缆体表面某一点处产生过热现象,导致系留缆绳表面某点温度急剧聚集,难以短时间降至安全温度,严重时会烧断系留缆,导致空中平台坠毁,造成重大损失。

[0003] 目前在系留缆工作时,没有监测手段实现温度监测,因系留缆工作在几千米高空,又具有较强的电压场强,传统的测温手段无法满足要求。只能在地面试验时借助红外测温仪进行温度监测,但也只限试验测量,不能进行在线测量。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有技术中存在的上述不足,提供一种系留缆的温度监测装置及其测量方法。

[0005] 本发明的技术方案为:一种系留缆的温度监测装置,包括两个串联的光纤光栅温度传感器阵列、光纤、分支器1、分支器2、光纤光栅解调器、终端显控设备;其中系留缆包括光缆,系留缆的上下两段是绝缘段,中间是辐射段;

[0006] 两个串联的光纤光栅温度传感器阵列紧贴在系留缆的缆体表面,实现缆体表面的温度监测;

[0007] 所述光纤是利用分支器I从系留缆的光缆中分出的一只光纤,用于连接光纤光栅温度传感器阵列与地面设备,借助于该光纤通路使光信号在光纤光栅温度传感器阵列与地面设备之间传输;

[0008] 光纤光栅解调器位于地面锚泊车内,包括测量控制模块,F-P滤波器,D/A转换器、光探测电路模块和A/D转换器,用于实现光纤光栅信号的解调处理,得到光栅光纤温度传感器测量的温度值;

[0009] 所述光纤的两端分别连接分支器I的一个输出端口和分支器2的一个输入端口,分支器2的两路输出端口分别与两个串联的光纤光栅温度传感器阵列连接,分支器I的另一个输出端口通过F-P滤波器与光探测电路模块的输入端口连接,F-P滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接,光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接,则

[0010] 在地面锚泊车内的宽带光源产生的宽带光束经过分支器I进入所述光纤,该宽带光束通过所述光纤向上传输,到达分支器2,与分支器2的一个分路端口光连接,分支器2的另一个分路端口将光栅光纤光栅温度传感器阵列反射的光束经过所述光纤向下传输,通过分支器I进入F-P滤波器与光探测电路模块的输入端口光连接,分支器2的输出分成两路,进入两个串联的光纤光栅温度传感器阵列,F-P滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接,光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接。

[0011] 所述两个串联的光纤光栅温度传感器阵列的各光栅栅距均不相同,则其反射光的中心波长不同,通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码,可容易地判定光纤光栅传感器的位置。

[0012] 两个串联的光纤光栅温度传感器阵列中,一个传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成一个水平光纤光栅串;另一个传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成一个竖直光纤光栅串;水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠,形成栅格化的光纤光栅阵列,该栅格化的光纤光栅围成一个柱形,紧贴在缆体表面,实现缆体表面的温度监测。

[0013] 栅格化的光纤光栅阵列中,栅格的大小可以相同。

[0014] 栅格化的光纤光栅阵列中,栅格的大小可以不同,其中重点测温区域栅格比非重点测温区域栅格小。

[0015] 进一步地,栅格化的光纤光栅阵列设置在以离辐射段上方2cm的绝缘段为中心的区域。

[0016] 本发明还公开了该光纤光栅动态温度点测量装置的测量方法,包括如下步骤:

[0017] (I)在地面锚泊车内的宽带光源产生的宽带光束经过分支器I进入所述光纤,该宽带光束通过所述光纤向上传输,到达分支器2后被分成两路进入传感光纤光栅阵列,当满足布拉格条件的光被反射后经分支器2进入光纤,沿光纤向下传输,通过分支器I进入光纤F-P可调滤波器,测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后,产生锯齿波扫描电压,施加到可调谐光纤滤波器,使其在一定范围内扫描;当它与传感光纤光栅的Bragg波长相匹配时,则让传感光栅反射的光信号通过。

[0018] (2)光电探测电路模块探测的光信号经A/D转换和测量控制模块中的低通数字滤波器滤波后,由测量控制模块中的数据计算模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度,并根据其中心波长计算被测点的地址,通过地址和位置的对应关系,计算被测点的位置,并将温度和位置通过终端显控模块显示。

[0019] 另外,在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅,将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值,记为该栅格区域的温度。

[0020] 进一步地,还可对每个边长的光栅测得的温度进行比对,以验证是否存在某光纤光栅损坏现象,例如某一栅格的四条边中,其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值,则判断该处光栅损坏,可以借助其他三条边中的光纤光栅实现温度的监测,即求其他三条边中的光纤光栅测得的温度值求平均值。

[0021] 进一步地,非重点测温区域的栅格只在3个边中设置光栅,或只在2个边中设置光栅,这样既可以减少光栅的用量,也能够实现参数测量。

[0022] 进一步地,为防止重点区域栅格光栅损坏,可将其他光纤光栅从该重点区域通过,这样一旦某栅格的光栅损坏,则其他光纤光栅可以代替原栅格进行温度监测,确保监测数据无丢失现象。

[0023] 本发明通过采用栅格化的光纤光栅温度传感器实现动态温变点的监测,采用非金属链路设计避免电晕产生,同时利用光纤光栅测量方式实现高空动态实时温度预警。具有不受光功率波动影响、传输距离远、抗电磁干扰、易于系统组网、测量精度高、区域化监控等优点;同时通过参数自校比对及均值、网络节点冗余技术,提高了系统可靠性。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对发明实施例描述中需要使用的附图作简单的介绍,其中

[0025] 图1是本发明实施例的系留系统结构示意图;

[0026] 图2是本发明实施例的系留缆的温度监测系统示意图;

[0027] 图3是本发明实施例的光纤光栅温度测量装置的结构示意图;

[0028] 图4是本发明实施例的光纤光栅阵列结构示意图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚,以下结合附图及实施例,对本发明进一步详细说明,应当理解,此处描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不是对本发明的限制。

[0030]图1是本发明实施例的系留系统结构示意图,系留系统包括系留缆,地面锚泊车和空中平台,系留缆包括外护套和设于外护套内的缆芯,外护套由绝缘材料构成,缆芯包括绞合的多根电缆和光缆;本实施例中系留缆绳同时用作天线工作,其中有一段向外辐射电磁波,被称为辐射段,其余部分是绝缘段,为了空中平台旋转运动时,和地面锚泊车之间能传输信号,在地面锚泊车和系留缆之间装设有光缆旋转连接器。

[0031]图2是本发明实施例的系留缆的温度监测系统示意图,本发明采用光纤光栅(FBG)测温法,利用系留缆内部的光纤构建传输通路,将光纤光栅温度传感器通过分路器与系留缆内部光纤连通,进而在地面锚泊车内实现温度信息的采集、监控。

[0032] 系留缆的温度监测装置包括分布式光栅光纤温度传感器、光纤、分支器1、分支器

2、光纤光栅解调器、终端显控设备。

[0033] 分布式光栅光纤温度传感器紧贴在缆体表面,实现缆体表面的温度监测。

[0034] 光纤用于连接光栅光纤温度传感器与地面设备,借助于该光纤通路使光信号在光栅光纤温度传感器与地面设备之间传输。该光纤是利用分支器I从系留缆的光缆中分出的一只光纤。系留缆中光缆采用非金属材料加强保护,选用普通软光缆即可。

[0035] 光纤光栅解调器位于地面锚泊车内,用于实现光纤光栅信号的解调处理,处理后,可得到FBG温度传感器测量的温度值,并将测量的温度信号值传送到终端显控设备,对缆体表面温度实时显示及预警。

[0036] 图3是本发明实施例的光纤光栅温度测量装置的结构示意图,图3中,光纤光栅解调器包括测量控制模块,F-P滤波器,D/A转换器、光探测电路模块和A/D转换器。在地面锚泊车上的宽带光源产生的宽带光束经过分支器I进入系留缆的光缆中分出的一只光纤,该宽带光束通过该光纤向上传输,到达分支器2,与分支器2的一个分路端口光连接,分支器2的另一个分路端口将FBG温度传感器反射的光束经过通过光纤向下传输,通过分支器I进入地面锚泊车内光纤光栅解调器的可调谐光纤滤波器与光探测电路模块的输入端口光连接,分支器2的输出分成两路,经光纤进入两个串联的传感光纤光栅阵列,可调谐光纤滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接,光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接。

[0037] 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成空间的相位光栅,由于光纤光栅的中心波长随纤芯的有效折射率和栅格周期的变化而改变,而外界参量(如温度、应变等)的改变会对光纤光栅的有效折射率和栅格周期产生影响,所以温度的改变会引起光纤光栅中心波长入,的漂移。光栅波长变化与温度变化呈现很好的线性关系,只要测量出光栅反射波长的改变,就能得到其环境温度的变化,这就是光纤光栅测温的原理。

[0038] 本发明的串联的传感光纤光栅阵列的各光栅栅距均不相同,则其反射光的中心波长不同。通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码,则可容易地判定光纤光栅传感器的位置。为了保证能“寻址”每一个光栅,即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅,要求光纤内各个光栅的中心波长X1, λ2,…λη不同,其工作范围Δ λ P Δ λ 2,…Δ λ ^互不重迭。每根光纤上可串联的光纤光栅传感器之数量,由被测点需测量的温度范围而定,或者说,传感器测量温度范围之大小决定了每个传感器反射光的波长之宽度。

[0039] 光纤光栅传感器反射光的中心波长(也叫峰值波长)随着温度的改变而改变,当温度升高/或降低时,光纤光栅传感器的峰值波长变长或变短。

[0040] 图4是本发明实施例的光纤光栅阵列结构示意图,图4中,光纤光栅阵列具有两路串联的传感光纤光栅阵列,其中一路传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成一个水平光纤光栅串;另一路传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成一个竖直光纤光栅串;水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠,形成栅格化的光纤光栅,该栅格化的光纤光栅围成一个柱形,紧贴在缆体表面,实现缆体表面的温度监测。

[0041] 在每个小栅格的边长上布置光纤光栅,依据测量范围确定需要刻制的光栅数目,分配每个光栅的波长,使整个区域的光栅满足测量带宽及测量范围的要求。

[0042] 栅格化的光纤光栅阵列中,可以根据测量的实际需要,调整各栅格的大小,例如,各栅格的大小可以相同,也可根据需要而不同,例如,重点测温区域栅格可以小一些,而非重点区域栅格可以大一些。

[0043] 实际使用经验表明,在系留缆的绝缘段中,离辐射段上方2cm的地方最容易过热,因此将栅格化的光纤光栅阵列设置在离辐射段上方2cm的绝缘段为中心的区域,这样,既可以节约成本,又能对系留缆的温度进行有效监测。

[0044] 本发明检测温度的方法如下:

[0045] 在地面锚泊车内的宽带光源产生的宽带光束经过分支器I进入所述光纤,该宽带光束通过所述光纤向上传输,到达分支器2后被分成两路进入传感光纤光栅阵列,当满足Bragg条件的光被反射后经分支器2进入光纤,沿光纤向下传输,通过分支器I进入光纤F-P可调滤波器,测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后,产生锯齿波扫描电压,施加到光纤F-P可调滤波器,调节其腔间隔,使其在一定范围内扫描。当它与传感光纤光栅的Bragg波长相匹配时,则让传感光栅反射的光信号通过。当FFP-TF的透射波峰与FBG的反射波峰重合时,滤波器的透射光强最大,这时光电探测电路模块探测的光强为最大值,该信号再经A/D转换和低通数字滤波后器后,由数据计算模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度。并根据其中心波长可以知道被测点的地址,通过地址和位置的对应关系,可知道被测点的位置。

[0046] 在温度测量过程中,还可以采用如下方法,在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅,将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值,记为该栅格区域的温度。同时还可对每个边长的光栅测得的温度进行比对,以验证是否存在某光纤光栅损坏现象。例如某一栅格的四条边中,其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值,则判断该处光栅损坏,可以借助其他三条边中的光纤光栅实现温度的监测,即求其他三条边中的光纤光栅测得的温度值求平均值,可见,本发明的光栅阵列具备冗余设计,能提高系统可靠性。

[0047] 本发明还可通过对栅格的各边长进行冗余设计,根据实际情况进行边长波长的动态调整,某栅格可以有3个光栅,某栅格可以有2个光栅,这样即可以减少光栅的用量,也能够实现参数测量,当需要进一步冗余传输时,可调整某栅格有4个光栅。

[0048] 本发明还可通过对重点区域进行可靠性冗余设计。为防止某重点区域栅格光栅损坏,可将其他链路从此区域通过,这样一旦某栅格损坏,则备份链路栅格可以代替原栅格进行温度监测,确保监测数据无丢失现象。

[0049] 各栅格测量计算得到的温度,可通过终端显控模块显示,当温度超过一定值时,可报警。

Claims (10)

1.一种系留缆的温度监测装置,包括两个串联的光纤光栅温度传感器阵列、光纤、分支器1、分支器2、光纤光栅解调器、终端显控设备;而系留缆包括光缆,系留缆的上下两段是绝缘段,中间是辐射段;两个串联的光纤光栅温度传感器阵列紧贴在系留缆的缆体表面,实现缆体表面的温度监测;所述光纤是利用分支器I从系留缆的光缆中分出的一只光纤,用于连接光纤光栅温度传感器阵列与地面设备,借助于该光纤通路使光信号在光纤光栅温度传感器阵列与地面设备之间传输;光纤光栅解调器位于地面锚泊车内,包括测量控制模块,F-P滤波器,D/A转换器、光探测电路模块和A/D转换器,用于实现光纤光栅信号的解调处理,得到光栅光纤温度传感器测量的温度值;所述光纤的两端分别连接分支器I的一个输出端口和分支器2的一个输入端口,分支器2的两路输出端口分别与两个串联的光纤光栅温度传感器阵列连接,分支器I的另一个输出端口通过F-P滤波器与光探测电路模块的输入端口连接,F-P滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接,光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接,其特征在于:所述两个串联的光纤光栅温度传感器阵列的各光栅栅距均不相同,则其反射光的中心波长不同,通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码,可容易地判定光纤光栅传感器的位置。
2.根据权利要求1所述的系留缆的温度监测装置,其中两个串联的光纤光栅温度传感器阵列中,一个光纤光栅温度传感器阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成·一个水平光纤光栅串;另一个光纤光栅温度传感器阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅,包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接,形成一个竖直光纤光栅串;水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠,形成栅格化的光纤光栅阵列,该栅格化的光纤光栅围成一个柱形,紧贴在缆体表面,实现缆体表面的温度监测。
3.根据权利要求2所述的系留缆的温度监测装置,所述栅格化的光纤光栅阵列中,各栅格的大小相同。
4.根据权利要求2所述的系留缆的温度监测装置,所述栅格化的光纤光栅阵列中,栅格的大小不同,其中重点测温区域的栅格比非重点测温区域的栅格小。
5.根据权利要求2所述的系留缆的温度监测装置,其中栅格化的光纤光栅阵列设置在以离辐射段上方2cm的绝缘段为中心的区域。
6.一种根据如权利要求3-5任一项所述的系留缆的温度监测装置的温度测量方法,其特征在于包括如下步骤:(I)在地面锚泊车内的宽带光源产生的宽带光束经过分支器I进入所述光纤,该宽带光束通过所述光纤向上传输,到达分支器2后被分成两路进入传感光纤光栅阵列,当满足布拉格条件的光被反射后经分支器2进入光纤,沿光纤向下传输,通过分支器I进入光纤F-P可调滤波器,测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后,产生锯齿波扫描电压,施加到可调谐光纤滤波器,使其在一定范围内扫描;当它与传感光纤光栅的Bragg波长相匹配时,则让传感光栅反射的光信号通过。(2 )光电探测电路模块探测的光信号经A/D转换和测量控制模块中的低通数字滤波器滤波后,由测量控制模块中的数据计算模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度,并根据其中心波长计算被测点的地址,通过地址和位置的对应关系,计算被测点的位置,并将温度和位置通过终端显控模块显示。
7.根据权利要求6所述的温度测量方法,其特征在于,在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅,将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值,作为该栅格区域的温度。
8.根据权利要求7所述的温度测量方法,其特征在于,在栅格化的光纤光栅的每个栅格的四条边中,如果其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值,则判断该处光栅损坏,同时求其他三条边中的光纤光栅测得的温度平均值,作为该栅格区域的温度。
9.根据权利要求6所述的温度测量方法,其特征在于,非重点测温区域的栅格只在3个边中设置光栅 ,或只在2个边中设置光栅,这样既可以减少光栅的用量,也能够实现参数测量。
10.根据权利要求6所述的温度测量方法,其特征在于,为防止重点区域栅格光栅损坏,将其他光纤光栅从该重点区域通过,这样一旦某栅格的光栅损坏,则其他光纤光栅可以代替原栅格光栅进行温度监测,确保监测数据无丢失现象。
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