CN103604528B - 一种利用光纤传感技术的测温方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用光纤传感技术的测温方法及系统，其中，所述方法包括：发射测试光波，利用标准波长光谱气室将测试光波离散为多个基准波长光波，建立波长与电压对应关系；发射检测光波，利用光纤传感器根据待测温度反射回响应光波；将响应光波进行信号处理后得到响应光波对应的电压数字信号；根据响应光波对应的电压数字信号，利用波长与电压对应关系计算出响应光波的波长；根据响应光波的波长标定出待测温度。

Description

一种利用光纤传感技术的测温方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用光纤传感技术的进行测温方法及系统，主要应用在储能锂电池组中。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术。光纤布拉格光栅传感器是用布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，其传感原理是利用光纤材料的光敏性，用紫外光的空间干涉条纹在纤芯内形成空间相位光栅，根据外界物理参量对反射布拉格光栅中心波长的影响来反向检测外界物理值。对布拉格光栅中心波长有影响的物理量有两种：温度和应力；并且，布拉格光栅中心波长的变化与温度和应力呈线性关系。

由于锂电池单体容量很小，为了实现大规模储能需要串并联大量的锂电池。但是，大量锂电池单体的串并联使用使得不均衡性对锂电池性能的影响很大。不均衡性的影响很大程度体现在温度上，规模化锂电池由于都是装柜运行，而电池柜的通风通常位于电池柜的上部，通风的不均匀使得不同位置锂电池的温度差异较大，温度高的锂电池会提前退役，从而导致整个电池柜电池的提前退役，对储能系统产生极大的浪费。对温度不均衡性，通过监测锂电池热电温度来防止发热损坏。

目前对储能锂电池的温度监测普遍采用的是热敏电阻方法，通过在电池组中放热敏电阻，监测相关点的温度变化实现对储能电池的温度监测。但由于现在使用的每个储能电池组是由多个锂电池芯串并联组成，电芯之间的不均衡性是造成电池组老化的主要原因，采用热敏电阻通常只监测整个电池组的某几个点，不是监测每个电芯，通常一个储能电池组的热敏电阻约2-4个，对储能电池组内部温度分布的反映极为有限，远不能满足电芯监测的要求；并且热敏电阻是电信号传感器，容易受电磁环境的干扰；如果个数太多，信号接线也较复杂，在一定程度上限制了热敏电阻方法的应用，所以需要一种更先进的储能电池组测温方法来解决以上问题。

发明内容

本发明利用光纤传感技术，先利用拉格朗日插值方法建立电压与波长对应关系，然后将温度模拟量转换光波模拟量、光波模拟量转换电压模拟量、电压模拟量转换电压数字信号、电压数字信号计算出光波波长、通过光波波长标定出待测温度。

为达到上述目的，本发明提出了一种利用光纤传感技术的测温方法，所述方法包括：发射测试光波，利用标准波长光谱气室将所述测试光波离散为多个基准波长光波，建立波长与电压对应关系；发射检测光波，利用光纤传感器根据待测温度反射回响应光波；将所述响应光波进行信号处理后得到所述响应光波对应的电压数字信号；根据所述响应光波对应的电压数字信号，利用所述波长与电压对应关系计算出所述响应光波的波长；根据所述响应光波的波长标定出待测温度。

为达到上述目的，本发明还提出了一种利用光纤传感技术的测温系统，所述系统包括：宽带光源发射模块、标准波长光谱气室、光环形器、信号处理装置、高速光切换开关、光纤传感器、波长解调器、温度显示装置；其中，所述宽带光源发射模块，连接所述标准波长光谱气室及光环形器，用于发出测试光波至所述标准波长光谱气室，发出检测光波至光环形器；所述标准波长光谱气室，连接所述信号处理装置，用于将测试光波离散为多个基准波长光波，并发送至所述信号处理装置；所述光环形器，连接所述高速光切换开关及信号处理装置，用于将检测光波传送至高速光切换开关，还用于将响应光波后传送至信号处理装置；所述高速光切换开关，连接光纤传感器，用于将检测光波传送至光纤传感器，还用于接收所述光纤传感器反射回的响应光波，进行分时复用后传输至所述信号处理装置；所述光纤传感器，用于接收所述检测光波，并根据温度反射回响应光波；所述信号处理装置，连接所述波长解调器，用于接收多个基准波长光波，建立波长与电压对应关系，还用于接收响应光波，进行信号处理后得到所述响应光波对应的电压数字信号；所述波长解调器，连接温度显示装置，用于根据所述响应光波对应的电压数字信号，利用所述波长与电压对应关系计算出所述响应光波的波长；所述温度显示装置，用于根据所述响应光波的波长标定出待测温度并显示。

通过本发明的利用光纤传感技术的测温方法及系统，实现了在不停电的情况下对大规模储能电池组进行高速率温度采样，实时、在线温度监测的功能，能够防止储能电池组失效对整体电池柜的影响，对储能电站的运行提供安全保障，也为国民经济的发展和广大人民群众的生活质量提供保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的利用光纤传感技术的测温方法的流程图。

图2为本发明一实施例的利用光纤传感技术的测温系统的结构示意图。

图3为本发明另一实施例的利用光纤传感技术的测温系统的结构示意图。

图4为本发明一具体实施例的某储能锂电池模组结构示意图。

图5为图4的某储能锂电池模组的实际测温数据显示图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

图1为本发明一实施例的利用光纤传感技术的测温方法的流程图。如图1所示，所示方法包括：

步骤S101，发射测试光波，利用标准波长光谱气室将测试光波离散为多个基准波长光波，建立波长与电压对应关系。

步骤S102，发射检测光波，利用光纤传感器根据待测温度反射回响应光波。

步骤S103，将响应光波进行信号处理后得到响应光波对应的电压数字信号。

步骤S104，根据响应光波对应的电压数字信号，利用波长与电压对应关系计算出响应光波的波长。

步骤S105，根据响应光波的波长标定出待测温度。

在步骤S101中，用含C波段标准波长光谱气室将测试光波离散为如表1所示的51个光波，表1中的波长为国际标准化组织认定的参考基准波长。

表1由标准波长光谱气室离散的基准波长

R Branch	波长（nm）	P Branch	波长（nm）
				25	1528.0541	1	1543.1148(6)
24	1528.4862(6)	2	1543.8094
				23	1528.9271	3	1544.5147
22	1529.3762	4	1545.2314(6)
				21	1529.8376(6)	5	1545.9563(6)
20	1530.3061	6	1546.6902
				19	1530.7856	7	1547.4354
18	1531.2764(6)	8	1548.1904
				17	1531.7738	9	1548.9554(6)
16	1532.2825	10	1549.7302(6)
				15	1532.8024(6)	11	1550.5149(6)
14	1533.3291	12	1551.3106
				13	1533.8671	13	1552.1157
12	1534.4159(6)	14	1552.9308
				11	1534.9723	15	1553.7560
10	1535.5401(6)	16	1554.5892(6)
				9	1536.1170(6)	17	1555.4346(6)
8	1536.7034(6)	18	1556.2919
				7	1537.2997(6)	19	1557.1573
6	1537.9069	20	1558.0329
				5	1538.5224(6)	21	1558.9185
4	1539.1494	22	1559.8143
				3	1539.7855	23	1560.7185(6)
2	1540.4314	24	1561.6344(6)
				1	1541.0872	25	1562.5625
0	1541.7529

将不同波长的光波经过光电转换、A/D转换后，得到对应的电压并记录下来。对每5个光波采用拉格朗日插值法求解波长与电压函数关系式，由于本方案使用的波长波段为1530～1560nm，因此对表1中从RBranch24～20开始对RBranch24～0和PBranch1～25波长光波（包括50个光波）进行分段插值，插值公式如公式（1）、（2）所示。将测量出来的电压x带入公式中，即可求出对应的波长L。

建立的对应关系如下：

$L=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j{l}_j\left(x\right);---\left(1\right)$

$l_j\left(x\right)=\underset{i\≠j}{\overset{5}{\mathrm{\Π}}}\frac{x-x_i}{x_j-x_i};---\left(2\right)$

其中，y_j为基准波长光波信号波长；

x_i、x_j为不同的基准波长光波信号对应的电压；

L为待测光波的波长；

x为待测光波的电压。

在本实施例的步骤S102中，发射检测光波进入光纤，被串联在光纤上的多个光纤传感器接收检测光波，每一光纤传感器会根据待测温度反射回对应的响应光波；其中温度反射的光波是该波段内光强最大值。由于串联在同一光纤上的传感器反射光波的波段不同，每个传感器只接受某一固定波段的光波，因此在测温过程中同一光纤不同传感器所反射的光波波长也位于不同波段，光信号不会混叠。由此，完成由温度模拟量到光波模拟量的转换。

在本实施例的步骤S103中，将响应光波由高速光切换开关分时复用后传输至信号处理装置，信号处理装置包括可调滤波器、光电转换器、A/D转换器；可调滤波器将响应光波进行离散处理得到多个不同波长的光波，再通过光电转换器进行光电转换、最后通过A/D转换器得到多个不同波长的光波对应的电压数字信号。由此，完成光波模拟量转换电压模拟量、电压模拟量转换电压数字信号。

在本实施例的步骤S104中，因为温度反射的光波是该波段内光强最大值，所以分离出多个不同波长的光波中电压数字信号值最大的光波，利用波长与电压对应关系计算出电压数字信号值最大的光波的波长。由此，完成电压数字信号计算出光波波长。

最后通过步骤S105，利用光波波长标定出待测温度，完成器件温度的测量。

上述测试方法，首先利用拉格朗日插值方法建立电压与波长对应关系，然后将温度模拟量转换光波模拟量、光波模拟量转换电压模拟量、电压模拟量转换电压数字信号、电压数字信号计算出光波波长、通过光波波长标定出待测温度；实现了在不停电的情况下对大规模储能电池组进行高速率温度采样，实时、在线温度监测的功能。

图2为本发明一实施例的利用光纤传感技术的测温系统的结构示意图。如图2所示，测温系统包括：宽带光源发射模块1、标准波长光谱气室2、光环形器3、信号处理装置4、高速光切换开关5、光纤传感器6、波长解调器7、温度显示装置8。其中，

宽带光源发射模块1，连接标准波长光谱气室2及光环形器3，用于发出测试光波至标准波长光谱气室2，发出检测光波至光环形器3。

标准波长光谱气室2，连接信号处理装置4，用于将测试光波离散为多个基准波长光波，并发送至信号处理装置4。

光环形器3，连接高速光切换开关5及信号处理装置4，用于将检测光波传送至高速光切换开关5，还用于将响应光波传送至信号处理装置4。

高速光切换开关5，连接光纤传感器6，用于将检测光波传送至光纤传感器6，还用于接收所述光纤传感器6反射回的响应光波，进行分时复用后传输至信号处理装置4。

光纤传感器6，用于接收检测光波，并根据温度反射回响应光波；其中，多个光纤传感器串联在光纤上，每一光纤传感器会根据待测温度反射回对应的响应光波；其中温度反射的光波是该波段内光强最大值。

信号处理装置4，连接波长解调器7，用于接收多个基准波长光波，建立波长与电压对应关系，还用于接收响应光波，进行信号处理后得到响应光波对应的电压数字信号。

波长解调器7，连接温度显示装置8，用于根据响应光波对应的电压数字信号，利用波长与电压对应关系计算出响应光波的波长。

温度显示装置8，用于根据响应光波的波长标定出待测温度并显示。

在本实施例中，用含C波段标准波长光谱气室将测试光波离散为如上述表1所示的51个光波。将不同波长的光波发送至信号处理装置4，经过光电转换、A/D转换后，得到对应的电压并记录下来。对每5个光波采用拉格朗日插值法求解波长与电压函数关系式，由于本方案使用的波长波段为1530～1560nm，因此对表1中从RBranch24～20开始对RBranch24～0和PBranch1～25波长光波（包括50个光波）进行分段插值，插值公式如公式（1）、（2）所示。将测量出来的电压x带入公式中，即可求出对应的波长L。

建立的对应关系如下：

$L=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j{l}_j\left(x\right);---\left(1\right)$

$l_j\left(x\right)=\underset{i\≠j}{\overset{5}{\mathrm{\Π}}}\frac{x-x_i}{x_j-x_i};---\left(2\right)$

其中，y_j为基准波长光波信号波长；

x_i、x_j为不同的基准波长光波信号对应的电压；

L为待测光波的波长；

x为待测光波的电压。

在本实施例中，在进行测温实验时，信号处理装置4还用于将响应光波进行离散处理得到多个不同波长的光波，再进行光电转换、A/D转换得到所述响应光波对应的电压数字信号。

在本实施例中，波长解调器7还用于分离出多个不同波长的光波中电压数字信号值最大的光波，利用波长与电压对应关系计算出光强值最大光波的波长。

图3为本发明另一实施例的利用光纤传感技术的测温系统的结构示意图。如图3所示，信号处理装置4包括：可调滤波器41、光电探测器42及A/D转换器43；可调滤波器41连接标准波长光谱气室2、光环行器3及光电探测器42，光电探测器42连接A/D转换器43，A/D转换器43连接波长解调器7。

可调滤波器41用于对接收到的光波进行离散处理，光电探测器42用于将光波信号转换为电压信号，A/D转换器43用于将电压信号转换为电压数字信号。

图4为本发明一具体实施例的某储能锂电池模组结构示意图。如图4所示，每个电池组安装64个光纤传感器，具体测量位置为：每个电池组由32节电池串联而成，每个电池在正极处安装1个温度测点，测量电池极柱温度，同时在每个电池大面的几何中心处设1个温度测点，共32个测点。在每根光纤上串联32个传感器，使用2根光纤测量一个电池组的锂电池温度。

图5为图4的某储能锂电池模组的实际测温数据显示图。如图5所示，本发明的测温系统可以在不停电的情况下对大容量、大规模的储能锂电池组进行实时、在线温度监测，能够防止储能电池组失效对整体电池柜的影响。本发明的利用光纤传感技术的测温方法及系统，可以大量节省人力、财力，还可以准确的监测到人工测量方法很难或不能测量的电池组内部实时发热性能，间接反映其电气性能的变化，解决了人工测量方法带来的各种问题。

在实际测温系统线路搭建中，为实现多路光纤、每路32个传感器的大容量、高速率（1s检测周期）的温度采样，本系统可以采用的器件型号及性能如下：

宽带光源发射模块1：ASE光源，型号CF13M，波长范围1528～1563nm，光功率13dBm，平坦度<2dB；

标准波长光谱气室：C波段标准气室HCN-13-C-100，波长范围1525～1565nm，波长精度±0.3pm，温度影响<0.01pm/℃；

高速光切换开关：基于MEMS（微电子机械系统）技术的128路高速光切换开关，型号MSOSW-1128-135-025-1-N-S-LC/UPC，切换时间<1ms，波长范围1525～1570nm，光隔离度>80dB，回波损耗>50dB；

可调滤波器：型号FFP-TF21550,工作波长范围1520～1570nm，扫描速度2500Hz；

光电探测器：型号PFTM911,工作波长范围1100～1650nm，光敏感度>-60dBm，数据传输率<622Mb/s。以上硬件结构并不仅限于此。

通过本发明的利用光纤传感技术的测温方法及系统，实现了在不停电的情况下对大规模储能电池组进行实时、高速率温度采样，在线温度监测的功能，能够防止储能电池组失效对整体电池柜的影响，对储能电站的运行提供安全保障，也为国民经济的发展和广大人民群众的生活质量提供保障。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用光纤传感技术的测温方法，其特征在于，所述方法包括：

发射测试光波，利用标准波长光谱气室将所述测试光波离散为多个基准波长光波，将多个基准波长光波进行光电转换、A/D转换得到每一基准波长光波对应的电压数字信号，对每5个所述基准波长光波及对应的电压数字信号采用拉格朗日分段插值法得到波长与电压对应关系；

发射检测光波，利用光纤传感器根据待测温度反射回响应光波；

将所述响应光波进行信号处理后得到所述响应光波对应的电压数字信号；

根据所述响应光波对应的电压数字信号，利用所述波长与电压对应关系计算出所述响应光波的波长；

根据所述响应光波的波长标定出待测温度。

2.根据权利要求1所述的利用光纤传感技术的测温方法，其特征在于，所述波长与电压对应关系为：

$L=\underset{j=1}{\overset{5}{\&Sigma;}}{y}_j{1}_j\left(x\right);$

$1_j\left(x\right)=\underset{i\&NotEqual;j}{\overset{5}{\&Pi;}}\frac{x-x_i}{x_j-x_i};$

其中，y_j为基准波长光波信号波长；

x_i、x_j为不同的基准波长光波信号对应的电压；

L为待测光波的波长；

x为待测光波的电压。

3.根据权利要求2所述的利用光纤传感技术的测温方法，其特征在于，发射检测光波，利用光纤传感器根据待测温度反射回响应光波包括：

将所述检测光波传送至多个光纤传感器，每一所述光纤传感器根据待测温度反射回对应的响应光波。

4.根据权利要求3所述的利用光纤传感技术的测温方法，其特征在于，所述将所述响应光波进行信号处理后得到所述响应光波对应的电压数字信号包括：

将所述响应光波由高速光切换开关分时复用后传输至信号处理装置，所述信号处理装置将所述响应光波进行离散处理得到多个不同波长的光波，再进行光电转换、A/D转换得到所述多个不同波长的光波对应的电压数字信号。

5.根据权利要求4所述的利用光纤传感技术的测温方法，其特征在于，所述根据所述响应光波对应的电压数字信号，利用所述波长与电压对应关系计算出所述响应光波的波长包括：

分离出所述多个不同波长的光波中电压数字信号值最大的光波，利用波长与电压对应关系计算出所述电压数字信号值最大的光波的波长。

6.一种利用权利要求1所述的利用光纤传感技术的测温方法的测温系统，其特征在于，所述系统包括：宽带光源发射模块、标准波长光谱气室、光环形器、信号处理装置、高速光切换开关、光纤传感器、波长解调器、温度显示装置；其中，

所述宽带光源发射模块，连接所述标准波长光谱气室及光环形器，用于发出测试光波至所述标准波长光谱气室，发出检测光波至光环形器；

所述标准波长光谱气室，连接所述信号处理装置，用于将测试光波离散为多个基准波长光波，并发送至所述信号处理装置；

所述光环形器，连接所述高速光切换开关及信号处理装置，用于将检测光波传送至高速光切换开关，还用于将响应光波后传送至信号处理装置；

所述高速光切换开关，连接光纤传感器，用于将检测光波传送至光纤传感器，还用于接收所述光纤传感器反射回的响应光波，进行分时复用后传输至所述信号处理装置；

所述光纤传感器，用于接收所述检测光波，并根据温度反射回响应光波；

所述信号处理装置，连接所述波长解调器，用于接收多个基准波长光波，将多个基准波长光波进行光电转换、A/D转换得到每一基准波长光波对应的电压数字信号，对每5个所述基准波长光波及对应的电压数字信号采用拉格朗日分段插值法得到波长与电压对应关系，还用于接收响应光波，将所述响应光波进行离散处理得到多个不同波长的光波，再进行光电转换、A/D转换得到所述响应光波对应的电压数字信号；

所述波长解调器，连接温度显示装置，用于根据所述响应光波对应的电压数字信号，利用所述波长与电压对应关系计算出所述响应光波的波长；

所述温度显示装置，用于根据所述响应光波的波长标定出待测温度并显示。

7.根据权利要求6所述的测温系统，其特征在于，所述波长与电压对应关系为：

$L=\underset{j=1}{\overset{5}{\&Sigma;}}{y}_j{1}_j\left(x\right);$

$1_j\left(x\right)=\underset{i\&NotEqual;j}{\overset{5}{\&Pi;}}\frac{x-x_i}{x_j-x_i};$

其中，y_j为基准波长光波信号波长；

x_i、x_j为不同的基准波长光波信号对应的电压；

L为待测光波的波长；

x为待测光波的电压。

8.根据权利要求6所述的测温系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：可调滤波器、光电探测器及A/D转换器；所述可调滤波器连接所述标准波长光谱气室、光环形器及所述光电探测器，所述光电探测器连接所述A/D转换器，所述A/D转换器连接所述波长解调器。

9.根据权利要求8所述的测温系统，其特征在于，所述波长解调器还用于分离出所述多个不同波长的光波中电压数字信号值最大的光波，利用波长与电压对应关系计算出所述电压数字信号值最大的光波的波长。