CN103759855B - 一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统，其包括：光源（1）、光纤环形器（2）、一个或多个光纤FBG传感器（5）、耦合器（6）、光纤（7）、准直透镜（8）、光折变全息光栅（9）、聚焦成像透镜（10）、成像装置（11）、处理器（15）。本发明将光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG光栅）传感器引入温度测量领域，基于光信号来传送信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、耐高压使用寿命长的优点，且稳定性好、灵敏度高、分辨率高，并能同时获得来自同一通道上的所有光谱。

Description

一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统

技术领域

本发明涉及温度测量领域，具体涉及一种用于高压带电设备测温的温度传感系统。

背景技术

随着现代电力系统发展步伐的不断加快，中国电网也得到迅速发展，目前电网建设已成为我国电力建设的主要方向。一些高压带电设备，如高压电力电缆，高压输电变压器线圈绕组，高压开关柜等，对电网的安全可靠运行起着举足轻重的作用，然而这些设备的连接点常因接触不良、材料老化等原因导致温度过高，引发事故，因此对高压带电设备进行温度在线监测，防止事故发生具有十分重要的意义。

目前国内常用的高压带电设备测温方式主要有接触测温法与红外测温法。传统的接触测温法主要利用热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等传感器件与带电体直接接触，然后使用金属导线将信号引出，尽管这种方法测量精度较高，但由于电力设备的测温点往往有很高的电压，致使传感器件之间的绝缘问题难以解决，影响系统的稳定性。红外测温法主要利用被测触点的温度变化引起红外辐射变化，通过采集该测点表面的红外辐射，并送往红外解调装置进行解调，最后经过计算实现温度的测量，该方法需要手持式红外热成像仪或点测仪进行人工在线测量，不能满足现代数字化电力系统的要求，且易受环境中的灰尘污染及周围的电磁场干扰，测量误差大，准确度低，特别是无法监测高压电器封闭内接点的温度，不能进行实时在线监测

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，光纤光栅传感器与其他光纤传感器相比，具有抗电磁干扰、耐高温高压、灵敏度高等优点。在采用光纤光栅传感器时，现有技术中一般利用可调谐波长F-P滤波解调技术实现波长解调，但FP部件需要高速移动，很难保证高精度平行，使用寿命也因此受到限制，且分辨率一般不高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于高压带电设备温度检测的布拉格光栅温度传感系统。

本发明提供一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统，所述温度传感器系统包括：光源、光纤环形器、一个或多个光纤布拉格光栅传感器、耦合器、光纤、准直透镜、光折变全息衍射光栅、聚焦透镜、成像装置、处理器，

所述光源用于发射波长在预定谱带范围内的光束；

光纤环形器用于接收所述光源所发出的光束并且将所接收到的光束引导至所述光纤布拉格光栅传感器中；

所述光纤布拉格光栅传感器紧贴待测物体放置，并且其中心反射波长随待测物体温度变化而变化，所述光纤布拉格光栅传感器对进入其中的光束进行反射并且附加所述光纤布拉格光栅传感器的温度信息；

所述光纤环形器接收经所述光纤布拉格光栅传感器反射的光束，并将所接收的光束引导至所述耦合器；

所述耦合器将来自所述光纤环形器的光束耦合进入所述光纤；

所述光纤将所接收到的光束照射到所述准直透镜；

所述准直透镜对照射到其上的光束进行准直，并且将经准直的光束引导至所述光折变全息光栅；

所述光折变全息光栅对所述光束进行衍射色散，以将不同波长的光进行分离；

所述聚焦成像透镜将分离出的各束单色光分别聚焦到所述成像装置（11）的不同位置上；

所述成像装置分别生成针对各个单色光束的信号，并且将所生成的信号输出给处理器；

所述处理器基于所述信号确定所述光纤布拉格光栅传感器附加到光束中的温度信息。

进一步地，所述成像装置为线阵红外CCD，并且，所述温度传感系统还包括A/D转换器，用于将所述线阵红外CCD产生的模拟信号转换成数字信号。

进一步地，所述温度传感系统还包括光开关、光开关驱动器，所述光开关驱动器用于驱动所述光开关，所述光开关用于控制所述光纤环形器与所述光纤布拉格光栅传感器之间的耦合，使得来自所述光纤环形器的光束进入所述光纤布拉格光栅传感器的一个中。

进一步地，所述光折变全息衍射光栅以三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料。

有益效果：

本发明的用于高压带电物体测温的光纤布拉格光栅温度传感器，利用色散法进行波长解调。

本发明将光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG光栅）传感器引入温度测量领域，基于光信号来传送信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、耐高压使用寿命长的优点，且稳定性好、灵敏度高、分辨率高，并能同时获得来自同一通道上的所有光谱。

另外，本发明的用于高压带电物体测温的光纤布拉格光栅温度传感器采用三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体用作光栅。铌酸锂晶体本身作为一种良好的体全息存储介质，在其表面写入的布拉格光栅，多作为信号转换元件而被用于生物-光学检测领域，且目前比较常见的是以单掺铁或者双掺铁锰铌酸锂晶体作为基底而制备的光学-生物检测系统，有关三掺 Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体在电力检测方面未见报道。

本发明所使用的以三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料的光折变全息光栅具有可重复擦写，波长和角度可选择等良好特性，并具备无挥发性、响应迅速、对折射率灵敏度高、不易被可见光擦除等优点。线阵红外CCD能同时探测到多个光纤光栅的波长移动，能同时用于静态和动态测量，并且分辨率很高（可达1μξ）。

由于以三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料的全息光栅的中心波长与高压带电设备的温度有比较好的线性关系，从而可以完成高压带电设备的温度检测。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的温度测量设备的示意图；

图2是根据本发明的另一个实施例的温度测量设备的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的带有光纤布拉格光栅的温度传感系统包括：光源1，光纤环形器2，一个或多个光纤FBG传感器5，耦合器6，光纤7，准直透镜8，光折变全息光栅9，聚焦透镜10，成像装置11，处理器15。

光源1用于发射在预定谱带范围内的光束。

光源1的出光口与光纤环形器2的A端口相连，从光源1发出的光经光纤环形器2的A端口进入光纤环形器2，然后经光纤环形器2的B端口输出。光纤环形器2的B端口与一个光纤FBG传感器相连。本发明中所采用的光纤环形器2能够将从A端口入射的光引导至B端口，从B端口输出；而将从B端口入射的光引导至C端口输出。可选地，当采用多个FBG传感器时，本发明中的温度传感系统还可以包括光开关3和光开关驱动器4，光开关3用于选择不同的光纤FBG传感器，由光开关驱动器4控制。从光纤环形器2的B端口输出的光通过光开关3进行光路选择，从而与光纤FBG传感器5中的一个相连。

测量时，将光纤FBG温度传感器5紧贴于高压带电物体表面，经光开关3进入光纤FBG传感器5中的光经光纤FBG传感器5反射后，将携带光纤FBG传感器5的温度信息。具体而言，光纤FBG传感器中的布拉格光栅对用于携带高温物体信息的光载波进行调制，使得反射光的中心波长正比于待测物体的温度。从光纤FBG传感器5反射回来的光再通过光纤环行器2的B端口进入光纤环形器2，然后从光纤环形器2的C端口出射并进入到耦合器6中。

耦合器6将来自所述光纤环形器2的光束从光纤7的一端耦合进入光纤7中，进入光纤7中的光束再从光纤7的另一端输出。在本实施例中，光纤7采用单模光纤。光纤7的输出端与准直透镜8相连，从单模光纤7输出的光束，经过准直透镜8准直后，照射到光折变全息光栅9。从光折变全息光栅9输出的光产生衍射色散，从而把不同波长的光分开，分开的光由聚焦透镜10聚焦成像到成像装置11的不同位置上。成像装置11测量色散后的衍射图像，并将相应信号输出至处理器15。

在另一个实施例中，将成像装置11所测得的衍射图像直接输出至处理器15，然后，通过处理器15对所获得的光谱图像进行处理，从而获得光束再FBG传感器中反射时所携带的光谱信息，进而确定光纤FBG传感器的温度。由于光纤FBG传感器与待测的高温物体紧贴，所以，光纤FBG传感器的温度即可以视为待测物体的温度。

可选地，在处理器15确定了待测物体的温度之后，可以将所确定的温度显示在显示器上。

如图2所示，在另一个实施例中，成像装置11采用线阵红外CCD。该线阵红外CCD11通过控制电路12控制其时序驱动。可选地，可以将线阵红外CCD11获得的电信号经过A／D转换器13进行A／D转换，然后存储在存储器14中，以备后续使用，经存储的信号可以提供给处理器15进行进一步处理。

在一个优选实施例中，本发明中的温度传感系统包括多个光纤FBG传感器5，所述多个光纤FBG传感器5彼此平行排列。

在另一个优选实施例中，本发明中的温度传感系统包括多个光纤FBG传感器5，其中，至少两个光纤FBG传感器5彼此成一定夹角。优选地，其中两个光纤FBG传感器5之间成一个锐角，例如，两个光纤FBG传感器5之间的夹角为30度、37度或45度。在另一个优选实施例中，任意两个光纤FBG传感器5之间的夹角彼此不同。

在另一个本实施例中，光源1采用宽带光源，宽带光源所发出的光的频带在360-460nm，优选在433-434nm。

由于以三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料的全息衍射光栅9将不同波长的光分开成像至红外CCD不同位置处，即分光后，光分布在红外CCD不同位置处对应于不同的波长，由位置变化可以得到波长变化，从而获得待测高压物体的温度变化信息。

采用宽带光源发出的光信号经光纤环形器与接有光开关的FBG传感器相连，符合布拉格光栅反射条件的光通过耦合器耦合到单模光纤中，经过准直透镜的准直作用后入射到光折变全息光栅中，光折变全息光栅选为三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料的全息光栅。不同波长的光经同一光折变全息光栅的色散衍射后在空间传播时具有不同的衍射角，因此将单束复色光分解为多束单色光。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，并非意在对本发明进行限制。而且，本领域技术人员应该理解，虽然上述实施例中画出了底板、调平旋钮等部件，但是，这些部件并非必须的，在一定条件下是可以省略的。

Claims (4)

1.一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统，所述带有光纤布拉格光栅的温度传感系统用于高压带电设备，其特征在于，所述温度传感器系统包括：光源(1)、光纤环形器(2)、多个光纤布拉格光栅传感器(5)、耦合器(6)、光纤(7)、准直透镜(8)、光折变全息衍射光栅(9)、聚焦透镜(10)、成像装置(11)、处理器(15)，

所述光源(1)用于发射波长在预定谱带范围内的光束；

光纤环形器(2)用于接收所述光源(1)所发出的光束并且将所接收到的光束引导至所述光纤布拉格光栅传感器(5)中；

所述光纤布拉格光栅传感器(5)紧贴待测物体放置，其中心反射波长随待测物体温度变化而变化，所述光纤布拉格光栅传感器(5)对进入其中的光束进行反射并且附加所述光纤布拉格光栅传感器(5)的温度信息；

所述光纤环形器(2)接收经所述光纤布拉格光栅传感器(5)反射的光束，并将所接收的光束引导至所述耦合器(6)；

所述耦合器(6)将来自所述光纤环形器(2)的光束耦合进入所述光纤(7)；

所述光纤(7)将所接收到的光束照射到所述准直透镜(8)；

所述准直透镜(8)对照射到其上的光束进行准直，并且将经准直的光束引导至所述光折变全息光栅(9)；

所述光折变全息光栅(9)对所述光束进行衍射色散，以将不同波长的光进行分离；

所述聚焦透镜(10)将分离出的各束单色光分别聚焦到所述成像装置(11)的不同位置上；

所述成像装置(11)分别生成针对各个单色光束的信号，并且将所生成的信号输出给处理器(15)；

所述处理器(15)基于所述信号确定所述光纤布拉格光栅传感器(5)附加到光束中的温度信息，

其中，多个光纤布拉格光栅传感器(5)中的至少两个光纤布拉格光栅传感器(5)彼此成一定夹角，该夹角为一锐角，两个光纤布拉格光栅传感器(5)之间的夹角为30度、37度或45度。

2.根据权利要求1所述的温度传感系统，其特征在于，

所述成像装置(11)为线阵红外CCD，并且，所述温度传感系统还包括A/D转换器(13)，用于将所述线阵红外CCD产生的模拟信号转换成数字信号。

3.如权利要求1所述的温度传感系统，其特征在于，其还包括光开关(3)、光开关驱动器(4)，所述光开关驱动器(4)用于驱动所述光开关(3)，所述光开关(3)用于控制所述光纤环形器(2)与所述光纤布拉格光栅传感器(5)之间的耦合，使得来自所述光纤环形器(2)的光束进入一个所述光纤布拉格光栅传感器(5)中。

4.如权利要求1所述的温度传感系统，其特征在于，所述光折变全息衍射光栅以三掺Hf、Fe、Mn铌酸锂晶体为材料。