CN104330191B - 一种光纤光栅温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度测量装置，包括光纤、以及与所述光纤连接的光纤光栅传感器，还包括支撑杆，所述支撑杆是可伸缩支撑杆，所述支撑杆包括多个伸缩节，所述光纤光栅传感器固定在所述支撑杆的尾部，所述光纤从所述支撑杆的尾部延伸至所述支撑杆的头部，所述光纤包括多个光纤段，相邻的光纤段的连接点固定在靠近的伸缩节上。本光纤光栅温度测量装置可以在强电、强磁、易燃、易爆等场合中使用，而且该便携式测量装置可以伸长并能探测到较高位置处高电压设备的温度信息。

Description

一种光纤光栅温度测量装置

【技术领域】

本发明涉及光纤测量温度的测量，具体涉及一种光纤光栅温度测量装置。

【背景技术】

近年来东北地区电力系统先后发生了多起运行中干式电抗器的烧毁事故，造成大面积停电，通过对电抗器事故情况的检查和分析发现，事故中的电抗器轴向散热气道局部都伴随着严重的过热现象。事故解剖中在电抗器轴向散热气道中都发现了严重的树枝状烧痕和击穿通道。主要原因是局部过热甚至局部放电，最后发展成贯穿性绝缘故障。

但由于高电压和强电磁干扰的特点，电子式温度传感器无法进行干式电抗器的温度测量，而红外热像仪也只能遥测到电抗器外部的温度，对于电抗器中间线包的温度无法测量。

温度测量，目前主要采用电传感器(比如铂电阻等)，一根电线接一只传感器，信号为电信号，容易受到强电、强磁的影响，并且被限制使用在易燃、易爆等场合；电磁干扰较强并且绝缘要求较高的电力应用场合，目前正积极发展基于光纤的测温系统，主要两种原理：基于光时域反射计(OTDR)的分布式光纤传感系统和基于波长解调原理的光纤光栅测量系统，而红外热像仪也只能遥测到电抗器外部的温度，但作为便携式光纤温度测量方法及装置，可以伸长并能探测到较高位置处高电压设备的温度信息，比如干式电抗器线包中间的温度，该方法及其装置目前国内外空白。

自从1989年POREY首次报道将光纤光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)用作传感器件以来，传感光纤光栅受到了世界范围内的广泛重视。传感光纤光栅是一种光纤无源器件，光纤光栅实际上就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构，或称作光纤芯内的布拉格反射器。它利用光纤材料的紫外光敏性，通过双光束干涉法和相位掩模法等方法，从侧面将裸纤暴露在紫外光束的干涉图案下，将干涉图案写入到光纤内，在纤芯内部形成空间相位光栅。当具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅后，特定波长的光波沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透射出去。根据模耦合理论，λ_Β＝2nΛ的波长就被光纤光栅所反射回去(其中λ_Β为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率)。反射的中心波长信号λ_Β，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会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。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}$

其中，为光纤的热膨胀系数，为光纤材料的热光系数，为光纤材料的弹光系数。在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/℃，应变系数为1.209pm/με。如果将FBG封装在温度增敏材料中，可以提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。

改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波长，利用这一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量，其中拉力(压力)是光纤光栅能够直接敏感的物理量之一。拉力引起光栅中心波长的漂移主要是因为拉力改变了光栅栅距造成的。光栅中心波长的变化就反映了所受拉力的变化情况，从而达到测量的目的。由于光纤光栅中心波长随拉力的变化关系是线性的，所以可以非常方便地应用在传感领域。传感光纤光栅除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、不带电量、不产生热量、防燃、防爆、重量轻、体积小、能在有害或危险环境中安全运行等优点外，还有其独特的优点：光纤易于耦合，耦合损耗小；抗干扰能力强，集传感与传输于一体且具有更强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛，易于实现多参数传感测量等等。

但是，目前的光纤光栅温度测量装置并不方便携带，也不方便操作员进行操作。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种方便携带的光纤光栅温度测量装置，并可以方便进行测量温度的操作。

一种光纤光栅温度测量装置，包括光纤、以及与所述光纤连接的光纤光栅传感器，还包括支撑杆，所述支撑杆是可伸缩支撑杆，所述支撑杆包括多个伸缩节，所述光纤光栅传感器固定在所述支撑杆的尾部，所述光纤从所述支撑杆的尾部延伸至所述支撑杆的头部，所述光纤包括多个光纤段，相邻的光纤段的连接点固定在所述连接点靠近的伸缩节上。

优选地，相邻的光纤段的连接点固定在靠近的伸缩节的端部。

优选地，相邻的光纤段的连接点固定在靠近的较大伸缩节的端部。

优选地，光纤段呈螺旋卷绕状。

优选地，所述支撑杆的头部设有手柄。

优选地，所述支撑杆采用绝缘材料。

优选地，所述支撑杆采用碳纤维。

优选地，光纤的封装材料和护套采用绝缘材料。

优选地，光纤光栅温度传感器的封装材料和护套采用绝缘材料。

优选地，所述封装材料陶瓷，所述护套的材料是特氟龙。

本光纤光栅温度测量装置可以在强电、强磁、易燃、易爆等场合中使用，而且该便携式测量装置可以伸长并能探测到较高位置处高电压设备的温度信息，如电抗器(例如干式空心电抗器的轴向散热气道中)、刀闸、高压套管、高压接头等位置，极有实用价值。本光纤光栅温度测量装置可以不受电磁干扰，应用于高电压电力设备，安全、耐腐蚀；全光纤回路中，高绝缘，不导电。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的光纤光栅温度测量系统示意图；

图2是本发明另一种实施例的光纤光栅温度测量系统示意图；

图3是本发明一种实施例的光纤光栅温度测量装置结构示意图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图1所示，是一种光纤光栅温度测量系统图，包括光源光纤光栅传感器、信号探测装置和信号调节输出装置，光源发出的光经过光纤光栅传感器，带有温度信息的信号被探测到，并进行信号解调输出后，根据背景技术中介绍的方法，可以求出相应被测物的温度。

图2所示，是本发明一种实施例的具有四个测量通道(CH1、CH2、CH3和CH4)的光纤光栅温度测量装置的系统图，装置中使用宽带光源，经过可调谐光纤Fabry－Perrot滤波器(F-P腔)(利用PZT压电控制)后(或者直接使用可调谐光源)，成为窄带扫描光，经光纤光栅传感器反射后，由光电管(PD)探测出含有温度信息的光纤光栅光功率信号，通过软件处理和与标准波长的比较，解调出相应位置的温度信息，从而实现物理量的测量。

如图3所示，一种光纤光栅温度测量装置，包括光纤100、支撑杆200、以及与所述光纤100连接的光纤光栅传感器101，支撑杆200是可伸缩支撑杆，所述支撑杆200包括多个伸缩节，如依次相邻的宽度从大到小的伸缩节201、伸缩节202和伸缩节204，所述光纤光栅传感器101固定在所述支撑杆200的尾部，所述光纤100从所述支撑杆200的尾部延伸至所述支撑杆的头部205，所述光纤100包括多个光纤段，例如依次相邻的光纤段102、光纤段103和光纤段106，相邻的光纤段的连接点固定在靠近的伸缩节上，如图1所示，光纤段102和光纤段103的连接点104固定在靠近的伸缩节201上。

这样，需要测量变压器、高压线等物体的温度时，可以根据操作员与这些物体的距离，调节支撑杆200的长度，以使光纤光栅传感器101进入物体或者物体的内部，当测量完成后，也可以收缩支撑杆200，从而可以节省储存光纤光栅温度测量装置的空间。

优选地，相邻的光纤段的连接点固定在伸缩节的端部，例如光纤段102与光纤段103的连接点104固定在伸缩节201的端部203，光纤段103与光纤段106的连接点107固定在伸缩节202的端部206上。

这样，相邻的伸缩节可以缩短的更加彻底，因此整个支撑杆可以收缩的更短。否则，如果连接点107设置在伸缩节202的中间部位，那么将较小的伸缩节202伸入伸缩节201内，当连接点107接近较大伸缩节201的端部203时，这个连接点107会阻碍伸缩节202进一步进入伸缩节201。因此，更加优选的方案中，连接点设置在相邻的伸缩节中较大宽度的伸缩节的端部上，例如，如果将连接点107设置在伸缩节204的头部，则虽然伸缩节202可以完全伸入伸缩节201中，但是伸缩节204无法进一步伸入伸缩节202。

在一个实施例中，光纤段102(103、106)呈螺旋卷绕状，这样，当支撑杆200伸长时，光纤段102可以伸长，当支撑杆200收缩时，光纤段102也收缩，不容易导致光纤段102弯折杂乱，或者下垂等情况出现。

在一个实施例中，所述支撑杆200的头部205设有手柄，这样可以方便操作员手握进行操作。

所述支撑杆200采用绝缘材料，优选地可以采用采用碳纤维。光纤可以先封装后，再在封装材料上采用护套，封装的材料和护套采用绝缘材料，封装的材料可以是陶瓷，所述护套的材料是特氟龙。同样，光纤光栅温度传感器的封装材料和护套采用绝缘材料，封装的材料可以是陶瓷，所述护套的材料是特氟龙。

本光纤光栅温度测量装置可以通过光纤接头(FC/APC)与光纤光栅温度测量的分析装置连接，以计算出被测物体的温度。

在一些实施例中，本光纤光栅温度测量装置的波长范围为1525nm到1565nm，测量高度：5-20米，具有一个测量通道(可扩展至4通道)，测量的温度范围：-20-+150℃，温度测量精度：1℃。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅温度测量装置，包括光纤、以及与所述光纤连接的光纤光栅传感器，其特征是，还包括支撑杆，所述支撑杆是可伸缩支撑杆，所述支撑杆包括多个伸缩节，所述光纤光栅传感器固定在所述支撑杆的尾部，所述光纤从所述支撑杆的尾部延伸至所述支撑杆的头部，所述光纤包括多个光纤段，相邻的光纤段的连接点固定在所述连接点靠近的伸缩节上以缩短可伸缩支撑杆。

2.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：相邻的光纤段的连接点固定在靠近的伸缩节的端部。

3.如权利要求2所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：相邻的光纤段的连接点固定在靠近的较大伸缩节的端部。

4.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：光纤段呈螺旋卷绕状。

5.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：所述支撑杆的头部设有手柄。

6.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：所述支撑杆采用绝缘材料。

7.如权利要求6所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：所述支撑杆采用碳纤维。

8.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：光纤的封装材料和护套采用绝缘材料。

9.如权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：光纤光栅温度传感器的封装材料和护套采用绝缘材料。

10.如权利要求8或9所述的光纤光栅温度测量装置，其特征是：所述封装材料是陶瓷，所述护套的材料是特氟龙。