CN108458751A - 基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统 - Google Patents

基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，包括远程测量单元和地面发射接收单元；所述的远程测量单元包括设置在远端的太阳能电池板、聚焦透镜、输入光纤束、输出光纤束、传感头、光电探测器、驱动电路和无线发射单元；所述的地面发射接收单元包括激光器、控制电路和无线接收单元，所述的激光器正对太阳能电池板和聚焦透镜入射，控制电路控制无线接收单元接收无线发射单元发射的测量数据。本发明采用地面的激光辐照高空的太阳能电池板实现对远程的传感头和探测器的供电，减小了测量单元的噪声，同时可以人为控制供电时间，同时利于测量系统的结构小型化。

Description

基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统
技术领域
本发明属于传感测量技术领域，涉及一种激光太阳能电池供电及数据无线传输的测量系统。
背景技术
在高压输电线网和脉冲功率设备研制和技术开发中，需要对高压输电设备和脉冲功率源的参数进行监测，比如需要测量某些构件的温度、输出电压，以及内部变压器中油的液面等参数，来反映被监测对象其是否正常。由于这些设备均属于高电压设备，为了使得传感器自身不对设备的电输出产生影响，同时大功率高压设备也不对传感器测量产生影响，常采用主动式光纤传感器来实现其参数测量，例如变压器油面高度传感器和温度传感器等均需要由光纤将激光引入至敏感单元进行光调制，再由光纤将调制后的光引入至光电探测器进行信号提取和分析。由于这些设备处于十几米至几十米的野外高空中，环境温度变化范围大，传感器的供电及数据采集均操作不便，急需要开展新的测量技术研究及测量系统研制，解决其实际应用问题。
发明内容
本发明提出了一种基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，解决了高空中高压脉冲功率设备的参数监测技术难题。
本发明的技术方案如下：
基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，包括远程测量单元和地面发射接收单元；
所述的远程测量单元包括设置在远端的太阳能电池板、聚焦透镜、输入光纤束、输出光纤束、传感头、光电探测器、驱动电路和无线发射单元；所述的传感头设置在被监测设备的内部，光电探测器、驱动电路和无线发射单元设置在远程测量机箱中，太阳能电池板设置在远程测量机箱的一个外表面上，聚焦透镜安装在太阳能电池板中心的位置；在远程测量机箱的内部设置有与聚焦透镜位置相匹配的光纤合束器；输入光纤束联接在光纤合束器与传感头之间，输出光纤束联接在传感头与光电探测器之间，驱动电路分别与光电探测器和无线发射单元电联接；
所述的地面发射接收单元包括激光器、控制电路和无线接收单元，所述的激光器正对太阳能电池板和聚焦透镜入射，控制电路控制无线接收单元接收无线发射单元发射的测量数据。
进一步的，所述的地面发射接收单元设置在移动机构上。
进一步的，所述的太阳能电池板背面设置有散热片。
进一步的，所述无线发射单元和无线接收单元包括Zigbee发射接收模块及外围器件。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明采用地面的激光辐照高空的太阳能电池板实现对远程的传感头和探测器的供电，一方面保证了整个光纤传感器采用电池供电，实际工作中传感器和被测的高压脉冲功率设备的地线有效隔离，避免了共地串扰的影响，同时减小了测量单元的噪声，提高了信噪比；另一方面，采用激光在平时需要监测数据时，实现比日光更高的功率密度辐照至太阳能电池上，可以人为控制供电时间，同时减小太阳能电池板的体积，利于测量系统的结构小型化，并且只在需要的测量的时候太阳能电池才工作，有效延长太阳能电池板的寿命。
2、本发明采用光纤传感器测量高压脉冲功率设备的参数，传感头设置在设备的内部，且全部为光学器件，外漏的电学器件设置在屏蔽的远程测量机箱内，可以避免对被测对象所产生的电场参数的影响，同时光纤传感器也不受被测对象的电磁干扰影响。
3、本发明的激光器在辐照至太阳能电池板上供电的同时，照射至太阳能电池板上的聚焦透镜，并经光纤合束器入射至输入光纤束，进一步为光纤传感器提供光源，与其他主动式光纤传感器相比，本发明的传感器省却了需要在宽温环境下工作的独立的LED光源或激光器，进一步节约了成本，起到了双重的作用。
附图说明
图1为本发明远程供电及无线传输测量系统原理图；
图2为本发明接收单元原理图；
图3为本发明接收单元太阳能电池和聚焦透镜的组成示意图；
图4为本发明油面传感器中的一种实施例。
附图标记为：
1—太阳能电池板；2—聚焦透镜；3—传感头；4—被监测设备；5—输入光纤束；6—输出光纤束；7—光电探测器；8—远程测量机箱；9—无线发射单元；10—光纤合束器；11—发射天线；13—支杆；15—驱动电路；17—电路板；18—散热片；21—激光器；22—控制电路；23—移动机构；24—无线接收单元；25—接收天线；30—油箱；31—透明窗口；32—光纤；33—光纤接口；34—介质油。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，包括远程测量单元和地面发射接收单元；
远程测量单元包括设置在高空支杆13上的远端的太阳能电池板1、聚焦透镜2、输入光纤束5、输出光纤束6、传感头3、光电探测器7、驱动电路15和无线发射单元9；所述的光纤传感头3设置在被监测设备4的内部，比如光纤温度传感器、油面传感器、电压传感器、光纤电流互感器等，这些传感器都需要通过光纤将激光或LED光引入至传感头3，然后测量得到结果，再经光纤将调制光信号传输至光电探测器7。光电探测器7、驱动电路和无线发射单元9等电驱动的器件设置在远程测量机箱8中进行电磁屏蔽。
太阳能电池板1设置在远程测量机箱8的一个外表面上，聚焦透镜2安装在太阳能电池板1中心的位置；在远程测量机箱8的内部设置有与聚焦透镜2位置相匹配的光纤合束器10，地面的激光入射至太阳能电池板1时，可通过聚焦透镜2将光汇聚至光纤合束器10上，给传感头3提供光源。输入光纤束5联接在光纤合束器10与传感头3之间，输出光纤束6联接在传感头3与光电探测器7之间，驱动电路15分别与光电探测器7和无线发射单元9电联接；驱动电路15实现光电探测器的驱动，同时将信号通过无线发射单元9进行远距离发射。
地面发射接收单元包括激光器21、控制电路22和无线接收单元24，所述的激光器21可实现垂直于太阳能电池板1的方向入射，并扩束后照射至太阳能电池板1和聚焦透镜2上，控制电路22一方面控制激光器发射激光，另一方面控制无线接收单元24接收无线发射单元9发射的测量数据。无线发射单元9和无线接收单元24均由Zigbee发射接收模块及外围器件构成，可实现一定距离内的数据无线传输接收，正好与激光器进行配对使用。其中激光器选用800-900nm的近红外波段，探测器可选用InGaAs探测器。
为了压缩体积，满足系统小型化要求，太阳能电池面积远小于普通太阳板的面积，主要是其接收激光器的功率密度也远高于太阳能的功率密度，但是在激光转换为电能的同时会带来热效应，故如图2所示，在太阳能电池板1背面设置有散热片18，将太阳能未转换的激光产生的热导出。散热片需要紧贴太阳能电池，并通过特殊结构设计确保系统的散热。此外驱动电路15还包括电压滤波整形和稳压电路，满足对电源稳定性的要求。
地面发射接收单元可设置在移动机构23上或采用车载式，当需要对某台高空的高压设备进行性能监测时，将地面发射接收单元通过小车拉至设备下方，激光器输出激光，远端测量系统供电的同时，传感头有光源输入，实现被测量设备的内部参数测量，然后将测量结果经过无线传输的方式传至车载式地面发射接收单元，测量完毕后，移动至下一个目标点。
图4给出了采用光纤传感器进行设备内部变压器油面高度检测的实例，图中输入光纤接口33和输出光纤接口35分别设置在油箱30的两只对应的透明窗口31处，输入光纤接口33通过光纤32联接至光纤合束器10，输出光纤接口35通过光纤32联接至探测器7，入射激光耦合至光纤合束器10后，经过输入光纤接口33入射至输出光纤接口35，再经光纤32耦合至探测器。当油面高度从光纤接口以上位置下降至光纤接口以下位置时，由于介质油34对光信号的衰减吸收会引起探测器信号从无到有的变化，实现油面高度的报警。
本发明的多参数测量系统实现了高压输电线网和脉冲功率设备若干参数的远程监测，满足了上述特殊环境及工作条件的需要。

Claims (4)

1.基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，其特征在于：包括远程测量单元和地面发射接收单元；
所述的远程测量单元包括设置在远端的太阳能电池板(1)、聚焦透镜(2)、输入光纤束(5)、输出光纤束(6)、传感头(3)、光电探测器(7)、驱动电路(15)和无线发射单元(9)；所述的传感头(3)设置在被监测设备(4)的内部，光电探测器(7)、驱动电路和无线发射单元(9)设置在远程测量机箱(8)中，太阳能电池板(1)设置在远程测量机箱(8)的一个外表面上，聚焦透镜(2)安装在太阳能电池板(1)中心的位置；在远程测量机箱(8)的内部设置有与聚焦透镜(2)位置相匹配的光纤合束器(10)；输入光纤束(5)联接在光纤合束器(10)与传感头(3)之间，输出光纤束(6)联接在传感头(3)与光电探测器(7)之间，驱动电路(15)分别与光电探测器(7)和无线发射单元(9)电联接；
所述的地面发射接收单元包括激光器(21)、控制电路(22)和无线接收单元(24)，所述的激光器(21)垂直太阳能电池板(1)入射，控制电路(22)控制无线接收单元(24)接收无线发射单元(9)发射的测量数据。
2.根据权利要求1所述的基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，其特征在于：所述的地面发射接收单元设置在移动机构(23)上。
3.根据权利要求1所述的基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，其特征在于：所述的太阳能电池板(1)背面设置有散热片(18)。
4.根据权利要求1所述的基于远程供电及无线数据传输的多参数测量系统，其特征在于：所述无线发射单元(9)和无线接收单元(24)包括Zigbee发射接收模块及外围器件。
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