CN110567609B

CN110567609B - 用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法

Info

Publication number: CN110567609B
Application number: CN201911000845.XA
Authority: CN
Inventors: 党随虎; 夏良平; 张万里; 杜得荣; 张满
Original assignee: Yangtze Normal University
Current assignee: Yangtze Normal University
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN110567609A

Abstract

本发明涉及光纤测温技术领域，具体涉及用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，包括：获取带温度信息反射光信号；对所述带温度信息反射光信号进行分光处理；对参照光信号进行转换处理和放大处理，得到对应的参照电压信号；分别对两束测量光信号进行边缘滤波处理得到对应低温段或高温段的测量光滤波信号，再进行转换处理和放大处理，得到对应的测量电压信号；根据参照电压信号和测量电压信号计算得到标准电压信号，并根据标准电压信号与测量温度的对应关系计算得到监测点的测量温度。本方案中的光纤光栅传感测温方法能够消除信号传输过程中的干扰信号，且能够兼顾测温范围和测温精度的，从而能够提升光纤光栅传感测温的准确性和测温效果。

Description

用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法

技术领域

本发明涉及光纤测温技术领域，具体涉及用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法。

背景技术

变压器绝缘老化是影响其寿命的因素之一，而变压器绕组的温度又直接影响了绝缘老化的速度，因此，对变压器绕组的温度进行实时测量和监测，在变压器绕组出现高温时采取合理的降温措施是延长变压器使用寿命的有效措施。对于变压器绕组温度的测量，最常采用光纤光栅传感技术完成，光纤光栅传感技术是近年来的一个研究热点，与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点。

公开号为CN106482862A的中国专利公开了一种光纤F-P温度传感器的解调方法及系统，首先光源发出的光经传输光纤和光纤耦合器进入F-P温度传感器，其反射信号经光纤耦合器进入F-P滤波器，此时数字信号处理器控制DA转换器产生周期性的电压信号驱动滤波器，实现对反射信号的扫描，之后反射信号进入光电探测器进行光电转换，再经过放大电路，AD转换器进入数字信号处理器进行处理，然后经无线收发器传输给计算机显示记录，获得温度参量。

上述现有方案中的解调方法也是一种测温方法，其通过宽带光源(光源)发出光信号，发出的光信号经过耦合器(光纤耦合器)进入光栅光纤传感器(F-P温度传感器)并反射；反射的光信号经过(F-P滤波器)滤波处理、光电转换处理和放大处理(放大电路)，得到标准电压信号；根据标准电压信号与测量温度(温度参量)的对应关系计算得到测量温度。

上述现有方案中，通过对反射光进行滤波处理、光电转换处理和放大处理得到用于描述测量温度的标准电压信号。而在实际测温过程中，若将测温范围设置得很大，那么测温量程就大，但相应的测温误差也会增大，导致测温精度降低；而为了保证测温精度，就需减小测温误差，就需要缩减测温量程，这又使得测温范围小，这使得难以兼顾测温精度和测温范围，导致测量温度的效果不好；此外，在实际测温过程中，光源和信号传输线会对信号产生干扰，使得发生光信号中存在干扰信号；而现有的测温方法中，将反射光信号转换为标准电压信号时未考虑这些干扰信号，而干扰信号会严重影响标准电压信号的准确性，也会影响测量温度的准确性，导致测量温度的准确性低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何一种能够消除信号传输过程中的干扰信号，且能够兼顾测温范围和测温精度的光纤光栅传感测温方法，以提升光纤光栅传感测温的准确性和测温效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，包括以下步骤：

S1：获取从监测点经光纤光栅传感器反射的带温度信息反射光信号；

S2：对所述带温度信息反射光信号进行分光处理，得到参照光信号和两束测量光信号；

S3：对参照光信号进行转换处理和放大处理，得到对应的参照电压信号；

S4：分别对两束测量光信号进行对应低温段和高温段的边缘滤波处理，得到对应低温段或高温段的测量光滤波信号；然后对测量光滤波信号进行转换处理和放大处理，得到对应的测量电压信号；

S5：根据参照电压信号和测量电压信号计算得到标准电压信号，并根据标准电压信号与测量温度的对应关系计算得到监测点的测量温度；

其中，所述标准电压信号的计算公式为：U＝U₂/U₁，式中，U为标准电压信号，U₁为参照电压信号，U₂为测量电压信号。

本方案中，首先获取经光纤光栅传感器反射的带温度信息反射光信号，然后对带温度信息反射光信号进行分光处理后得到参照光信号和两束测量光信号；并分别计算参照电压信号和测量电压信号，最后根据参照电压信号和测量电压信号的比值计算得到标准电压信号，并根据标准电压信号计算测量温度。

本方案分光得到了两束测量光信号，分别将两束测量光进行低温段边缘滤波处理和高温段边缘滤波处理，这样当监测点处于低温段时，第一滤波器有反射光信号通过，当监测点处于高温段时，第二滤波器有反射光信号通过，使得能够满足较大的测温范围，而低温段和高温段的滤波方式，在保证了一定测温精度的情况下，有效保证了测温范围，有利于提升测温的效果；此外，计算标准电压信号时利用测量电压信号除以参照电压信号的方法，使得测量电压信号中存在的干扰信号在相除的过程中与参照电压信号相抵消，解决了信号传输过程中的干扰问题，使得标准电压信号更准确，能够提升测量温度的准确性。因此，本方案中的光纤光栅传感测温方法能够消除信号传输过程中的干扰信号，且能够兼顾测温范围和测温精度的，从而能够提升光纤光栅传感测温的准确性和测温效果。

优选的，所述步骤S2中，所述分光处理是通过耦合器将带温度信息反射光信号分成参照光信号和两束测量光信号。

这样，采用耦合器作为分光装置，能够对光信号进行分光处理，以得到所需份数的光信号；此外，耦合器作为分光装置还具有工作稳定和成本低的优点。

优选的，所述步骤S3中，转换处理是对所述参照光信号进行光电转换处理后得到参照电流信号；放大处理是将所述参照电流信号输入到预设的放大电路进行放大处理后得到参照电压信号。

这样，首先对参照光信号进行光电转换后得到参照电流信号(电信号)，然后将参照电流信号输入到放大电路中进行放大处理后得到带有干扰信号的参照电压信号，这样的光电转换处理和放大处理能够得到较好的参照电压信号，有利于在计算过程中消除干扰信号，从而能够辅助提升光纤光栅传感测温的准确性。

优选的，所述步骤S4中，所述边缘滤波处理是将测量光信号通过高斯边缘滤波器进行边缘滤波处理；所述高斯边缘滤波器包括对应处理处于低温段测量光信号的第一滤波器，以及对应处理处于高温段测量光信号的第二滤波器，以得到对应低温段或高温段的测量光滤波信号。

这样，高斯边缘滤波器与单色仪、光谱仪或带有色散元件的CCD探测器相比，具有成本低、体积小稳定性高的优点；此外，高斯边缘滤波器具有工作稳定和滤波效果好的特点，使得对测量光信号进行边缘滤波处理后得到更好的测量光滤波信号，这有利于后续的计算，能够辅助提升光纤光栅传感测温的准确性。

优选的，所述低温段是指0～80℃；所述高温段是指80～160℃。

这样，实际测温过程中，低温段滤波器电路处理范围是0～80℃，高温段滤波器电路处理范围是80～160℃，这样分低温段和高温段测量的方式，在保证了一定测温精度的情况下，有效保证了测温范围，有利于提升测温的效果。

优选的，所述步骤S4中，转换处理是对低温段或高温段的测量光滤波信号进行光电转换处理后得到对应的测量电流信号；放大处理是将所述测量电流信号输入到预设的放大电路中进行放大处理后得到对应的测量电压信号。

这样，首先对低温段或高温段的测量光滤波信号进行光电转换后得到测量电流信号(电信号)，然后将测量电流信号输入到放大电路中进行放大处理后得到测量电压信号，这样的光电转换处理和放大处理能够得到较好的测量电压信号，有利于在计算过程中消除干扰信号，从而能够辅助提升光纤光栅传感测温的准确性。

优选的，所述步骤S1中，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅传感器本体和基座，所述基座具有能够安装光纤光栅传感器本体的安装腔；所述光纤光栅传感器本体固定安装于基座上，使得所述光纤光栅传感器本体的光纤光栅部分悬空且密封于基座的安装腔内，且所述光纤光栅传感器本体的野战光缆部分位于基座的安装腔外部。

在实际测温过程中，光纤光栅传感器要求处在变压器内部的高温、强电磁场且有强烈振动液体环境内长时间稳定工作，使得光纤光栅传感器不仅会受到温度的影响，而光纤光栅部分还很容易受到外力作用，这会导致光纤光栅传感器受到温度和应变的交叉敏感，从而受到被测对象的热膨胀和应力场影响，使得光纤光栅传感器的工作效果不好，导致光纤光栅传感测温的准确性受到影响。

本方案中，光纤光栅传感器的基座直接与被测物体接触，使得，光纤光栅传感器受到的外力由基座承受，而光纤光栅传感器本体悬空于基座的安装腔内，使得光纤光栅传感器本体有效避免了温度和应变的交叉敏感，从而不会受到被测对象的热膨胀和应力场影响，能够辅助提升光纤光栅传感测温的准确性。

优选的，所述基座为楔形的基座。

这样，楔形的基座更有利于将光纤光栅传感器卡接在绕组的间隙内，解决了光纤光栅传感器的固定问题；此外，楔形的基座还能够使得光纤光栅传感器与绕组充分接触，能够辅助提升光纤光栅传感测温的准确性。

优选的，所述基座为聚酰亚胺材料制成。

光纤光栅传感器要求处在变压器内部的高温、强电磁场且有强烈振动液体环境内长时间稳定工作。而聚酰亚胺具有良好的绝缘性、对温度的敏感性和导热性，聚酰亚胺制成的基座，在保护光纤光栅传感器的前提下，还不会影响光纤光栅传感器采集温度，能够同时兼顾提升光纤光栅传感测温的准确性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例一中光纤光栅传感测温方法的逻辑框图；

图2为实施例一中光纤光栅传感测温过程的逻辑框图；

图3为实施例二中光纤光栅传感器的侧剖结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：光纤光栅传感器本体 1、光纤光栅部分 11、野战光缆部分 12、基座 2、固定部 3。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一：

本实施例中公开了用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法。

如图1所示：用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，包括以下步骤：

S5：根据参照电压信号和测量电压信号计算得到标准电压信号，并根据标准电压信号与测量温度的对应关系计算得到监测点的测量温度。

具体实施过程中，步骤S2中的分光处理是通过耦合器将带温度信息反射光信号分成参照光信号和两束测量光信号。

具体实施过程中，步骤S3中，转换处理是对所述参照光信号进行光电转换处理后得到参照电流信号；放大处理是将所述参照电流信号输入到预设的放大电路进行放大处理后得到参照电压信号。

具体实施过程中，步骤S4中，边缘滤波处理是将测量光信号通过高斯边缘滤波器进行边缘滤波处理；所述高斯边缘滤波器包括对应处理处于低温段测量光信号的第一滤波器，以及对应处理处于高温段测量光信号的第二滤波器，以得到对应低温段或高温段的测量光滤波信号；本实施例中，低温段是指0～80℃；所述高温段是指80～160℃。

具体实施过程中，步骤S4中，转换处理是对低温段或高温段的测量光滤波信号进行光电转换处理后得到对应的测量电流信号；放大处理是将所述测量电流信号输入到预设的放大电路中进行放大处理后得到对应的测量电压信号。

具体实施过程中，步骤S5中，标准电压信号的计算公式为：U＝U₂/U₁，式中，U为标准电压信号，U₁为参照电压信号，U₂为测量电压信号。

本实施例中，光纤光栅传感测温的具体过程如图2所示：

1)由宽带光源发出光信号，光信号经过耦合器后，通过光开关间隔一定时间依次接通不同监测点的光纤光栅传感器，使光信号进入光栅光纤传感器形成带温度信息反射光信号；

2)带温度信息反射光信号通过耦合器进行分光，得到参照光信号，以及对应低温段(0～80℃)的第一测量光信号或对应高温段(80～160℃)的第二测量光信号；

3)参照光信号经过光电转换器后变成参照电流信号，参照电流信号经过放大电路放大后，得到参照电压信号；

4)第一测量光信号和第二测量光信号分别进入第一滤波器和第一滤波器：若带温度信息反射光信号为低温段信号，则第一滤波器通过第一测量光信号并对其进行边缘滤波得到低温段测量光滤波信号，然后对低温段测量光滤波信号进行光电转换处理和放大处理，得到测量电压信号；若带温度信息反射光信号为高温段信号，则第二滤波器通过第二测量光信号并对其进行边缘滤波得到高温段测量光滤波信号，然后对高温段测量光滤波信号进行光电转换处理和放大处理，得到测量电压信号；

5)对测量电压信号进行AD转换，得到对应的数字信号，并由计算处理单元计算监测点的测量温度，最后由温度显示器对测量温度进行显示；计算处理单元为可为现有的单片机。

首先根据U＝U₂/U₁计算对应波长变化的标准电压信号，式中，U为标准电压信号，U₁为参照电压信号，U₂为测量电压信号，然后通过标准电压信号与测量温度的对应关系计算得到监测点的测量温度。

实施例二：

本实施例公开了光纤光栅传感器的结构。

如图3所示：光纤光栅传感器包括光纤光栅传感器本体1和基座2。

光纤光栅传感器本体1包括光纤光栅部分11和野战光缆部分12。

基座2为楔形基座2，基座2的内部一体成型有沿基座2长度方向衍生的安装腔，所述安装腔能够安装光纤光栅传感器本体1。

光纤光栅传感器本体1通过固定部3固定于基座2安装腔内，使得光纤光栅传感器本体1的光纤光栅部分11悬空且密封于基座2的安装腔内，且光纤光栅传感器本体1的野战光缆部分12位于基座2的安装腔外部。

本实施例中，基座2为聚酰亚胺材料制成，固定部3为硅橡胶材料制成，光纤传感器通过硅橡胶材料粘接固定于基座2上。聚酰亚胺具有良好的绝缘性、对温度的敏感性和导热性；硅橡胶材料具有较好的粘合力，且热膨胀系数与基座2材料差别不大，适用于光纤光栅传感器的适用环境。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述分光处理是通过耦合器将带温度信息反射光信号分成参照光信号和两束测量光信号。

3.如权利要求1所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述步骤S3中，转换处理是对所述参照光信号进行光电转换处理后得到参照电流信号；放大处理是将所述参照电流信号输入到预设的放大电路进行放大处理后得到参照电压信号。

4.如权利要求1所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述边缘滤波处理是将测量光信号通过高斯边缘滤波器进行边缘滤波处理；所述高斯边缘滤波器包括对应处理处于低温段测量光信号的第一滤波器，以及对应处理处于高温段测量光信号的第二滤波器，以得到对应低温段或高温段的测量光滤波信号。

5.如权利要求4所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述低温段是指0～80℃；所述高温段是指80～160℃。

6.如权利要求4所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述步骤S4中，转换处理是对低温段或高温段的测量光滤波信号进行光电转换处理后得到对应的测量电流信号；放大处理是将所述测量电流信号输入到预设的放大电路中进行放大处理后得到对应的测量电压信号。

7.如权利要求1所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅传感器本体和基座，所述基座具有能够安装光纤光栅传感器本体的安装腔；所述光纤光栅传感器本体固定安装于基座上，使得所述光纤光栅传感器本体的光纤光栅部分悬空且密封于基座的安装腔内，且所述光纤光栅传感器本体的野战光缆部分位于基座的安装腔外部。

8.如权利要求7所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述基座为楔形的基座。

9.如权利要求7所述的用于变压器绕组的光纤光栅传感测温方法，其特征在于：所述基座为聚酰亚胺材料制成。