CN113607198A - 基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统 - Google Patents

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CN113607198A CN202110810333.0A CN202110810333A CN113607198A CN 113607198 A CN113607198 A CN 113607198A CN 202110810333 A CN202110810333 A CN 202110810333A CN 113607198 A CN113607198 A CN 113607198A
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陈保豪
田霖
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Guangdong South Electric Power Communication Co ltd
Shenzhen SDG Information Co Ltd
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Abstract

本发明公开了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统,一种电力光缆保护方法,所述方法包括在规划的局域内,选定一根待保护电力光缆,并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒;在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个传感器共同形成实时监测组网;若干个传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接,实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后,传输给远程终端;远程终端实时显示传感器在光缆接头盒内监测的数据信息,该方法从根本上解决了因光缆接头盒长期使用后,密封不良,导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部,造成光纤断裂或者光纤损耗进一步增大,从而严重威胁光缆线路的运行安全的问题。

Description

基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种电力光缆保护方法,具体为基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。
背景技术
在电力光缆运行过程中,屡次出现电力光缆通信损耗增大,影响线路通信质量的情况,严重威胁到电力光缆的正常寿命。经查,主要原因是现有电力光缆接头盒存在着密封不良的情况,导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部,而光纤一旦遇水或者潮气会产生氢损,导致光纤损害增大。更有甚者,光纤如果长期浸水,其表面会受到损伤从而产生裂纹,使得光纤断裂或者光纤损耗进一步增大,严重威胁光缆线路的运行安全。
为此,本领域的技术人员提出了一种基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统,解决了现有电力光缆接头盒存在着密封不良的情况,导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部,而光纤一旦遇水或者潮气会产生氢损,导致光纤损害增大。更有甚者,光纤如果长期浸水,其表面会受到损伤从而产生裂纹,使得光纤断裂或者光纤损耗进一步增大,严重威胁光缆线路的运行安全的问题。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
第一方面,本发明提出了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,包括如下步骤:
在规划的局域内,选定一根待保护电力光缆,并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒;
在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网;
若干个所述传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接,所述实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后,传输给远程终端;
所述远程终端通过内置软件,实时显示所述传感器在所述光缆接头盒内监测的数据信息。
进一步的,所述光缆接头盒包括以及固定连接在上方,且尺寸相适配的,在所述的底端固定连接有,在所述的内部固定安装有,在所述和的内部共同贯穿一根,所述途经的内部,在所述和之间的边缘处分别开设有和,所述和连通,所述和之间设置有,若干组所述传感器均通过所述中的一根光纤芯形成通讯连接结构。
进一步的,在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网的步骤之后,还包括:
所述光缆接头盒中,温度、湿度的变化,会促使FBG的布拉格反射波长
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
发生漂移,且变化量分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
,从而计算出温度、湿度变化值,并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿。
进一步的,所述传感器为光纤光栅传感器,所述光纤光栅传感器包括“T”字形结构的,在所述的外部涂覆一层,且在的内部设有一,在所述中设有用于对温度、湿度敏感的以及仅对温度敏感的,所述的涂覆层为,所述为改性聚酰亚胺湿敏薄膜,所述和串联在一起。
进一步的,利用所述变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
,计算出温度、湿度变化值的公式如下:
根据耦合模理论,FBG反射波长
Figure DEST_PATH_IMAGE010
满足下式:
Figure DEST_PATH_IMAGE012
(1)
式中,
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为FBG的有效折射率;
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为FBG
Figure DEST_PATH_IMAGE018
的光栅周期;等式右边的第一项为由相对湿度变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
引起的弹光效应和温度变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE022
引起的热光效应共同作用的结果;第二项为
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
进一步的,由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束,
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
引起FBG1的轴向应变
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为自由状态下的轴向应变与约束应变之差,由弹性理论可得:
Figure DEST_PATH_IMAGE026
(2)
Figure DEST_PATH_IMAGE028
(3)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE034
分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量;
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure DEST_PATH_IMAGE038
分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径;考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应,FBG1的反射波长的相对变化量可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE040
Figure DEST_PATH_IMAGE042
(4)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE046
分别为光纤有效弹光系数和热光系数;
Figure DEST_PATH_IMAGE048
分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数;
Figure DEST_PATH_IMAGE050
Figure DEST_PATH_IMAGE052
分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数;
对于FBG2,由于
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE056
,故:
Figure DEST_PATH_IMAGE058
(5)
求解式(4)与式(5),即可获得相对湿度变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
和温度变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
第二方面,本发明提出了一种系统,所述系统用于所述基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,包括:
传感器,设置有若干,用于实时监测光缆接头盒内的湿度数据,并利用光信号对湿度数据进行传输;
分析装置,与若干个所述传感器通讯连接,采集每个所述传感器传输的光信号,并将光信号转换为湿度信号;
工控主机,对所述分析装置采集的湿度信号进行实时处理。
进一步的,所述传感器为光纤光栅湿度传感器,所述分析装置为光纤光栅网络分析仪,所述工控主机为监控计算机。
有益效果
本发明提供了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。与现有技术相比具备以下有益效果:
基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,通过在每一个光缆接头盒中安装一个传感器,若干个传感器通过光纤通讯形成监测组网,并实时传输给分析装置,分析装置将光信号转化成电信号,再传递给远程终端,远程终端接收数据信息后,进行分析、处理和显示,该方法从根本上解决了因光缆接头盒长期使用后,密封不良,导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部,造成光纤断裂或者光纤损耗进一步增大,从而严重威胁光缆线路的运行安全的问题。
相应地,本发明提供的一种基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测系统,也同样具有上述技术效果。
附图说明
图1为本发明监测方法的流程框图;
图2为本发明光缆接头盒的结构示意图;
图3为本发明传感器的结构示意图;
图4为本发明监测系统的结构示意图;
图5为本发明设备状态显示界面图;
图6为本发明传感器温度状态显示界面图;
图7为本发明传感器实时数据追踪界面图;
图8为本发明历史记录查询界面图;
图9为本发明设备管理功能界面图;
图10为本发明传感器管理功能界面图;
图11为本发明用户管理功能界面图。
图中:101、盒体;102、盒盖;103、固定支架;104、光单元接续盘;105、光缆;106、防蚁胶注入孔;107、防蚁胶槽;108、密封垫;201、载体;202、PI涂覆层;203、包层;204、光纤布拉格光栅FBG1;205、光纤布拉格光栅FBG2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明实施例提供一种技术方案:基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,包括如下步骤:
S1、在规划的局域内,选定一根待保护电力光缆,并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒;
S2、在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个传感器共同形成实时监测组网;
S3、光缆接头盒中,温度、湿度的变化,会促使FBG的布拉格反射波长
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
发生漂移,且变化量分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
,从而计算出温度、湿度变化值,并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿;
利用变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
,计算出温度、湿度变化值的公式如下:
根据耦合模理论,FBG反射波长
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
=1,2满足下式:
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
(1)
式中,
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
为FBG的有效折射率;
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
=1, 2为FBG
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
的光栅周期;等式右边的第一项为由相对湿度变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAA
引起的弹光效应和温度变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
引起的热光效应共同作用的结果;第二项为
Figure DEST_PATH_IMAGE020_5A
和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
更进一步的,由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束,
Figure DEST_PATH_IMAGE020_6A
引起FBG1的轴向应变
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
为自由状态下的轴向应变与约束应变之差,由弹性理论可得:
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
(2)
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
(3)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量;
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径;考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应,FBG1的反射波长的相对变化量可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
(4)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
分别为光纤有效弹光系数和热光系数;
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数;
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数;
对于FBG2,由于
Figure DEST_PATH_IMAGE054A
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
,故:
Figure DEST_PATH_IMAGE058A
(5)
求解式(4)与式(5),即可获得相对湿度变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE020_7A
和温度变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
S4、若干个传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接,实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后,传输给远程终端;
S5、远程终端通过内置软件,实时显示传感器在光缆接头盒内监测的数据信息。
请参阅图2,光缆接头盒包括101以及固定连接在101上方,且尺寸相适配的102,在101的底端固定连接有103,在101的内部固定安装有104,在101和102的内部共同贯穿一根105,105途经104的内部,在101和102之间的边缘处分别开设有106和107,106和107连通,101和102之间设置有108,若干组传感器均通过105中的一根光纤芯形成通讯连接结构。
请参阅图3,传感器为光纤光栅传感器,光纤光栅传感器包括“T”字形结构的201,在201的外部涂覆一层202,且在201的内部设有一203,在203中设有用于对温度、湿度敏感的204以及仅对温度敏感的205,204的涂覆层为202,202为改性聚酰亚胺湿敏薄膜,204和205串联在一起。
请参阅图4,本发明实施例还提供了一种系统,该系统用于上述基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,包括:
传感器3,设置有若干,用于实时监测光缆接头盒内的湿度数据,并利用光信号对湿度数据进行传输;
分析装置4,与若干个传感器3通讯连接,采集每个传感器3传输的光信号,并将光信号转换为湿度信号;
工控主机5,对分析装置4采集的湿度信号进行实时处理。
其中,传感器3为光纤光栅湿度传感器,分析装置4为光纤光栅网络分析仪,工控主机5为监控计算机。
另外,上述系统还涉及软件部分,软件内置安装在工控主机5中,软件的功能界面请参阅图5-11,该套系统搭配软件使用后,软解功能包括:
1、设备状态显示,主要包括设备数量、在线数量、温度传感器数量以及湿度传感器数量;
2、传感器温湿度状态显示,主要包括通道号、实时波长以及物理值;
3、传感器实时数据追踪,可以直观查看温湿度实时变化;
4、历史记录查询,可以查询传感器的历史温湿度值;
5、设备管理功能,可随着业务量上升随时增加设备;
6、传感器管理功能,可随着业务量上升随时配置新传感器;
7、用户管理功能,可对操作用户分配不同的权限。
通过上述软件功能,可以让用户更加快速且有效的通过传感器来实时监测光缆接头盒的内部情况,实时获取数据信息,以便于及时解决,避免造成损失和危害。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,包括如下步骤:
在规划的局域内,选定一根待保护电力光缆,并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒;
在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网;
若干个所述传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接,所述实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后,传输给远程终端;
所述远程终端通过内置软件,实时显示所述传感器在所述光缆接头盒内监测的数据信息。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,所述光缆接头盒包括(101)以及固定连接在(101)上方,且尺寸相适配的(102),在所述(101)的底端固定连接有(103),在所述(101)的内部固定安装有(104),在所述(101)和(102)的内部共同贯穿一根(105),所述(105)途经(104)的内部,在所述(101)和(102)之间的边缘处分别开设有(106)和(107),所述(106)和(107)连通,所述(101)和(102)之间设置有(108),若干组所述传感器均通过所述(105)中的一根光纤芯形成通讯连接结构。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网的步骤之后,还包括:
所述光缆接头盒中,温度、湿度的变化,会促使FBG的布拉格反射波长
Figure 311764DEST_PATH_IMAGE002
Figure 635429DEST_PATH_IMAGE004
发生漂移,且变化量分别为
Figure 290532DEST_PATH_IMAGE006
Figure 561108DEST_PATH_IMAGE008
,从而计算出温度、湿度变化值,并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,所述传感器为光纤光栅传感器,所述光纤光栅传感器包括“T”字形结构的(201),在所述(201)的外部涂覆一层(202),且在(201)的内部设有一(203),在所述(203)中设有用于对温度、湿度敏感的(204)以及仅对温度敏感的(205),所述(204)的涂覆层为(202),所述(202)为改性聚酰亚胺湿敏薄膜,所述(204)和(205)串联在一起。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,利用所述变化量
Figure 267158DEST_PATH_IMAGE006
Figure 948675DEST_PATH_IMAGE008
,计算出温度、湿度变化值的公式如下:
根据耦合模理论,FBG反射波长
Figure 91075DEST_PATH_IMAGE010
Figure 899762DEST_PATH_IMAGE012
=1,2)满足下式:
Figure 178427DEST_PATH_IMAGE014
(1)
式中,
Figure 805016DEST_PATH_IMAGE016
为FBG的有效折射率;
Figure 169132DEST_PATH_IMAGE018
Figure 984772DEST_PATH_IMAGE012
=1, 2)为FBG
Figure 367212DEST_PATH_IMAGE012
的光栅周期;等式右边的第一项为由相对湿度变化量
Figure 406844DEST_PATH_IMAGE020
引起的弹光效应和温度变化量
Figure 992677DEST_PATH_IMAGE022
引起的热光效应共同作用的结果;第二项为
Figure 143167DEST_PATH_IMAGE020
和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,其特征在于,由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束,
Figure 396424DEST_PATH_IMAGE020
引起FBG1的轴向应变
Figure 75799DEST_PATH_IMAGE024
为自由状态下的轴向应变与约束应变之差,由弹性理论可得:
Figure 398196DEST_PATH_IMAGE026
(2)
Figure 86797DEST_PATH_IMAGE028
(3)
式中
Figure 194561DEST_PATH_IMAGE030
Figure 841575DEST_PATH_IMAGE032
Figure 402000DEST_PATH_IMAGE034
分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量;
Figure 363134DEST_PATH_IMAGE036
Figure 590984DEST_PATH_IMAGE038
分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径;考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应,FBG1的反射波长的相对变化量可表示为:
Figure 674478DEST_PATH_IMAGE040
Figure 456620DEST_PATH_IMAGE042
(4)
式中
Figure 18183DEST_PATH_IMAGE044
Figure 366118DEST_PATH_IMAGE046
分别为光纤有效弹光系数和热光系数;
Figure 354934DEST_PATH_IMAGE048
分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数;
Figure 889952DEST_PATH_IMAGE050
Figure 989626DEST_PATH_IMAGE052
分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数;
对于FBG2,由于
Figure 910177DEST_PATH_IMAGE054
Figure 86206DEST_PATH_IMAGE056
,故:
Figure 374099DEST_PATH_IMAGE058
(5)
求解式(4)与式(5),即可获得相对湿度变化值
Figure 277464DEST_PATH_IMAGE020
和温度变化值
Figure 318101DEST_PATH_IMAGE022
7.一种系统,其特征在于,所述系统用于所述权利要求1-6任意一项基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法,包括:
传感器(3),设置有若干,用于实时监测光缆接头盒内的湿度数据,并利用光信号对湿度数据进行传输;
分析装置(4),与若干个所述传感器(3)通讯连接,采集每个所述传感器(3)传输的光信号,并将光信号转换为湿度信号;
工控主机(5),对所述分析装置(4)采集的湿度信号进行实时处理。
8.根据权利要求7所述的基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测系统,其特征在于,所述传感器(3)为光纤光栅湿度传感器,所述分析装置(4)为光纤光栅网络分析仪,所述工控主机(5)为监控计算机。
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