CN1865876A - 光纤光栅传感器及具有该传感器的光纤光栅检测装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅测温装置，属于光纤传感技术领域，尤其是用于高压电力系统监测温度的光纤光栅传感器及具有该传感器的测温装置。它包括光纤光栅传感器，其中，一光耦合器或光环形器，其第一分路端口通过光纤与宽带光源连接；第二分路端口通过光纤连接标准光纤光栅；标准光纤光栅与一1×n的光开关的公共端连接，该光开关的分路端口接通各个测量通道，每个测量通道设置一传感器组，光耦合器或光环形器的第三分路端口通过光纤与解调器相连；该解调器的输出端与信号处理单元连接；该信号处理单元具有与负责控制、采集、显示和储存的专用计算机单元连接的输出端。

Description

光纤光栅传感器及具有该传感器的光纤光栅检测装置

                        技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其是用于高压电力系统监测温度的光纤光栅传感器及具有该传感器的测温装置。

                        背景技术

处于高压工作状态的电力系统，如变、配电站或供电、发电系统等，受多种因素的影响，诸如设备之电缆线的摆动、电气设备的工频振动、设备在潮湿的环境条件下工作、以及施工或检修工艺缺陷和空气氧化作用下，所述设备之高压主回路中，设备接头的接触电阻会逐渐变大，因而接头表面随之发热，使接触电阻逐步增加，造成接头温度升高的恶性循环，如不能及时监测到设备接头的温度变化，运行设备火灾或接地短路事故，就在所难免。

在习知的监测技术中，传统的电类传感器在电力系统中，易受环境湿度和电磁干扰，也因其是有源器件，在易燃易爆的恶劣环境下无法使用。因此，业界不断发明新的测量技术来解决高压电力系统温度测量困难的问题，如红外测量、无线测量、光纤温度检测系统和光纤光栅温度检测系统。红外测量价格昂贵而且只能单点测量。光纤测温属于光强监测，易受光源起伏，器件老化和光纤弯曲等因素影响测量精度，而且设备很贵，较为先进的是光纤光栅传感器。

光纤光栅传感器属于波长编码，不受光源起伏、器件老化、光纤弯曲等影响，因此具有非常高的可靠性和精度。

习知的光纤光栅检测技术如：

中国专利CN03229855.2公开了一种温度调谐光纤光栅传感解调器，其特点它是将光纤光栅固定在一微型电阻加热器上，该微型电阻加热器的两端由一对引线与一调制电源相连构成。

中国专利CN03229854.4一种应变调谐光纤光栅传感解调器，其特点在于它的构成是：含有光纤光栅的光纤段，该光纤段的两端分别由两个光纤夹持器固定在一机壳上，一可带动光纤段作横向振动的振动器也固定在该机壳上。

中国专利申请CN200410020745.0公开了一种光纤光栅波长解调方法。其特征为采用宽带光源，成对使用串联在一起的光纤光栅，一个作为参考光栅，另一个作为测量光栅，两个光纤光栅的中心反射波长差小于反射带宽的一半，当两个光纤光栅的中心反射波长差发生变化时，返回光功率会发生变化，通过对这一对光纤光栅返回功率的测量，即可得到测量光栅中心反射波长相对参考光纤光栅中心反射波长的变化，从而实现波长解调，把光纤光栅对的中心反射波长差设为单个光纤光栅的反射带宽的1/4，可获得较好的线性。

中国专利CN200420028699.4公开了一种多通道光纤光栅传感装置，该装置包括由宽带光源，三端光环形器，至少两个FBG传感器，光纤耦合器，波长解调器及光电探测器组成的多通道光纤光栅传感装置，其特征在于，波长解调器采用密集波分解复用器，它的输入端与光纤耦合器的一个输出端相连，密集波分解复用器内至少设有两个波长通道，波长通道个数与FBG传感器个数相匹配，密集波分解复用器的输出端连接至少两个光电探测器，输出端连接的光电探测器的个数与FBG传感器个数相匹配。

该种调谐技术成本较高，系统比较复杂。

还有美国专利文献公开了US 5,729,347“基于线性边带滤波器法”；US5,882,049“基于波长相关的耦合方法”；US6,335,53“利用啁啾光栅的方法”。习知的光纤光栅解调技术普遍存在调谐范围小，分辨率低的问题，尚不能满足更大容量多点检测的需要。

                          发明内容

本发明所要解决的问题在于克服前述技术存在的上述缺陷，而提供一种光纤光栅传感器及具有该传感器的光纤光栅测温装置。

本发明的首要目的是提供一种光纤光栅测温装置；

本发明再一目的是提供一种该光纤光栅测温装置中的传感器；

本发明的又一目的是提供一种该光纤光栅传感器中的光纤绝缘子。

本发明光纤测温装置解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种光纤光栅测温装置，包括光纤光栅传感器，其中，

一光耦合器或光环形器，其第一分路端口通过光纤与宽带光源连接；第二分路端口通过光纤连接标准光纤光栅；

标准光纤光栅与一1×n的光开关的公共端连接，该光开关的分路端口接通各个测量通道，每个测量通道设置一传感器组，

所述的光耦合器或光环形器的第三分路端口通过光纤与解调器相连；该解调器的输出端与信号处理单元连接；该信号处理单元具有与负责控制、采集、显示和储存的专用计算机单元连接的输出端。

本发明光纤光栅测温装置解决其技术问题还可以采取以下技术方案进一步实现：

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的传感器组由按预设波长编码布设1-n个相串联的具有不同中心波长的光纤光栅传感器组成；所述的传感器组可以是1-n组。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的宽带光源是3dB带宽为40nm中心波长为1550nm的C波段宽带光源；或3dB带宽为80nm中心波长为1570nm的C+L波段宽带光源。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的解调装置具有由电场控制的可调滤波器芯片。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的标准光纤光栅是用温度补偿后的、封装的布拉格光纤光栅；所述的光纤光栅传感器具有光纤绝缘子。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的光纤绝缘子由相互串接的光纤绝缘子单元构成，该光纤绝缘子单元具有略成锥度的盘形部，沿该盘形部锥度表面的顶角部伸设穿装光纤的茎部。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的光纤光栅传感器的光纤绝缘子一端装置温度传感头，另一端通过光纤连接头与光纤连接，光纤绝缘子上装置光缆。所述的光纤绝缘子单元为憎水性橡胶材料一体压制成型或所述的光纤绝缘子单元具有憎水涂层。

前述的光纤光栅测温装置，其中，所述的温度传感头本体具有容置光纤的流线型凹槽，该凹槽的一端留有一共光纤合并引出的出线槽口；所述的凹槽为U型槽；温度传感头本体具有一与被测物接触的测物平面；光纤绕流线型凹槽嵌置两引出头合并一处，借由出线槽口引出，光纤上穿过光纤绝缘子，光纤的端部与光纤连接头连接。

本发明测温装置中的光纤光栅传感器解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种光纤光栅测温装置的光纤光栅传感器，包括温度传感头，其中，所述的温度传感头本体具有容置光纤的流线型凹槽，该凹槽的一端留有一共光纤合并引出的出线槽口；所述的凹槽为U型槽；温度传感头本体具有一与被测物接触的测物平面；光纤绕流线型凹槽嵌置两引出头合并一处，借由出线槽口引出，光纤上穿过光纤绝缘子，光纤的端部与光纤连接头连接。

本发明光纤光栅传感器中的光纤绝缘子解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明一种光纤光栅传感器的光纤绝缘子，其中，所述的光纤绝缘子由相互串接的光纤绝缘子单元构成，该光纤绝缘子单元具有略成锥度的盘形部，沿该盘形部锥度表面的顶角部伸设穿装光纤的茎部，盘形部的圆周边缘具有凸沿。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。

由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点：本发明配置的光纤绝缘子，很好的解决了高压爬电问题，大大提高了使用工频电压；

本发明所述解调装置设置由电场控制可调滤波器芯片，提高了解调范围和解调速度，同时解决了磁滞和温度不稳定的问题，因此提高了测量可靠性。

本发明配置1×n光开关，可构成多点多通道大容量的安全检测系统。

本发明方便与习知的声、光预警和报警装置配置，满足客户的不同要求。

本发明标准光纤光栅的配置，使检测装置具有自校正功能。

本发明之光纤光栅传感器设置符合电气设备接头形状的封装构造，是检测装置不受光源起伏，器件老化，光纤弯曲等影响，可有效提高检测精度。

本发明利用光纤光栅的不同中心波长，配置完整的控制系统，可以多个变电站形成网络集中监测，每一个温度变化都知道其具体位置和地点和精确时间，便于有目的维修。本发明与现有技术相比具有显著的技术进步，堪称具有新颖性、创造性、实用性的好技术。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

                         附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是本发明中光纤光栅传感器一实施例结构示意图；

图2a是本发明中光纤光栅传感器又一实施例结构示意图；

图3是本发明光纤光栅传感器中光纤绝缘子单元结构示意图；

图4是本发明中布喇格光纤光栅基本结构示意图；

图5是本发明中布喇格光纤光栅透射谱；

图6是本发明与专用计算机单元结合形成检测系统简图。

                        具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1-6所示一种大容量光纤光栅测温装置，其中，

一光耦合器或光环形器3，其第一分路端口通过光纤10与宽带光源1连接；其第二分路端口c通过光纤连接标准光纤光栅5；

标准光纤光栅5与一1×n的光开关2的公共端连接，该光开关2的分路端口接通各个测量通道，每个测量通道设置一传感器组An，该传感器组An由按预设波长编码布设1-n个相串联的具有不同中心波长的光纤光栅传感器4组成；从而，当监测到某一反射波长的改变，就可以知道出现问题触点的位置，进行局部维修，这样可有效的减少维修时间和费用；

所述的传感器组可以是1-n组；由此可实现多点多通道检测的技术目的。所述的光耦合器或光环形器3的第三分路端口b通过光纤10与解调器6相连；解调器的输出端与信号处理单元8连接；该信号处理单元8具有与负责控制、采集、显示和储存的专用计算机单元9连接的输出端；本装置连接专用计算机单元，计算机单元与习知的声光报警装置配置，即可实现预警报警。

根据所需测量触点的数量多少，所述的宽带光源1是3dB带宽为40nm中心波长为1550nm的C波段宽带光源；或3dB带宽为80nm中心波长为1570nm的C+L波段宽带光源；

所述的标准光纤光栅5是用温度补偿后的布拉格光纤光栅；

所述的标准光纤光栅5是封装的布拉格光纤光栅；所述的封装结构包括但不限于已公开的本公司专利03202546.7封装装置，经过这种封装后的标准光纤光栅5随外界温度变化使测量精度的误差在行业标准允许的范围内。所述的光纤光栅传感器4具有光纤绝缘子41；

所述的光纤绝缘子41由根据被测物高压等级匹配的数个相互串接的喇叭状光纤绝缘子单元410构成，具有略成锥度的盘形部4101，光纤绝缘子单元的盘形部的锥度表面可有效的避免尘埃附着，沿该盘形部锥度表面的顶角部伸设穿装光纤的茎部4102，盘形部的圆周边缘具有凸沿4103，以提高光纤绝缘子的耐磨损性和绝缘能力。

所述的光纤光栅传感器4包括温度传感头42，其中，一光纤绝缘子41一端装置温度传感头42，另一端通过光纤连接头与光纤连接，光纤绝缘子41上装置光缆43、44；

所述的光纤光栅传感器可以是，包括温度传感头，其中，温度传感头本体421具有容置光纤的流线型凹槽422，该凹槽的一端留有一共光纤合并引出的出线槽口423；所述的凹槽为U型槽；温度传感头本体具有一与被测物接触的测物平面424；光纤绕流线型凹槽嵌置两引出头合并一处，借由出线槽口423引出，光纤上穿过光纤绝缘子41，光纤的端部与光纤连接头连接；所述的光纤绝缘子单元410为憎水性橡胶材料一体压制成型或所述的光纤绝缘子单元410具有憎水涂层。

所述光纤光栅传感器4配置前述光纤绝缘子可有效提高憎水性强和耐电性能，具有该光纤光栅传感器的检测装置在自然污秽条件和雾天潮湿情况下，可更明显提高光纤的耐工频电压、操作过电压、雷电过电压的水平，能有效解决光栅光纤测温系统在恶劣天气和环境运行中的安全问题。本案所述解调装置设置由电场控制的可调滤波器片(MEMS)，提高了解调范围和解调速度，同时解决了磁滞和温度不稳定的问题，因此提高了测量可靠性。因该可调滤波器芯片由电场控制，在电场作用下运动，因而它没有压电陶瓷的磁滞现象，反应速度快，精确度高。

技术原理  光纤光栅传感器主要用Bragg光纤光栅，Bragg光纤光栅基本结构如图1所示，纤芯中的条纹代表折射率的周期性变化。根据入射光，反射光，透射光和与之相关的能量和动量守恒定律，得到Bragg的反射波长的变化，反射波长的变化与光纤轴向应变的关系，可以构成很多物理量(如，压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等)的函数关系，布喇格光纤光栅具有非常优良性能，反射率高，带宽窄可小于0.2nm。

这种折射率周期变化的Bragg光纤光栅满足相位匹配条件时，入射光将被反射，峰值反射波长：

               λ_B＝2n_effΛ               (1)

式中：λB为Bragg波长(即光栅的反射波长)；Λ为光栅周期；n_eff为光纤材料的有效折射率。图2为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。

式n_eff，Λ(1)中，是温度T和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量可以写成：

Δλ/λB＝(α+ξ)ΔT+(1-Pe)ε             (2)

其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值α＝0.55×10-6，ξ＝8.3×10-6，即温度灵敏度大约是0.0136nm/℃，(λ为1550nm)；Pe是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209nm/με。因此，利用上述关系式测量波长的变化量就可以测出温度和应变。应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以(2)式是光栅传感的基本方程。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1、一种光纤光栅测温装置，包括光纤光栅传感器，其特征在于，

一光耦合器或光环形器(3)，其第一分路端口(a)通过光纤(10)与宽带光源(1)连接；其第二分路端口(c)通过光纤连接标准光纤光栅(5)；

标准光纤光栅(5)与一1×n的光开关(2)的公共端连接，该光开关(2)的分路端口接通各个测量通道，每个测量通道设置一传感器组(An)，

所述的光耦合器或光环形器(3)的第三分路端口(b)通过光纤(10)与解调器(6)相连；该解调器的输出端与信号处理单元(8)连接；该信号处理单元具有与负责控制、采集、显示和储存的专用计算机单元(90连接的输出端。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的传感器组(An)由按预设波长编码布设1-n个相串联的具有不同中心波长的光纤光栅传感器(4)组成；所述的传感器组可以是1-n组。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的宽带光源(1)是3dB带宽为40nm中心波长为1550nm的C波段宽带光源；或3dB带宽为80nm中心波长为1570nm的C+L波段宽带光源。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的解调装置具有由电场控制的可调滤波器芯片。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的标准光纤光栅(5)是用温度补偿后的、封装的布拉格光纤光栅；所述的光纤光栅传感器(4)具有光纤绝缘子(41)。

6.根据权利要求5所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的光纤绝缘子(41)由相互串接的光纤绝缘子单元(410)构成，该光纤绝缘子单元具有略成锥度的盘形部(4101)，沿该盘形部锥度表面的顶角部伸设穿装光纤的茎部(4102)。

7.根据权利要求6所述光纤光栅测温装置，所述的光纤光栅传感器的光纤绝缘子(41)一端装置温度传感头(42)，另一端通过光纤连接头与光纤连接，光纤绝缘子上装置光缆(43、44)；所述的光纤绝缘子单元(410)为憎水性橡胶材料一体压制成型或所述的光纤绝缘子单元(410)具有憎水涂层。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅测温装置，其特征在于，所述的温度传感头本体(421)具有容置光纤的流线型凹槽(422)，该凹槽的一端留有一共光纤合并引出的出线槽口(423)；所述的凹槽为U型槽；温度传感头本体具有一与被测物接触的测物平面(424)；光纤绕流线型凹槽嵌置两引出头合并一处，借由出线槽口引出，光纤上穿过光纤绝缘子(41)，光纤的端部与光纤连接头连接。

9.一种光纤光栅测温装置的光纤光栅传感器，包括温度传感头，其特征在于，所述的温度传感头本体(421)具有容置光纤的流线型凹槽(422)，该凹槽的一端留有一共光纤合并引出的出线槽口(423)；所述的凹槽为U型槽；温度传感头本体具有一与被测物接触的测物平面(424)；光纤绕流线型凹槽嵌置两引出头合并一处，借由出线槽口引出，光纤上穿过光纤绝缘子(41)，光纤的端部与光纤连接头连接。

10.一种光纤光栅传感器的光纤绝缘子，其特征在于，所述的光纤绝缘子41由相互串接的光纤绝缘子单元(410)构成，该光纤绝缘子单元(410)具有略成锥度的盘形部(4101)，沿该盘形部锥度表面的顶角部伸设穿装光纤的茎部(4102)，盘形部的圆周边缘具有凸沿(4103)。

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