一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，包括激光器、測溫點定位系統(tǒng)、同步觸發(fā)器、波分復(fù)用器、雙通道APD探測器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、工控機和數(shù)據(jù)顯示器；激光器發(fā)出脈沖光信號通過波分復(fù)用器耦合到傳感光纖，傳感光纖中通過測溫點定位系統(tǒng)設(shè)置于待測溫度場，雙通道APD探測器放大電路連接，放大電路與數(shù)據(jù)采集卡連接，然后數(shù)據(jù)采集卡與將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C中，最后通過數(shù)據(jù)顯示器來顯示溫度測量結(jié)果。本發(fā)明采用拉曼散射原理通過分布式光纖光柵來測量電纜溫度，改善系統(tǒng)信噪比,提高了系統(tǒng)的測量精度。實現(xiàn)光纖沿線溫度的分布式測量,為分布式光纖測溫技術(shù)在電纜溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用提供了重要參考。
【專利說明】一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖溫度測量系統(tǒng)，特別涉及一種基于光纖光柵傳感的溫度測量 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 電力電纜在輸電線路中廣泛運用，但由于電纜在工作時會因過載等原因而發(fā)熱 升溫，使其絕緣性能劣化，進而發(fā)展成為絕緣擊穿乃至火災(zāi)，因此對其溫度進行在線監(jiān)測 具有重要意義。光纖與其他傳感器相比，具有抗電磁，耐高溫，對溫度、應(yīng)變等外界變化 敏感，且價格便宜等一系列優(yōu)勢，因此基于光纖傳感器技術(shù)的分布式光纖溫度測量技術(shù)得 到廣泛關(guān)注，經(jīng)過不斷發(fā)展完善已成為最具前途的溫度測量技術(shù)之一；目前分布式光纖溫 度測量系統(tǒng)還存在測量不夠精確和系統(tǒng)不能更好地適應(yīng)寬泛的工控現(xiàn)場環(huán)境。
[0003] 因此需要一種能夠精確測量電纜工作狀態(tài)時的溫度信號。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠精確測量電纜工作狀態(tài)時 的溫度信號。
[0005] 本發(fā)明的目的之一是提出一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)；本發(fā)明的目的 之二是提出一種基于光纖光柵傳感的溫度測量方法。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明提供的一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，包括激光器、測溫點定位 系統(tǒng)、同步觸發(fā)器、波分復(fù)用器、雙通道Aro探測器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、工控機和數(shù)據(jù) 顯示器；
[0008] 所述激光器發(fā)出脈沖光信號，同時通過所述同步觸發(fā)器發(fā)出同步信號驅(qū)動數(shù)據(jù)采 集卡進行工作，所述脈沖光信號經(jīng)波分復(fù)用器耦合到傳感光纖中，所述傳感光纖設(shè)置于待 測溫度場中，所述測溫點定位系統(tǒng)用于確定傳感光纖的設(shè)置位置，所述脈沖光信號經(jīng)過光 纖傳輸通道進入波分復(fù)用器耦合到接收通道，所述雙通道Aro探測器用于探測波分復(fù)用器 傳輸?shù)墓庑盘?，所述放大電路將雙通道Aro探測器輸出的光電信號進行放大處理后輸入到 數(shù)據(jù)采集卡中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所述數(shù)據(jù)采集卡與工控機連接，所述工控機與數(shù)據(jù)顯示器連 接用于顯示溫度測量結(jié)果。
[0009] 進一步，所述工控機設(shè)置有拉曼散射溫度解調(diào)模塊，所述拉曼散射溫度解調(diào)模塊 采用以下步驟獲取待測溫度場中實際溫度值：
[0010] Sl :按以下公式獲取整個光纖在T = TO時的TO反斯托克斯光功率曲線和TO斯托 克斯光功率曲線：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：包括激光器、測溫點定位系 統(tǒng)、同步觸發(fā)器、波分復(fù)用器、雙通道Aro探測器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、工控機和數(shù)據(jù)顯 示器； 所述激光器發(fā)出脈沖光信號，同時通過所述同步觸發(fā)器發(fā)出同步信號驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡 進行工作，所述脈沖光信號經(jīng)波分復(fù)用器耦合到傳感光纖中，所述傳感光纖設(shè)置于待測溫 度場中，所述測溫點定位系統(tǒng)用于確定傳感光纖的設(shè)置位置，所述脈沖光信號經(jīng)過光纖傳 輸通道進入波分復(fù)用器耦合到接收通道，所述雙通道Aro探測器用于探測波分復(fù)用器傳輸 的光信號，所述放大電路將雙通道Aro探測器輸出的光電信號進行放大處理后輸入到數(shù)據(jù) 采集卡中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所述數(shù)據(jù)采集卡與工控機連接，所述工控機與數(shù)據(jù)顯示器連接用 于顯示溫度測量結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述工控 機設(shè)置有拉曼散射溫度解調(diào)模塊，所述拉曼散射溫度解調(diào)模塊采用以下步驟獲取待測溫度 場中實際溫度值： 51 :按以下公式獲取整個光纖在T = TO時的TO反斯托克斯光功率曲線和TO斯托克斯 光功率曲線：
其中，Ps (Tq)表示 T = Ttl 時的 Stokes 光功率；Pas (Ttl)表示 T = Ttl 時的 Anti-Stokes 光 功率；V表不光在光纖中傳播的速度！Ec!表不光脈沖能量；△ V表不拉曼聲子振動頻率（拉 曼頻移量）；h表示普朗克常數(shù)；a C1表示入射泵浦光在光纖中單位長度上的損耗系數(shù)；a s表示Stokes光在光纖中單位長度上的損耗系數(shù)；1表示光纖中某一測量點到測量起始點的 距離；r s表示Stokes光在光纖中單位長度上的后向散射系數(shù)； 52 :然后將反斯托克斯光功率曲線和斯托克斯光功率曲線按以下公式計算得到TO光 功率比：
53 :在任意溫度T時按以下公式測得實際溫度場T反斯托克斯光功率曲線和實際溫度 場T斯托克斯光功率曲線：
其中，己⑴表示任意溫度T時的Stokes光功率；Pas⑴表示任意溫度T時的 Anti-stokes 光功率； S4 :將實際溫度場T反斯托克斯光功率曲線和實際溫度場T斯托克斯光功率曲線按以 下公式計算得到T光功率比：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述工控 機設(shè)置有去噪處理模塊，所述去噪處理模塊采用線性累加算法進行，具體步驟如下： S31 :確定整根傳感光纖長度為L，根據(jù)采樣率確定的測量點數(shù)目為m，采樣頻率為fs， 對微弱的溫度信號進行n次重復(fù)測量，將每次得到的m個測量點的結(jié)果依次排列，得到第i 次測量得到序列 Ai t^iij ^12? ? ? ? ^ij' ' ' ^im-I ?
其中，矩陣的每一列表示進行一次測量的結(jié)果，每一行表示對同一點進行n次重復(fù)測 量的結(jié)果； S33 :對矩陣A的各行求平均，得到均值序列： B = [b1； b2, b3,.....bm]T ； 其中，矩陣B代表不同測量點處信號的均值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：還包括自 適應(yīng)控制模塊，所述工控機的控制信號輸入輸出端與自適應(yīng)控制模塊的分別與同步觸發(fā) 器、工控機和數(shù)據(jù)采集卡連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：還包括光 開關(guān)電路，所述光開關(guān)電路串聯(lián)在波分復(fù)用器和傳感光纖之間，用于控制波分復(fù)用器與傳 感光纖之間光信號的通或斷。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：還包括報 警控制裝置，所述工控機與報警控制裝置的報警控制信號輸出端連接。
7. -種基于光纖光柵傳感的溫度測量方法，其特征在于：包括以下步驟： Si:啟動電源模塊對系統(tǒng)運行進行供電； 52 :通過傳感光纖獲取電纜溫度信號； 53 :對傳感光纖中的溫度信息進行預(yù)處理； 54 :在工控機上對電纜溫度進行解調(diào)得到電纜各點的實時溫度分布； 55 :通過通信總線將電纜各點的實時溫度分布信息和地理位置信息傳送給主監(jiān)控站； 56 :根據(jù)電纜電纜各點的實時溫度分布信息和地理位置信息，判斷電纜溫升是否異常， 如果是，則激活報警裝置，并根據(jù)異常點地理信息發(fā)出維修信息指令；如果否，則返回步驟 S2循環(huán)檢測。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量方法，其特征在于：所述步驟 S4中對電纜溫度進行解調(diào)是按以下步驟來得到電纜各點的實時溫度分布： 541 :按以下公式獲取整個光纖在T = TO時的TO反斯托克斯光功率曲線和TO斯托克 斯光功率曲線：
其中，Ps (Tq)表示 T = Ttl 時的 Stokes 光功率；Pas (Ttl)表示 T = Ttl 時的 Anti-stokes 光 功率；V表不光在光纖中傳播的速度！Ec!表不光脈沖能量；△ V表不拉曼聲子振動頻率（拉 曼頻移量）；h表示普朗克常數(shù)；a C1表示入射泵浦光在光纖中單位長度上的損耗系數(shù)；a s表示Stokes光在光纖中單位長度上的損耗系數(shù)；1表示光纖中某一測量點到測量起始點的 距離；r s表示Stokes光在光纖中單位長度上的后向散射系數(shù)； 542 :然后將反斯托克斯光功率曲線和斯托克斯光功率曲線按以下公式計算得到TO光 功率比：
543 :在任意溫度T時按以下公式測得實際溫度場T反斯托克斯光功率曲線和實際溫度 場T斯托克斯光功率曲線：
其中，己⑴表示任意溫度T時的Stokes光功率；Pas⑴表示任意溫度T時的 Anti-stokes 光功率； 544 :將實際溫度場T反斯托克斯光功率曲線和實際溫度場T斯托克斯光功率曲線按以 下公式計算得到T光功率比：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光纖光柵傳感的溫度測量方法，其特征在于：所述步驟 S3對傳感光纖中的溫度信息進行預(yù)處理是按以下步驟來得到電纜各點的實時溫度分布： S31 :確定整根傳感光纖長度為L，根據(jù)采樣率確定的測量點數(shù)目為m，采樣頻率為fs， 對微弱的溫度信號進行n次重復(fù)測量，將每次得到的m個測量點的結(jié)果依次排列，得到第i 次測量得到序列 Ai t^iij ^12? ? ? ? ^ij' ' ' ^im-I ?
其中，矩陣的每一列表示進行一次測量的結(jié)果，每一行表示對同一點進行n次重復(fù)測 量的結(jié)果； S33 :對矩陣A的各行求平均，得到均值序列： B = [b1； b2, b3,.....bm]T ； 其中，矩陣B代表不同測量點處信號的均值。
【文檔編號】G01K11/32GK104344913SQ201410528261
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】陳曦, 朱峻永, 陳學(xué)舉 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司