本發(fā)明涉及利用光學(xué)手段對輸電線路設(shè)備進行污染物測量監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

輸電線路表面很容易受安裝地區(qū)環(huán)境污染物的影響，以致絕緣子表面積累的污染物受潮時引起絕緣擊穿閃絡(luò)，絕緣閃絡(luò)則可能造成事故，影響輸電線路的安全。為確保安全可靠供電，電力部門必須按預(yù)定周期對絕緣子串進行清掃，而清掃周期間隔取決于污染物的鹽密值。為了確定預(yù)防維護的合理周期，保證電網(wǎng)的安全運行，因此需要建立輸電線路鹽密監(jiān)測系統(tǒng)，以便對絕緣狀況實施監(jiān)測，避免由于環(huán)境污染造成的電網(wǎng)污閃事故。

在各種鹽密傳感技術(shù)中，光纖鹽密傳感技術(shù)越來越受到關(guān)注，這是因為相對于其它鹽密傳感技術(shù)而言，光纖鹽密傳感技術(shù)具有大量而突出的優(yōu)點，例如，傳感元件無需電子單元、防燃防爆防腐蝕、靈敏度高、柔性易彎曲、防電磁干擾、可在高溫高壓下工作、傳感器結(jié)構(gòu)簡單小巧、易實現(xiàn)遠距離信號傳輸并且信號損耗小等。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的擴大，空氣質(zhì)量下降，防污閃工作還需要做很大的努力。

現(xiàn)有的輸電線路鹽度測量系統(tǒng)雖然已存有多種設(shè)計方案，但都存在各種不足，例如：有的方案(例如專利CN103645157B)利用一根呈現(xiàn)倒U型光纖，在倒U型光纖頂部剝?nèi)ネ馄?，并將其涂覆層剝?nèi)?，利用形成的裸光纖來檢測的，這種方案看似簡單，但實際上操作起來存在不能保證批量制作時產(chǎn)品性能的一致性，且不易安裝固定，檢測到的反射光強小等問題；又如有的方案(例如專利CN102768183B)采用布拉格光柵來監(jiān)測輸電線路鹽度，但這種方案需要專用的波長解調(diào)設(shè)備，其設(shè)備價格昂貴，使得方案本身的實用性大打折扣；又如有的方案(例如專利申請CN101793659A)雖提出的也是基于光纖傳感的鹽密監(jiān)測方案，但其對傳感用的光纖有特別要求，其傳感光纖的通用性并不好；又再如有的方案(例如專利CN101101265B)提出采用多個光探測器組來監(jiān)測輸變電設(shè)備的鹽密度，但這種方案的核心還是基于電子式傳感器，該方案的抗電磁干擾性不佳，特別是針對高壓輸變電設(shè)備時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性還有待考量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的鹽密測量系統(tǒng)和方法的簡易性、通用性及穩(wěn)定性不足的問題。

本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)，包括：激光器，用于發(fā)射探測光；光纖準(zhǔn)直器傳感探頭，與待測介質(zhì)接觸；光纖耦合器，與所述光纖準(zhǔn)直傳感頭耦合，用于將所述探測光經(jīng)光纖傳入或傳出所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭；光電探頭，與所述光纖耦合器耦合，用于接收自所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭反射回來的光數(shù)據(jù)；以及處理單元，用于處理所述光數(shù)據(jù)以獲取所述待測介質(zhì)的鹽密。

一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)，包括：激光器，用于發(fā)射探測光；一條鹽密傳感探測通路，依次包括第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、以及光纖準(zhǔn)直器傳感探頭，所述探測光進入所述鹽密傳感探測通路，所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭用于測量待測介質(zhì)鹽密；一條標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，依次包括第一光纖耦合器、第三光纖耦合器、以及光纖傳感頭，所述探測光進入所述標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，所述光纖傳感頭置于密封的空氣盒中；一個第一光電探頭，和所述第二光纖耦合器連接以接收所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭返回的數(shù)據(jù)；一個第二光電探頭，和所述第三光纖耦合器連接以接收所述光纖傳感頭返回的數(shù)據(jù)；處理單元，用于分析處理所述第一、第二光電探頭收集的數(shù)據(jù)以獲取所述待測介質(zhì)的鹽密。

應(yīng)用基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)的鹽密測量方法，包括以下步驟：

步驟S1，將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭與待測介質(zhì)接觸，打開激光器；

步驟S2，測得第一光電探頭和第二光電探頭的光強差ΔI，并將所述光強差ΔI

代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]$

其中，K為常數(shù)，由所述第一、第二、第三光纖耦合器的耦合系數(shù)決定，n_sensor是所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭的折射率，n₀是空氣折射率，計算得出n_x以獲取所述待測介質(zhì)的鹽密。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測量系統(tǒng)及方法通用性強、可操作性強，易于大范圍安裝，結(jié)構(gòu)簡單，成本相對低廉，抗電磁干擾能力強。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是反射光強與鹽密的關(guān)系曲線圖。

圖3是反射光強與滴數(shù)的關(guān)系曲線圖。

圖4是本發(fā)明第二實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。

實施例1

請參閱圖1，本發(fā)明第一實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測量系統(tǒng)100包括：一個激光器101、光纖耦合器102、光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，光電探頭104，處理單元105。

激光器101發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器102進入光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103探入待測介質(zhì)106后，在待測介質(zhì)106和光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103的界面上有光束反射進入光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，然后經(jīng)過光纖、光纖耦合器102進入光電探頭104，最后由處理單元105進行數(shù)據(jù)處理，從而根據(jù)得到的光強值來獲取對應(yīng)的待測介質(zhì)106的鹽密值。

在光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103的端面上，回波損耗將隨分界面上物質(zhì)折射率的不同而變化，而且，當(dāng)分界面越大，反射回的傳感信號光強越大，系統(tǒng)的信噪比越高，越利于遠程長距離傳感。這為測量鹽密值提供了理論基礎(chǔ)。以下提供兩個測試例：

一、首先用電子稱稱取適量的氯化鈉，放置入洗凈的燒杯中，加入適量的去離子水配置不同鹽密度的樣品。將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭作為鹽密傳感探頭，放于配置好的氯化鈉樣品中(探頭不與其它物體接觸)。實驗分別依次對不同鹽度樣品進行測量，同時記錄相應(yīng)的反射光強，得出鹽度光強度之間的關(guān)系(注：鹽密測量可用鹽度測量來表示)。以測量的反射光強為縱坐標(biāo)，鹽度為橫坐標(biāo)，作出對應(yīng)的關(guān)系曲線如圖2所示。

可以看出測得的反射光強與鹽度之間存在著單調(diào)的一一對應(yīng)的依賴關(guān)系，且線性度很好，R值達到0.99左右(R在這里代表擬合度R-square，是指由圖2中的測試數(shù)據(jù)點擬合出的式子能多大程度上“真實地”反應(yīng)出測試數(shù)據(jù)的規(guī)律。與“真實的被測量的物理規(guī)律”間會存在一定的偏差。擬合度R越高，表明式子和實測數(shù)據(jù)間吻合度越高)。

因此，本發(fā)明第一實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)能夠通過反射光強獲取鹽密值。

二、用氯化鈉模擬空氣中的導(dǎo)電物質(zhì)，通過反射光強來檢測光纖準(zhǔn)直器傳感探頭端面的結(jié)晶固體的微量鹽含量。用移液槍吸取濃度為2％的NaCl溶液，依次滴加在準(zhǔn)直器探頭的端面上，可有效地使溶質(zhì)的質(zhì)量成整數(shù)倍上升，減少誤差。光強在不同液滴數(shù)下的變化請參閱圖3，縱坐標(biāo)表示反射光強，橫坐標(biāo)表示滴數(shù)。由圖3可以看出隨著風(fēng)干時間推移，光強讀數(shù)穩(wěn)定在一定值。由此可見，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭所記錄讀數(shù)與光纖準(zhǔn)直器傳感探頭端面的氯化鈉結(jié)晶體的質(zhì)量有正相關(guān)的關(guān)系。

因此，本發(fā)明第一實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)除了能夠通過反射光強獲取鹽密值，還能夠獲取鹽質(zhì)量。

實施例2

請參閱圖4，本發(fā)明第二實施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測量系統(tǒng)200包括：一個激光器20、第一光纖耦合器21、第二光纖耦合器22、第三光纖耦合器23、單模光纖傳感頭26、光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28、第一光電探頭29、第二光電探頭30以及處理單元31，包括數(shù)據(jù)采集單元311和處理電路模塊312。

激光器20發(fā)出的激光波長可為1550nm，但不限于此。

第一光纖耦合器21、第二光纖耦合器22、以及光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28形成一路鹽密傳感探測通路，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28用于測量待測介質(zhì)鹽密。

第一光纖耦合器21、第三光纖耦合器23、以及單模光纖傳感頭26形成一條標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，單模光纖傳感頭26置入密封的空氣盒14中作為參考。

第一光電探頭29和鹽密傳感探測通路連接、第二光電探頭30和標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路連接，并且均將數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集單元311，由處理電路模塊312分析處理。

優(yōu)選地，所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28的端面280與入射光束垂直。

優(yōu)選地，所述第一、第二、第三光纖耦合器21、22、23的分光比為50:50。

從激光器20發(fā)出的激光束(光強為I₀)首先被第一光纖耦合器21分成B1和B2兩路，一部分光B1經(jīng)過第二光纖耦合器22進入鹽密傳感探測通路，光信號通過光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28進入待測介質(zhì)15中，出射光遇到光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28與待測介質(zhì)15的分界接觸面，于是部分光被反射回第二光纖耦合器22，形成的光束B1’被第一光電探頭29接收。

另一部分光B2經(jīng)過第三光纖耦合器23進入標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路采用固定的單模光纖傳感頭26，進入單模光纖傳感頭26的光在傳感頭與空氣的接觸界面被部分反射回第三光纖耦合器23，形成的光束B2’被第二光電探頭30接收。

第二光纖耦合器22除了連接光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28之外，另一條分出的光路上具有一個第一光纖輸出端口25，第三光纖耦合器23除了連接單模光纖傳感頭26之外，另一條分出的光路上具有一個第二光纖輸出端口27，優(yōu)選地，為了消除這兩個光纖輸出端口的回波損耗，采用斜切端口纏繞后處理。

由菲涅爾定律可知，不同折射率分界面對光有反射作用。當(dāng)光線(記入射光強為I_in)垂直入射時，反射光強I_r為：

$I_r=I_{in}{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(1\right)$

n_sensor是傳感器探頭的折射率、n_x是待測介質(zhì)折射率。

在本實施例中，計及所涉及的若干光纖耦合器的光功率分配和損耗后，第一光電探頭29接收光強I₁為：

$I_1=I_{r1}\·{\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\β}}_1^{\′}{\mathrm{\β}}_1{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(2\right)$

其中n_sensor和n_x分別為光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28與待測介15的折射率,β₁、β₁'，β₂、β₂'和β₃、β₃'分別為第二光纖耦合器22、第三光纖耦合器23、第一光纖耦合器21的兩輸出端口分別與同一輸入端口的光強分光比，其中已包含了各自光纖耦合器的附加損耗。

光電探頭30接收光強為：

$I_2=I_{r2}\·{\mathrm{\β}}_2={\mathrm{\β}}_3^{\′}{\mathrm{\β}}_2^{\′}{\mathrm{\β}}_2{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_0}{n_{sensor}+n_0}\right)}^2---\left(3\right)$

兩個光電探頭的光強差為：

$\mathrm{\Δ}I\left(dB\right)=I_1\left(dBm\right)-I_2\left(dBm\right)=10\lg \frac{I_1\left(uW\right)}{I_2\left(uW\right)}---\left(4\right)$

將(2)和(3)式代入(4)式，可以得到：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]---\left(5\right)$

其中為一個常數(shù)，由各光纖耦合器耦合系數(shù)決定，n_sensor是光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28的折射率、空氣折射率n₀均是已知的常量。

把光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28放置于空氣中時，有n_x＝n₀，于是根據(jù)(5)式可以直接測量得出常數(shù)

對于不同鹽密含量的待測介質(zhì)15，其等效鹽密值不同，對應(yīng)的等效(平均)折射率n_x也將不同，從(5)式可以得出反射光強差ΔI因而也隨之發(fā)生變化。由此可以測量出與反射光強差相關(guān)聯(lián)的鹽密參量。

通過(5)式可以知道測量結(jié)果跟光源光強I₀無關(guān)，即應(yīng)用本發(fā)明第二實施例提供的鹽密測量系統(tǒng)不但可以測量鹽密值，還可以消除環(huán)境變化對光源造成的不穩(wěn)定性對測量值的影響。

經(jīng)過測試，在相同鹽度條件下，采用光纖準(zhǔn)直器傳感探頭和普通光纖傳感頭(例如單模光纖傳感頭)的對比實驗結(jié)果表明：采用光纖準(zhǔn)直器傳感探頭測量得出的反射光強度是采用普通光纖探頭測量得出的反射光強度的數(shù)倍，且二者光強差隨著測量鹽密度的升高而增加。這意味著在相同光源及外界環(huán)境條件下，采用光纖準(zhǔn)直器做傳感探頭能使得鹽密測量系統(tǒng)在相同環(huán)境噪聲下，回射信號強度有較大增強，使得系統(tǒng)的有效信噪比有較大提高，從而可以延長光纖傳感距離。

本發(fā)明第二實施例提供的鹽密測量系統(tǒng)200適合用來測量輸電線路設(shè)備的鹽度，實用性強，該系統(tǒng)測量靈敏度較高、操作方便，易于大范圍安裝，結(jié)構(gòu)簡單，成本相對低廉，抗電磁干擾能力強，還具有實時在線遠程監(jiān)的優(yōu)點。

實施例3

本發(fā)明第三實施例提供一種應(yīng)用基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測量系統(tǒng)的測量方法，其通過測量光纖準(zhǔn)直器傳感探頭和待測介質(zhì)的分界面上物質(zhì)折射率的不同而引起回波損耗變化而測量待測介質(zhì)鹽密，包括以下步驟：

步驟S1，將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭與待測介質(zhì)接觸，打開激光器；

步驟S2，測得第一光電探頭和第二光電探頭的光強差ΔI，并將所述光強差ΔI代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0}\right)}^2\]$

其中，K為常數(shù)，由所述第一、第二、第三光纖耦合器的耦合系數(shù)決定，n_sensor是所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭的折射率，n₀是空氣折射率，計算得出n_x以獲取所述待測介質(zhì)的鹽密。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。