| 标题 | 基于气体特征吸收谱线的电缆光纤光栅温度监测系统 |
| 范文 | 沈庆河 刘嵘 刘辉 摘 要： 基于电力电缆温度在线监测的需求，设计了一种精度高、稳定性好的光纤光栅温度传感器，光栅的波长漂移与温度成线性关系，结合F?P可调滤波器和LabVIEW软件平台搭建光纤光栅温度在线监测系统，系统采用C2H2气体吸收谱作为F?P可调滤波器的实时校正波长，温度传感器的波长解调不受外界温度和压力等环境的影响，通过插值拟合算法实现光纤光栅中心波长的高精度解调，精度可达±5 pm，即测量温度精度为±0.2 ℃。 关键词： 电缆温度； 光纤光栅； 气体吸收谱； LabVIEW 中图分类号： TN253?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0142?03 Fiber Bragg grating temperature monitoring system of power cables based on gas characteristic absorption spectrum SHEN Qing?he， LIU Rong， LIU Hui （Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250002， China） Abstract： A fiber Bragg grating （FBG） temperature sensor with high accuracy and high stability was designed based on the requirement of on?line power cable temperature monitoring. The wavelength drift of FBG has a linear relationship with temperature. The on?line FBG temperature monitoring system was built based on Fabry?Perot （F?P） tunable filter and LabVIEW software， in which the absorption spectrum of C2H2 gas is adopted as real time calibration wavelength of the F?P tunable filter. The wavelength demodulation of the temperature sensor is not affected by external temperature and pressure. The interpolation fitting algorithm is used to realize high precision demodulation of FBG center wavelength， whose precision can be up to ±5 pm. It means the accuracy of the detection temperature is ±0.2 ℃. Keywords： cable temperature； fiber Bragg grating； gas absorption spectrum； LabVIEW 0 引 言 电力电缆的温度在线监测是了解电缆绝缘状态、间接反映其载流量及有效避免电缆火灾，保证电缆系统安全运行的重要手段。目前电缆温度检测系统从工作原理可分为电信号和光信号传感系统，电类传感器包括热电偶、热电阻等；而光信号传感器主要有光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）和基于拉曼或布里渊散射原理的分布式温度测量（Distributed Temperature Sensing，DTS），DTS便于监测长距离电缆温度变化，但它需要高精度的脉冲激光器、APD光电二极管、高速采集卡等设备，其造价随着电缆距离的增加而大幅度提高[1?2]。 FBG温度传感器可单点测量，多个传感器串联或者并联构成多个目标温度分布式测量，由于FBG传感器制作简单、成本低，具有抗电磁干扰、传感探头设计简单、尺寸小、熔接损耗小、全兼容于光纤、可实现分布式测量等特点，因此FBG传感器在电力电缆测温具有独特的优越性[3]。 本文设计了一种采用低熔点玻璃焊接工艺制作的FBG温度传感器，线性度可达0.999，测量范围为-30～100 ℃，符合电力电缆现场温度在线监测的要求。同时，采用F?P可调滤波器扫描法作为FBG温度传感器的解调方案，为了克服F?P可调滤波器在实际应用中存在温度漂移、电压波长的调谐关系具有滞后性、蠕动性以及非线性等技术难题，使解调系统的精度和分辨力大幅提高，一般会采用光纤梳妆滤波器[4]或者标准具[5]作为参考波长，本系统采用C2H2气体的特征吸收谱线作为F?P滤波器的拟合数据参考点，采用插值拟合FBG波长与F?P滤波器调谐电压的线性关系，完成对电力电缆温度的测量。研究表明，解调的波长精度在±5 pm，温度精度在±0.2 ℃。 1 系统基本原理 1.1 FBG测温原理 如图1所示，FBG是利用光纤纤芯的光敏特性，通过紫外激光曝光等方法，使光纤轴线均匀分布的纤芯折射率发生周期性永久改变，当宽带光通过FBG时，只有满足布拉格反射条件的波长会反射，即反射布拉格波长[λB]为[6]： [λB=2neff·Λ] （1） 式中：[neff]是光栅的有效折射率；[Λ]为光栅条纹的周期。在不受应变条件下，当外界温度发生变化时，光栅的周期[Λ]和有效折射率[neff]随之产生变化，从而导致FBG波长漂移[ΔλB，][ΔλB]与温度的关系如下： [ΔλBλB=（α+ε）?ΔT] （2） 式中：[α]为光纤的热膨胀系数，一般为0.55×10-6 /℃；[ε]是光纤的热光系数，常温下约为6.3×10-6 /℃。从上式可以看出，FBG波长的变化与温度的变化呈线性关系，理论约10 pm/℃，这就是FBG测量温度的原理。 1.2 FBG温度传感器 FBG的温度灵敏度约为10 pm/℃，不能直接用于实际工程中，需要FBG进行增敏以提高温度灵敏度。本系统的FBG温度传感器采用不锈钢作为基底材料，不锈钢的热膨胀系数为16×10-6 /℃，采用低熔点玻璃焊接光栅，无需光纤表面金属化，可直接与光纤封接，封接温度范围为330～380 ℃，相对传统的环氧胶封装工艺而言，采用该工艺封装后的FBG传感器使用寿命更长。 FBG传感器结构如图2所示，首先将光栅两端分别与滑块焊接，滑块选用热胀系数很小的殷钢，其热胀系数与不锈钢相比可忽略不计，再将焊接好的光栅与滑块放置于底座的凹槽内，对光栅进行预拉，以达到所需要的范围，然后用定位螺丝紧固滑块。该传感器结构简单，安装方便，实用性强，经过反复高低温试验结果表明，FBG温度传感器在-30～100 ℃范围内，线性度为0.999，温度灵敏度是30.1 pm/℃，较之“裸栅”温度灵敏度大幅提高，在30 ℃恒定温度下，半个小时内，FBG波长浮动在±3 pm内，试验结果如图3所示。 1.3 温度解调原理 本系统采用F?P可调滤波法，其基本原理如图4所示，F?P滤波器上加载周期性锯齿波即扫描电压时，F?P滤波器输出中心波长可发生偏移，当FBG阵列反射的光信号经过光环形器进入FP滤波器时，FBG反射波长与FP滤波器透射波长一致时，此时光电探测器输出的电压值最大，通过标定FP滤波器的中心波长与电压的关系就可得出待测温度值。 为提高解调精度，采用C2H2气体吸收谱作为F?P滤波器的校正波长，气体吸收谱线是与原子或分子受激吸收跃迁的上下能级之间的能量差值有关，几乎不受外界的温度、压强的影响，因此波长很稳定，其次C2H2在1 510～1 540 nm范围内有50根明显的吸收谱线，HITRAN数据库对C2H2谱线的波长都做了标定，可以作为一个良好的参考波长校正F?P可调滤波器。 采用自制的气体吸收池，里面放置一对光纤自准直透镜，工作距离为50 mm，密封了高纯度的C2H2气体（测试谱图如图5所示），因此气体吸收池具有光纤输入和输出端，能够很方便地接入到光路中，气体吸收谱线就可以为F?P滤波器提供精确的波长参考，从而提高系统测量精度。 2 系统实验方案 实验方案如图4所示，ASE光源通过加载扫描电压的F?P滤波器后，经过3 dB耦合器分成相等的两束，一路经过光环行器入射到FBG阵列并返回至光电探测器（Photo Diode）P2，另一路则进入C2H2气体吸收池，透射至光电探测器P1，两路电信号经过滤波和放大后，进行A/D转换后传输至上位机。 光电探测器型号为GT322D InGaAs PIN光电二极管，室温下响应度为0.95 A/W，采集卡输入的两路A/D转换器具有14位分辨率和52 Mb/s的转换速度，采集卡输出锯齿信号作为F?P滤波器的扫描电压，扫描频率从1～100 Hz范围内可调，电压范围为0～12 V，上位机采用LabVIEW软件对采集卡进行控制，处理数据等。 3 讨论和分析 系统采集和计算步骤如下： （1） 采集卡同步数据采集和输出，即输出锯齿信号经D/A转换为F?P滤波器的扫描电压，同时采集两路PD光电转换后的信号，经A/D转换后传输至上位机； （2） 上位机将采集到的气体特征光谱和FBG阵列信号进行归一化处理和高通滤波，分别计算出气体吸收谱线和光栅的峰值位置与扫描电压的对应关系； （3） 根据气体吸收谱线的波长与扫描电压，采用多项式拟合等方法拟合出F?P扫描电压与波长对应曲线函数； （4） 将FBG阵列的峰值所对应的扫描电压值采用线性插值算法求出FBG波长值，即可根据FBG波长与温度关系得出所测温度值。 气体吸收谱线使用18条吸收强度较大波长（参考图5），波长范围为1 515.593 2～1 536.721 6 nm，实验中采用21个测温FBG传感器，波长范围为1 519.137～1 577.919 nm，波长值由Micron optics公司的型号为SM125解调仪得出，并作为波长的参考值与系统解调计算值进行比较，以验证解调精度。 按照以上方法，得出扫描电压与气体吸收波长及待测FBG波长的计算值，绘制曲线如图6（a）所示。从图中可以看出在扫描电压上升和下降沿时，扫描电压与波长值不重合，因此在利用电压上升沿扫描电压与波长值计算的测量FBG波长值偏小，反之偏大。实验根据不同的拟合算法，利用扫描电压与气体吸收波长值分别计算出待测FBG波长值。测试结果如图6（b）所示。以波长1 532.269 nm为例，从左到右依次是采用三次多项式、二次多项式和线性拟合得出的测试波长值，中间的横向数值为待测波长值。从计算结果可知，当待测FBG波长靠近C2H2气体吸收谱线波长时，计算波长误差较小，远离气体吸收谱线波长时计算误差逐渐变大，线性拟合结果误差最大（最大误差达50 pm），三次拟合结果最小（最大误差达20 pm），这是由于气体吸收谱线主要集中在C波段，无论采用哪种拟合方式，待测FBG的插值结果误差小，远离C波段时，插值结果误差随之加大；并且由于压电陶瓷磁滞性，在锯齿波上升沿时，计算波长值偏小，反之电压下降过程中，计算波长偏大。 多次的试验结果表明，由扫描电压上升沿和下降沿计算得到的待测波长误差基本一致，因此将一个锯齿波的上升与下降作为一个扫描周期，将两次的波长值平均后作为输出波长值，误差明显减小，最大误差绝对值为5 pm，测试结果满足电缆温度解调需求。 4 结 论 本文设计了一种高精度，高稳定性的FBG温度传感器，并且采用C2H2气体作为参考波长校正F?P可调滤波器搭建温度在线监测系统，波长测量误差小于5 pm，温度精度可达精度在±0.2 ℃，可实现对电力电缆的温度检测，并且该系统易于实现分布式检测，成本较低，能够满足电力安全运行的需要。 参考文献 [1] 葛亮，胡泽，李俊兰.基于分布式光纤的油井温度场测量系统设计[J]. 现代电子技术，2009，32（5）：102?104. 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