發布日期：2022-10-09 點擊率：116
摘要：光纖溫度傳感器由于光纖本身的特性使得其具有傳統溫度傳感器所無法比擬的應用優勢。本文就其在電力設備測溫中的應用提出了一種簡單可行的方法，詳細分析了其工作原理、系統實現并給出實驗結果。
一、前言
高壓開關柜作為發電廠、變電站中的重要設備，起著關合及開斷電力線的作用，用來實現輸送及倒換電力負荷、以及從電力系統退出故障設備和線段，從而保證電力系統安全運行[1]。在高壓開關柜的長期運行過程中，開關柜中的觸點和母線排連接處等部位因老化和接觸電阻過大而發熱，而這些發熱部位的溫度無法監測，由此容易導致火災事故。近年來，在電廠和變電站已經發生多起開關柜過熱事故，造成火災和大面積的停電。因而對全封閉的高壓開關電器，檢測和監視高壓開關觸點、母線排連接處的工作溫度，提前發現和排除熱故障隱患，對電力系統的安全可靠運行具有非常重要的意義。
高壓開關觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場以及極強的電磁干擾環境中，傳統的測溫儀表如熱電偶、紅外測溫儀等易受到這些因素的干擾和影響，因而無法對這些位置進行直接接觸測量，從而也就無法真正得到高壓開關柜的真實工作狀態，以致設備內部局部過熱卻仍在“帶病”運行。光纖傳感由于光纖具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、耐腐蝕、本質安全等優點[2]，特別適用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中。本文介紹了一種基于位移強度調制的光纖溫度傳感系統，實驗證明，該系統在高壓開關觸點的溫度測量中性能可靠穩定、安裝方便，具有極好的經濟效益，而且在其他領域也具有極好的推廣應用價值。
二、位移強度調制原理
1、傳感探頭的結構
傳感探頭的結構如圖1，各部分作用如下：
（1）輸入光纖：傳輸光源產生的光能量。
（2）輸出光纖：接收調制后的光信號并傳輸給光電探測器。
（3）導熱板及導熱塊：將環境溫度傳給雙金屬片。
（4）雙金屬片：感受被測環境溫度變化并產生相應的變形。
（5）遮光片：將雙金屬片的彎曲變形轉換為直線位移，從而通過遮斷光路的大小對光信號進行強度調制。
2、測量原理
當圖1所示的傳感探頭置于被測溫度場時，被測溫度的變化將引起雙金屬片的彎曲變形，通過遮光片將其轉換為直線位移，從而使得從輸入光纖耦合到輸出光纖的光通量發生變化，即光強度受到了調制。光通量的變化與遮光片的位移大小有關系，于是通過光電檢測得到的電流大小也發生相應的變化，再通過電流至電壓的轉換，使測得的電壓值為位移的變量，即V（y），傳感原理如圖2。
對多模光纖來說，其纖端出射光場的場強分布由下式給出[3]：
式中，I0—由光源耦合到輸入光纖中的光強；Φ（x, y, z）—纖端光場中位置（x, y, z）處光通量密度；σ—表征光纖折射率分布的相關參數，對于階躍型光纖，σ＝1；a0—光纖纖芯半徑；ζ—與光源種類及光源跟光纖耦合情況有關的調制參數；θc—光纖的最大出射角。如果將同種光纖置于輸入光纖纖端出射光場中作為探測接收器時，所接收到的光強可表示為：
S—接收光面，即纖芯面。在纖端出射光場的遠場區，為方便起見，可用輸入光纖端面中心點處的光強來作為整個纖芯面上的平均光強，在這種近似下，得到在輸入光纖端面所探測到的光強公式為：
對于遮光式光強度調制光纖傳感器來說，輸-出光纖接收到的透射光強值等于圖2中光纖纖芯陰影部分所接收到的入射光強，于是有:
S—圖2中光纖纖芯陰影部分面積。當輸入光纖與輸出光纖端面間距較近時，則在輸入光纖纖芯的邊界處，近似地有：F（x,y,z）?0 （7）于是式（5）可表示為：
對于固定的z值，ω（z）是一常數，又有：
由上可知，多模光纖的遮光式光強調制特性曲線分布是重積分函數，難以手工計算，我們運用Matlab工程計算軟件繪制的調制特性曲線如圖3，此公式通過實驗數據驗證與實際特性曲線相吻合，見圖7。
三、系統光路設計
本系統設計的光路如圖4，之所以采用雙光路補償，是由于在實際應用中，光路容易受到一些內在或外在因素的影響，如光源的溫度漂移、探頭的熱脹冷縮引起耦合點的位移等，從而造成測量精度降低，甚至出現很大的測量偏差。在光路補償中，雙光路補償是一種常用的簡單可行的方法。在雙光路補償中，要求雙光纖所處環境相同，后續光電檢測及放大多路對稱。其原理如下[4]：
設光源與光纖、測量輸入光纖與探頭、探頭與測量輸出光纖、光纖與探測器的耦合系數分別為K1、K2、K3、K4；探頭的靈敏度為St，光纖傳遞函數為H（λ），Φ（λ）為光源產生的光通量；Ω為立體角；Φ1、Φ2分別為兩光纖到達探測器前的光通量，則有以下關系：
這樣經探測器分別轉換成相應的電信號輸出，再經放大電路后得到各自的輸出信號U1和U2，除法器的輸出為U，設探測器的光譜響應度為R（λ），放大器的放大倍數分別為A1和A2，則有：
由上式可以看到，輸出U中除了St外，其它參量的變化都是相同的，從而消除了一定程度的干擾。
四、信號處理系統設計
如圖5所示，信號處理系統包括信號采集電路、信號處理電路、顯示和鍵盤電路、與PC機的通信電路。整個處理系統以單片機AT89C52 為信息處理的核心，通過高精度的A/D轉換器TLC549實現信號的采集，由AT89C52完成數據的處理和標度的轉換，通過顯示電路實現輸出指示，通過鍵盤電路進行測量功能的選定，通過報警電路實現溫度上限報警，并通過串口通信電路與上位機進行通信。
五、系統實驗
1、實驗系統設計
實驗系統中使用溫度調節范圍為10℃～200℃的干燥箱來產生溫度場，將溫度探頭置于溫度場中，如圖6所示。為了準確標定和測量溫度場中溫度探頭所在測量點的溫度變化，將一只測溫范圍為0℃～100℃、分辨率為1℃的水銀溫度計和一只測量范圍為-50℃～250℃、分辨率為1℃的熱電耦溫度計與系統溫度探頭完全接觸地放置在一起。當干燥箱緩慢加熱升溫時，溫度場的變化會比較緩慢，從而使得溫度場中十分接近的不同點之間的溫差不會太大。因此在實驗中要求緩慢調節干燥箱的溫度，使得熱電耦溫度計和水銀溫度計的讀值差小于1℃，在這種情況下可以近似地認為溫度探頭、熱電偶溫度計和水銀溫度計所處的溫度相同。由于熱電偶溫度計的靈敏度很高，所以實驗值設定以熱電偶溫度計的讀數為準。
2、實驗結果及分析
由于在實驗設計中采用的是塑料光纖，所以設定的測溫范圍為10℃（實驗時的室溫）到80℃。圖7是溫度測量點與放大電路輸出電壓之間關系分布圖，同時給出了三次函數擬合曲線。
在實驗數據處理中，將預先標定的溫度與電壓的對應關系值讀入程序后，采取分段線性插值的處理方法，將測量過程中的實時信號與標定值進行比較，查表插值后將其轉換成對應的溫度量顯示出來。具體方法如下：
假設Xi代表標定的電壓，Ti是其對應的溫度值，實時測量的電壓信號為V，查表可知它位于（Xi，Ti）和[X（i+1），T（i+1）]兩個標定點之間，則實時電壓所對應的溫度值T可由（17）求得，其算法如圖8所示。
同時我們可以看到，溫度上升過程曲線與溫度下降過程曲線不重合，這就是測溫儀的遲滯性。所謂遲滯性是指傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出/輸入曲線不重合的程度，也就是說對于同一大小的輸入信號，傳感器正、反行程的輸出信號大小不等。遲滯是傳感器的一個性能指標，它反映了傳感器的機械部分和結構材料方面不可避免的弱點[5]。本系統產生遲滯的原因主要是由傳感頭的導熱性能引起的，如果傳感頭的導熱性能良好，其響應溫度變化的速度就會加快，則測溫儀的遲滯就會減小。
表1給出了系統實驗結果。可以看出，系統測溫誤差在±1℃以內，符合實驗的預期要求。
六、結論
實驗結果表明，該方案是可行的。該測量系統具有良好的電絕緣性和抗電磁干擾能力，而且測溫元件尺寸小，整個系統結構簡單，成本低，能適應于大多數場合應用，對于少數測量精度要求高的場所，也可通過加裝準直系統等來達到，但相應成本也要增加。
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