基于氣體特征吸收譜線的電纜光纖光柵溫度監測系統

沈慶河　劉嶸　劉輝

摘 要： 基于電力電纜溫度在線監測的需求，設計了一種精度高、穩定性好的光纖光柵溫度傳感器，光柵的波長漂移與溫度成線性關系，結合F?P可調濾波器和LabVIEW軟件平臺搭建光纖光柵溫度在線監測系統，系統采用C2H2氣體吸收譜作為F?P可調濾波器的實時校正波長，溫度傳感器的波長解調不受外界溫度和壓力等環境的影響，通過插值擬合算法實現光纖光柵中心波長的高精度解調，精度可達±5 pm，即測量溫度精度為±0.2 ℃。

關鍵詞： 電纜溫度； 光纖光柵； 氣體吸收譜； LabVIEW

中圖分類號： TN253?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

電力電纜的溫度在線監測是了解電纜絕緣狀態、間接反映其載流量及有效避免電纜火災，保證電纜系統安全運行的重要手段。目前電纜溫度檢測系統從工作原理可分為電信號和光信號傳感系統，電類傳感器包括熱電偶、熱電阻等；而光信號傳感器主要有光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）和基于拉曼或布里淵散射原理的分布式溫度測量（Distributed Temperature Sensing，DTS），DTS便于監測長距離電纜溫度變化，但它需要高精度的脈沖激光器、APD光電二極管、高速采集卡等設備，其造價隨著電纜距離的增加而大幅度提高[1?2]。

FBG溫度傳感器可單點測量，多個傳感器串聯或者并聯構成多個目標溫度分布式測量，由于FBG傳感器制作簡單、成本低，具有抗電磁干擾、傳感探頭設計簡單、尺寸小、熔接損耗小、全兼容于光纖、可實現分布式測量等特點，因此FBG傳感器在電力電纜測溫具有獨特的優越性[3]。

本文設計了一種采用低熔點玻璃焊接工藝制作的FBG溫度傳感器，線性度可達0.999，測量范圍為-30～100 ℃，符合電力電纜現場溫度在線監測的要求。同時，采用F?P可調濾波器掃描法作為FBG溫度傳感器的解調方案，為了克服F?P可調濾波器在實際應用中存在溫度漂移、電壓波長的調諧關系具有滯后性、蠕動性以及非線性等技術難題，使解調系統的精度和分辨力大幅提高，一般會采用光纖梳妝濾波器[4]或者標準具[5]作為參考波長，本系統采用C2H2氣體的特征吸收譜線作為F?P濾波器的擬合數據參考點，采用插值擬合FBG波長與F?P濾波器調諧電壓的線性關系，完成對電力電纜溫度的測量。研究表明，解調的波長精度在±5 pm，溫度精度在±0.2 ℃。

1 系統基本原理

1.1 FBG測溫原理

如圖1所示，FBG是利用光纖纖芯的光敏特性，通過紫外激光曝光等方法，使光纖軸線均勻分布的纖芯折射率發生周期性永久改變，當寬帶光通過FBG時，只有滿足布拉格反射條件的波長會反射，即反射布拉格波長[λB]為[6]：

[λB=2neff·Λ] （1）

式中：[neff]是光柵的有效折射率；[Λ]為光柵條紋的周期。在不受應變條件下，當外界溫度發生變化時，光柵的周期[Λ]和有效折射率[neff]隨之產生變化，從而導致FBG波長漂移[ΔλB，][ΔλB]與溫度的關系如下：

[ΔλBλB=（α+ε）?ΔT] （2）

式中：[α]為光纖的熱膨脹系數，一般為0.55×10-6 /℃；[ε]是光纖的熱光系數，常溫下約為6.3×10-6 /℃。從上式可以看出，FBG波長的變化與溫度的變化呈線性關系，理論約10 pm/℃，這就是FBG測量溫度的原理。

1.2 FBG溫度傳感器

FBG的溫度靈敏度約為10 pm/℃，不能直接用于實際工程中，需要FBG進行增敏以提高溫度靈敏度。本系統的FBG溫度傳感器采用不銹鋼作為基底材料，不銹鋼的熱膨脹系數為16×10-6 /℃，采用低熔點玻璃焊接光柵，無需光纖表面金屬化，可直接與光纖封接，封接溫度范圍為330～380 ℃，相對傳統的環氧膠封裝工藝而言，采用該工藝封裝后的FBG傳感器使用壽命更長。

FBG傳感器結構如圖2所示，首先將光柵兩端分別與滑塊焊接，滑塊選用熱脹系數很小的殷鋼，其熱脹系數與不銹鋼相比可忽略不計，再將焊接好的光柵與滑塊放置于底座的凹槽內，對光柵進行預拉，以達到所需要的范圍，然后用定位螺絲緊固滑塊。該傳感器結構簡單，安裝方便，實用性強，經過反復高低溫試驗結果表明，FBG溫度傳感器在-30～100 ℃范圍內，線性度為0.999，溫度靈敏度是30.1 pm/℃，較之“裸柵”溫度靈敏度大幅提高，在30 ℃恒定溫度下，半個小時內，FBG波長浮動在±3 pm內，試驗結果如圖3所示。

1.3 溫度解調原理

本系統采用F?P可調濾波法，其基本原理如圖4所示，F?P濾波器上加載周期性鋸齒波即掃描電壓時，F?P濾波器輸出中心波長可發生偏移，當FBG陣列反射的光信號經過光環形器進入FP濾波器時，FBG反射波長與FP濾波器透射波長一致時，此時光電探測器輸出的電壓值最大，通過標定FP濾波器的中心波長與電壓的關系就可得出待測溫度值。

為提高解調精度，采用C2H2氣體吸收譜作為F?P濾波器的校正波長，氣體吸收譜線是與原子或分子受激吸收躍遷的上下能級之間的能量差值有關，幾乎不受外界的溫度、壓強的影響，因此波長很穩定，其次C2H2在1 510～1 540 nm范圍內有50根明顯的吸收譜線，HITRAN數據庫對C2H2譜線的波長都做了標定，可以作為一個良好的參考波長校正F?P可調濾波器。

采用自制的氣體吸收池，里面放置一對光纖自準直透鏡，工作距離為50 mm，密封了高純度的C2H2氣體（測試譜圖如圖5所示），因此氣體吸收池具有光纖輸入和輸出端，能夠很方便地接入到光路中，氣體吸收譜線就可以為F?P濾波器提供精確的波長參考，從而提高系統測量精度。

2 系統實驗方案

實驗方案如圖4所示，ASE光源通過加載掃描電壓的F?P濾波器后，經過3 dB耦合器分成相等的兩束，一路經過光環行器入射到FBG陣列并返回至光電探測器（Photo Diode）P2，另一路則進入C2H2氣體吸收池，透射至光電探測器P1，兩路電信號經過濾波和放大后，進行A/D轉換后傳輸至上位機。

光電探測器型號為GT322D InGaAs PIN光電二極管，室溫下響應度為0.95 A/W，采集卡輸入的兩路A/D轉換器具有14位分辨率和52 Mb/s的轉換速度，采集卡輸出鋸齒信號作為F?P濾波器的掃描電壓，掃描頻率從1～100 Hz范圍內可調，電壓范圍為0～12 V，上位機采用LabVIEW軟件對采集卡進行控制，處理數據等。

3 討論和分析

系統采集和計算步驟如下：

（1） 采集卡同步數據采集和輸出，即輸出鋸齒信號經D/A轉換為F?P濾波器的掃描電壓，同時采集兩路PD光電轉換后的信號，經A/D轉換后傳輸至上位機；

（2） 上位機將采集到的氣體特征光譜和FBG陣列信號進行歸一化處理和高通濾波，分別計算出氣體吸收譜線和光柵的峰值位置與掃描電壓的對應關系；

（3） 根據氣體吸收譜線的波長與掃描電壓，采用多項式擬合等方法擬合出F?P掃描電壓與波長對應曲線函數；

（4） 將FBG陣列的峰值所對應的掃描電壓值采用線性插值算法求出FBG波長值，即可根據FBG波長與溫度關系得出所測溫度值。

氣體吸收譜線使用18條吸收強度較大波長（參考圖5），波長范圍為1 515.593 2～1 536.721 6 nm，實驗中采用21個測溫FBG傳感器，波長范圍為1 519.137～1 577.919 nm，波長值由Micron optics公司的型號為SM125解調儀得出，并作為波長的參考值與系統解調計算值進行比較，以驗證解調精度。

按照以上方法，得出掃描電壓與氣體吸收波長及待測FBG波長的計算值，繪制曲線如圖6（a）所示。從圖中可以看出在掃描電壓上升和下降沿時，掃描電壓與波長值不重合，因此在利用電壓上升沿掃描電壓與波長值計算的測量FBG波長值偏小，反之偏大。實驗根據不同的擬合算法，利用掃描電壓與氣體吸收波長值分別計算出待測FBG波長值。測試結果如圖6（b）所示。以波長1 532.269 nm為例，從左到右依次是采用三次多項式、二次多項式和線性擬合得出的測試波長值，中間的橫向數值為待測波長值。從計算結果可知，當待測FBG波長靠近C2H2氣體吸收譜線波長時，計算波長誤差較小，遠離氣體吸收譜線波長時計算誤差逐漸變大，線性擬合結果誤差最大（最大誤差達50 pm），三次擬合結果最小（最大誤差達20 pm），這是由于氣體吸收譜線主要集中在C波段，無論采用哪種擬合方式，待測FBG的插值結果誤差小，遠離C波段時，插值結果誤差隨之加大；并且由于壓電陶瓷磁滯性，在鋸齒波上升沿時，計算波長值偏小，反之電壓下降過程中，計算波長偏大。

多次的試驗結果表明，由掃描電壓上升沿和下降沿計算得到的待測波長誤差基本一致，因此將一個鋸齒波的上升與下降作為一個掃描周期，將兩次的波長值平均后作為輸出波長值，誤差明顯減小，最大誤差絕對值為5 pm，測試結果滿足電纜溫度解調需求。

4 結 論

本文設計了一種高精度，高穩定性的FBG溫度傳感器，并且采用C2H2氣體作為參考波長校正F?P可調濾波器搭建溫度在線監測系統，波長測量誤差小于5 pm，溫度精度可達精度在±0.2 ℃，可實現對電力電纜的溫度檢測，并且該系統易于實現分布式檢測，成本較低，能夠滿足電力安全運行的需要。

參考文獻

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[6] 趙勇.光纖傳感原理與應用技術[M].北京：清華大學出版社，2007.