基于FBG的輸電線路溫度解調(diào)系統(tǒng)

蔣 建

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

基于FBG的輸電線路溫度解調(diào)系統(tǒng)

蔣 建

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

溫度監(jiān)測是輸電線路覆冰監(jiān)測中的重要組成部分。本文研制出基于單片機(jī)的低成本高分辨率高精度光纖Bragg光柵（FBG）溫度解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用可調(diào)諧F-P濾波器法對溫度傳感器反射光譜進(jìn)行波長解調(diào)。為降低F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷非線性的影響，采用3根FBG作為參考光纖光柵，對波長-溫度曲線進(jìn)行二次擬合求解。試驗結(jié)果表明，該解調(diào)系統(tǒng)分辨率達(dá)1.4pm，精度達(dá)1.2℃，具有廣泛實用性。

FBG；輸電線路；單片機(jī)；溫度監(jiān)測

輸電線路覆冰是威脅電力系統(tǒng)安全的重要因素之一。2008年初，我國南方冰災(zāi)，導(dǎo)致了大面積的線路斷線、倒塔等嚴(yán)重情況，直接經(jīng)濟(jì)損失超過千億元。輸電線路環(huán)境復(fù)雜，光纖Bragg光柵（FBG）傳感器以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，具有精度高，抗電磁干擾，絕緣性能好，耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，溫度監(jiān)測是輸電線路覆冰監(jiān)測的重要組成部分，本文主要介紹了輸電線路FBG溫度監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)的研制。

FBG溫度解調(diào)關(guān)鍵在于對光纖光柵中心波長漂移的解調(diào)。利用光譜儀直接觀測，價格昂貴，分辨率低，不適用于實際工程。目前，國內(nèi)外光纖光柵解調(diào)方法很多，常用的主要包括：匹配光纖光柵濾波器法，可調(diào)諧F-P濾波器法，邊緣濾波器法等，其中可調(diào)諧F-P濾波器法的波長掃描范圍典型值為幾十納米，分辨率可達(dá)皮米量級，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，技術(shù)較為成熟，本文采取此方法進(jìn)行解調(diào)。此外，為了降低成本，采用單片機(jī)作為解調(diào)的核心控制器件，同時采用3根FBG作為參考光纖光柵，通過曲線擬合降低F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷非線性的影響。

1. 解調(diào)原理

1.1 FBG傳感原理

由耦合模理論可知，當(dāng)寬帶光在FBG中傳輸時，中心波長滿足公式（1）的光將被反射回來：

式中：neff是纖芯的有效折射率，∧是光柵周期。其中應(yīng)變和溫度分別通過彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)影響neff，通過長度改變和熱膨脹效應(yīng)影響∧，進(jìn)而使λB發(fā)生移動。

溫度和應(yīng)變變化引起的波長漂移關(guān)系為：

式中：△λ為FBG波長變化量，ε為應(yīng)變量，△T為溫度變化。

本文中，F(xiàn)BG傳感器采用特殊封裝，不受應(yīng)力影響，波長漂移僅由溫度變化引起。

1.2 解調(diào)系統(tǒng)原理圖

解調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)所需電源直接由輸電線路取得。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器、耦合器，進(jìn)入FBG傳感器，中心波長滿足公式（1）的將被反射，其余光透射。反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入可調(diào)諧F-P濾波器。可調(diào)諧F-P濾波器相當(dāng)于一個特殊的光學(xué)濾波器。給壓電陶瓷PZT施加一個三角波掃描電壓，壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮，從而改變F-P腔的腔長，使透過F-P腔的光的波長發(fā)生改變。若F-P腔的透射波長與FBG的反射波長重合，則透射光強(qiáng)最大，光電探測器（PIN）能探測到最大電壓，此時給壓電陶瓷施加的掃描電壓V就對應(yīng)著FBG的反射波長。因此通過檢測電壓信號即可得到反射波波長，進(jìn)而得到所測變量的信息。

1.3 F-P腔腔長漂移及壓電陶瓷非線性

利用可調(diào)諧F-P濾波器進(jìn)行FBG解調(diào)時有兩個因素會影響解調(diào)精度，即F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷（PZT）的非線性。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)-P濾波器的腔長會發(fā)生漂移，此外，壓電陶瓷PZT的伸長量和電壓并非成嚴(yán)格的線性關(guān)系，直接用電壓代表伸長量將引入誤差。

為解決上述兩個問題，試驗中采用3根參考光柵，并保持其中心波長不變，用二次曲線擬合PZT的伸長量和電壓的關(guān)系，用解方程的方法同時解決同一溫度下的腔長漂移和PZT非線性問題，以提高精確度。壓電陶瓷的伸長量L，影響透射中心波長的大小，可以用透射中心波長λ代替L列方程求解。

表1　試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

式（3）中U0～U3為PIN探測器探測到的電壓脈沖極大值對應(yīng)的三角波電壓值，這些電壓值可以通過單片機(jī)采集系統(tǒng)采集獲得，λ1～λ3為參考光纖光柵的中心波長值，這3個值通過光譜儀或其他解調(diào)設(shè)備獲得，λ0是待測光纖光柵的中心波長值，a，b，c為二次系數(shù)。

2. 單片機(jī)解調(diào)硬件電路

單片機(jī)解調(diào)電路采用兩塊單片機(jī)，一塊D/A和一塊A/D芯片，分別構(gòu)成D/A和A/D模塊進(jìn)行掃描電壓輸出和采樣。

2.1 掃描三角波輸出

本實驗中的F-P濾波器自由光譜范圍（FSR）為93.3nm，三角波每半個周期將掃描完一個自由光譜范圍。單片機(jī)2芯片采用STC11F60XE，為了提高系統(tǒng)分辨率，采用16位D/A芯片AD669。單片機(jī)2中利用16位計數(shù)器循環(huán)加1計數(shù)，控制D/A芯片輸出，構(gòu)成三角波上升沿，計數(shù)器從1至最大值計數(shù)輸出時，線性對應(yīng)三角波0至最大值。因此一個FSR將被分為216，即65535個電壓臺階，系統(tǒng)分辨為93.3nm/65535=1.4pm，實現(xiàn)高分辨率解調(diào)。計數(shù)器輸出最大值后減1輸出，構(gòu)成三角波下降沿。AD669輸出三角波電壓范圍為0～10V，經(jīng)后端放大電路放大為0～22V，送入F-P濾波器。

3. 試驗結(jié)果

3.1 試驗波形

利用單片機(jī)產(chǎn)生的掃描三角波波形和PIN探測器探測到的電壓脈沖波形如圖2所示。

實際輸電線路溫度變化緩慢，低頻解調(diào)可滿足測量系統(tǒng)的實際要求。系統(tǒng)中三角波每個電壓臺階維持時間20us，周期2.62s，頻率0.38Hz。

3.2 溫度解調(diào)結(jié)果

試驗中3根參考光柵采用波分復(fù)用串接置于恒溫環(huán)境中，保持其中心波長λ1～λ3不發(fā)生變化，采用水浴法改變光纖光柵溫度傳感器的溫度，溫度解調(diào)結(jié)果與二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計進(jìn)行結(jié)果的比對。二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計精度為0.04℃。

單片機(jī)將采集到的脈沖峰值對應(yīng)的三角波值經(jīng)無線發(fā)送到后臺，經(jīng)方程求解得到中心波長數(shù)據(jù)。由表1可見，本解調(diào)系統(tǒng)的誤差可達(dá)到±1.2℃以內(nèi)，滿足輸電線路溫度的工程實測要求。

結(jié)論

為了進(jìn)行輸電線路覆冰監(jiān)測，研制了基于FBG的輸電線路溫度解調(diào)系統(tǒng)。采用單片機(jī)作為核心控制元件，大大降低了系統(tǒng)成本。利用可調(diào)諧F-P濾波器解調(diào)方法實現(xiàn)高精度高分辨溫度解調(diào)。由于溫度變化率緩慢，采用低頻解調(diào)，三角波掃描頻率為0.38Hz，解調(diào)系統(tǒng)分辨率1.4pm，溫度精度±1.2℃，滿足輸電線路溫度測量要求。該解調(diào)系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他FBG傳感器測量場合，具有廣泛的實用性。

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