基于氣體特征吸收譜線的電纜光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

沈慶河　劉嶸　劉輝

摘 要： 基于電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種精度高、穩(wěn)定性好的光纖光柵溫度傳感器，光柵的波長(zhǎng)漂移與溫度成線性關(guān)系，結(jié)合F?P可調(diào)濾波器和LabVIEW軟件平臺(tái)搭建光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C2H2氣體吸收譜作為F?P可調(diào)濾波器的實(shí)時(shí)校正波長(zhǎng)，溫度傳感器的波長(zhǎng)解調(diào)不受外界溫度和壓力等環(huán)境的影響，通過(guò)插值擬合算法實(shí)現(xiàn)光纖光柵中心波長(zhǎng)的高精度解調(diào)，精度可達(dá)±5 pm，即測(cè)量溫度精度為±0.2 ℃。

關(guān)鍵詞： 電纜溫度； 光纖光柵； 氣體吸收譜； LabVIEW

中圖分類號(hào)： TN253?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jiān)測(cè)是了解電纜絕緣狀態(tài)、間接反映其載流量及有效避免電纜火災(zāi)，保證電纜系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要手段。目前電纜溫度檢測(cè)系統(tǒng)從工作原理可分為電信號(hào)和光信號(hào)傳感系統(tǒng)，電類傳感器包括熱電偶、熱電阻等；而光信號(hào)傳感器主要有光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）和基于拉曼或布里淵散射原理的分布式溫度測(cè)量（Distributed Temperature Sensing，DTS），DTS便于監(jiān)測(cè)長(zhǎng)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(shè)備，其造價(jià)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(diǎn)測(cè)量，多個(gè)傳感器串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成多個(gè)目標(biāo)溫度分布式測(cè)量，由于FBG傳感器制作簡(jiǎn)單、成本低，具有抗電磁干擾、傳感探頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸小、熔接損耗小、全兼容于光纖、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等特點(diǎn)，因此FBG傳感器在電力電纜測(cè)溫具有獨(dú)特的優(yōu)越性[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種采用低熔點(diǎn)玻璃焊接工藝制作的FBG溫度傳感器，線性度可達(dá)0.999，測(cè)量范圍為-30～100 ℃，符合電力電纜現(xiàn)場(chǎng)溫度在線監(jiān)測(cè)的要求。同時(shí)，采用F?P可調(diào)濾波器掃描法作為FBG溫度傳感器的解調(diào)方案，為了克服F?P可調(diào)濾波器在實(shí)際應(yīng)用中存在溫度漂移、電壓波長(zhǎng)的調(diào)諧關(guān)系具有滯后性、蠕動(dòng)性以及非線性等技術(shù)難題，使解調(diào)系統(tǒng)的精度和分辨力大幅提高，一般會(huì)采用光纖梳妝濾波器[4]或者標(biāo)準(zhǔn)具[5]作為參考波長(zhǎng)，本系統(tǒng)采用C2H2氣體的特征吸收譜線作為F?P濾波器的擬合數(shù)據(jù)參考點(diǎn)，采用插值擬合FBG波長(zhǎng)與F?P濾波器調(diào)諧電壓的線性關(guān)系，完成對(duì)電力電纜溫度的測(cè)量。研究表明，解調(diào)的波長(zhǎng)精度在±5 pm，溫度精度在±0.2 ℃。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 FBG測(cè)溫原理

如圖1所示，F(xiàn)BG是利用光纖纖芯的光敏特性，通過(guò)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(fā)生周期性永久改變，當(dāng)寬帶光通過(guò)FBG時(shí)，只有滿足布拉格反射條件的波長(zhǎng)會(huì)反射，即反射布拉格波長(zhǎng)[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(yīng)變條件下，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期[Λ]和有效折射率[neff]隨之產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致FBG波長(zhǎng)漂移[ΔλB，][ΔλB]與溫度的關(guān)系如下：

[ΔλBλB=（α+ε）?ΔT] （2）

式中：[α]為光纖的熱膨脹系數(shù)，一般為0.55×10-6 /℃；[ε]是光纖的熱光系數(shù)，常溫下約為6.3×10-6 /℃。從上式可以看出，F(xiàn)BG波長(zhǎng)的變化與溫度的變化呈線性關(guān)系，理論約10 pm/℃，這就是FBG測(cè)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(shí)際工程中，需要FBG進(jìn)行增敏以提高溫度靈敏度。本系統(tǒng)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(shù)為16×10-6 /℃，采用低熔點(diǎn)玻璃焊接光柵，無(wú)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(duì)傳統(tǒng)的環(huán)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(zhǎng)。

FBG傳感器結(jié)構(gòu)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(shù)很小的殷鋼，其熱脹系數(shù)與不銹鋼相比可忽略不計(jì)，再將焊接好的光柵與滑塊放置于底座的凹槽內(nèi)，對(duì)光柵進(jìn)行預(yù)拉，以達(dá)到所需要的范圍，然后用定位螺絲緊固滑塊。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)高低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG溫度傳感器在-30～100 ℃范圍內(nèi)，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(gè)小時(shí)內(nèi)，F(xiàn)BG波長(zhǎng)浮動(dòng)在±3 pm內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

1.3 溫度解調(diào)原理

本系統(tǒng)采用F?P可調(diào)濾波法，其基本原理如圖4所示，F(xiàn)?P濾波器上加載周期性鋸齒波即掃描電壓時(shí)，F(xiàn)?P濾波器輸出中心波長(zhǎng)可發(fā)生偏移，當(dāng)FBG陣列反射的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入FP濾波器時(shí)，F(xiàn)BG反射波長(zhǎng)與FP濾波器透射波長(zhǎng)一致時(shí)，此時(shí)光電探測(cè)器輸出的電壓值最大，通過(guò)標(biāo)定FP濾波器的中心波長(zhǎng)與電壓的關(guān)系就可得出待測(cè)溫度值。

為提高解調(diào)精度，采用C2H2氣體吸收譜作為F?P濾波器的校正波長(zhǎng)，氣體吸收譜線是與原子或分子受激吸收躍遷的上下能級(jí)之間的能量差值有關(guān)，幾乎不受外界的溫度、壓強(qiáng)的影響，因此波長(zhǎng)很穩(wěn)定，其次C2H2在1 510～1 540 nm范圍內(nèi)有50根明顯的吸收譜線，HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)C2H2譜線的波長(zhǎng)都做了標(biāo)定，可以作為一個(gè)良好的參考波長(zhǎng)校正F?P可調(diào)濾波器。

采用自制的氣體吸收池，里面放置一對(duì)光纖自準(zhǔn)直透鏡，工作距離為50 mm，密封了高純度的C2H2氣體（測(cè)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(zhǎng)參考，從而提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示，ASE光源通過(guò)加載掃描電壓的F?P濾波器后，經(jīng)過(guò)3 dB耦合器分成相等的兩束，一路經(jīng)過(guò)光環(huán)行器入射到FBG陣列并返回至光電探測(cè)器（Photo Diode）P2，另一路則進(jìn)入C2H2氣體吸收池，透射至光電探測(cè)器P1，兩路電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至上位機(jī)。

光電探測(cè)器型號(hào)為GT322D InGaAs PIN光電二極管，室溫下響應(yīng)度為0.95 A/W，采集卡輸入的兩路A/D轉(zhuǎn)換器具有14位分辨率和52 Mb/s的轉(zhuǎn)換速度，采集卡輸出鋸齒信號(hào)作為F?P濾波器的掃描電壓，掃描頻率從1～100 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，電壓范圍為0～12 V，上位機(jī)采用LabVIEW軟件對(duì)采集卡進(jìn)行控制，處理數(shù)據(jù)等。

3 討論和分析

系統(tǒng)采集和計(jì)算步驟如下：

（1） 采集卡同步數(shù)據(jù)采集和輸出，即輸出鋸齒信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為F?P濾波器的掃描電壓，同時(shí)采集兩路PD光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至上位機(jī)；

（2） 上位機(jī)將采集到的氣體特征光譜和FBG陣列信號(hào)進(jìn)行歸一化處理和高通濾波，分別計(jì)算出氣體吸收譜線和光柵的峰值位置與掃描電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（3） 根據(jù)氣體吸收譜線的波長(zhǎng)與掃描電壓，采用多項(xiàng)式擬合等方法擬合出F?P掃描電壓與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)曲線函數(shù)；

（4） 將FBG陣列的峰值所對(duì)應(yīng)的掃描電壓值采用線性插值算法求出FBG波長(zhǎng)值，即可根據(jù)FBG波長(zhǎng)與溫度關(guān)系得出所測(cè)溫度值。

氣體吸收譜線使用18條吸收強(qiáng)度較大波長(zhǎng)（參考圖5），波長(zhǎng)范圍為1 515.593 2～1 536.721 6 nm，實(shí)驗(yàn)中采用21個(gè)測(cè)溫FBG傳感器，波長(zhǎng)范圍為1 519.137～1 577.919 nm，波長(zhǎng)值由Micron optics公司的型號(hào)為SM125解調(diào)儀得出，并作為波長(zhǎng)的參考值與系統(tǒng)解調(diào)計(jì)算值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證解調(diào)精度。

按照以上方法，得出掃描電壓與氣體吸收波長(zhǎng)及待測(cè)FBG波長(zhǎng)的計(jì)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(shí)，掃描電壓與波長(zhǎng)值不重合，因此在利用電壓上升沿掃描電壓與波長(zhǎng)值計(jì)算的測(cè)量FBG波長(zhǎng)值偏小，反之偏大。實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同的擬合算法，利用掃描電壓與氣體吸收波長(zhǎng)值分別計(jì)算出待測(cè)FBG波長(zhǎng)值。測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示。以波長(zhǎng)1 532.269 nm為例，從左到右依次是采用三次多項(xiàng)式、二次多項(xiàng)式和線性擬合得出的測(cè)試波長(zhǎng)值，中間的橫向數(shù)值為待測(cè)波長(zhǎng)值。從計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)待測(cè)FBG波長(zhǎng)靠近C2H2氣體吸收譜線波長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算波長(zhǎng)誤差較小，遠(yuǎn)離氣體吸收譜線波長(zhǎng)時(shí)計(jì)算誤差逐漸變大，線性擬合結(jié)果誤差最大（最大誤差達(dá)50 pm），三次擬合結(jié)果最小（最大誤差達(dá)20 pm），這是由于氣體吸收譜線主要集中在C波段，無(wú)論采用哪種擬合方式，待測(cè)FBG的插值結(jié)果誤差小，遠(yuǎn)離C波段時(shí)，插值結(jié)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(shí)，計(jì)算波長(zhǎng)值偏小，反之電壓下降過(guò)程中，計(jì)算波長(zhǎng)偏大。

多次的試驗(yàn)結(jié)果表明，由掃描電壓上升沿和下降沿計(jì)算得到的待測(cè)波長(zhǎng)誤差基本一致，因此將一個(gè)鋸齒波的上升與下降作為一個(gè)掃描周期，將兩次的波長(zhǎng)值平均后作為輸出波長(zhǎng)值，誤差明顯減小，最大誤差絕對(duì)值為5 pm，測(cè)試結(jié)果滿足電纜溫度解調(diào)需求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種高精度，高穩(wěn)定性的FBG溫度傳感器，并且采用C2H2氣體作為參考波長(zhǎng)校正F?P可調(diào)濾波器搭建溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，波長(zhǎng)測(cè)量誤差小于5 pm，溫度精度可達(dá)精度在±0.2 ℃，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜的溫度檢測(cè)，并且該系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)，成本較低，能夠滿足電力安全運(yùn)行的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛亮，胡澤，李俊蘭.基于分布式光纖的油井溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（5）：102?104.

[2] 劉小紅，吳懷玉，任濟(jì)雙，等.基于光纖光柵傳感的變壓器繞組溫度檢測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：168?170.

[3] 甘維兵，王立新，張翠.分布式光纖光柵測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度[J]. 激光與紅外，2011，41（5）：577?580.

[4] 李政穎， 周祖德， 童杏林，等.高速大容量光纖光柵解調(diào)儀的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（3）：52?57.

[5] 李錦明，馬游春，閆樹(shù)斌，等.基于可調(diào)諧濾波器的高精度寬量程光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)[J].中國(guó)激光，2013，40（9）：109?113.

[6] 趙勇.光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.