在线光纤传感（共8篇）
在线光纤传感 篇1
摘要：提出了一种用于输电线路微气象在线监测的系统,该系统采用光纤光栅温湿度传感器作为传感器件。在光纤光栅表面处涂有湿敏材料后可将对湿度的感应转化为对应变的响应,再结合温度补偿,可有效果地测量环境温湿度。
关键词：光纤光栅,温湿度传感器,微气象,输电线路
在一些特殊的地理环境会产生一些特殊的气候条件,这些特殊地方的气候环境与周边环境有明显的差别,如山谷、山峰、河流等。不可避免地,架设的输电线路经常会经过这样的地方。这些特殊的地理环境经常会影响输电线路的正常运行,甚至会严重损坏输电线路,造成巨大的经济损失。为了保证输电线路的正常运行,输电线路微气象在线监测系统应运而生。
在现有的温度-湿度传感器中,湿度参量的高精度测量比温度参量要困难得多。电容式、电阻式等电量湿度传感器,由于测量精度高、响应速度快、以及信号易于处理和控制等优势,在市场中占据了主导地位,但存在着长期稳定性较低、互换性差等不足;而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约,应用范围非常有限。考虑到FBG特有的稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点,提出一种以FBG为基础、以改性的聚酰亚胺(PI)为湿敏材料的FBG湿度传感器。它兼有传统湿度传感器的优点,并可克服其不足[1,2,3,4]。
基于光纤光栅传感器的输电线路微气象在线监测系统是一套针对输电线路在特殊地点的气象环境监测而设计的,可监测环境温度、湿度气象参数,并将传感信号通过OPGW光纤传递到位于变电站处的解调设备进行解调。系统主机可对采集到的数据进行存储、统计与分析,并将所有数据通过各种报表、统计图、曲线等方式显示给用户。当出现异常情况时,系统会以多种方式发出预报警信息,提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施。
1 原理
由麦克斯韦经典方程结合光纤耦合理论可知,当宽带光在FBG中传输时,中心波长满足公式的光将被反射回来[5],有下式
式中,λB为反射波中心波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅周期。则FBG反射波的中心波长λB取决于纤芯的有效折射率neff和光栅的周期Λ,任何能使这两个参量发生变化的物理量都会导致FBG反射波中心波长的变化,通过测量反射波的中心波长偏移可达到测量外界物理量的目的。能够引起这两个参量变化最直接的物理量是应变和温度。外界应变和温度的变化可分别通过光弹效应和热光效应影响布拉格光栅纤芯的有效折射率,通过长度改变和热膨胀效应影响光栅周期。光纤布拉格光栅传感器的主要工作原理是借助于外界装置将被测参量转换成为温度或应变的变化,从而使得FBG反射中心波长发生变化,达到检测外界物理量的目的。
2 传感器的设计
光纤光栅温湿度传感器实质上就是将光纤光栅温度传感器与光纤光栅湿度传感器集成在一起。光纤光栅湿度传感器是利用湿敏材料聚酰亚胺(PI)进行封装,将湿敏材料涂覆在光纤光栅表层,材料对湿度敏感,当湿度变化时,湿敏材料会膨胀,光纤光栅收到的应变会发生变化,改变了布拉格波长的输出量,从而实现对湿度的测量[6]。其结构示意图如图1所示。
根据热胀冷缩的原理,材料本身会受到温度的影响,所以还需将材料的热膨胀引起的波长变化量进行补偿。因此,光纤光栅温度传感器既用来测量外界环境的温度,又可用于湿度测量时的温度补偿计算。
设计传感器外形结构时,选取轻型百叶箱作为外壳,来保证箱体内部光纤光栅可适当的通风,能真正地感应外界空气温度和湿度的变化。实物如图2所示。
3 光纤光栅温湿度测量系统
光纤光栅温湿度传感系统由光源、光环形器、传感器和光纤光栅解调模块等几个部分组成,如图3所示。
ASE宽带光源发出的宽带光经光环形器1端口进入后由光环形器2端口入射到光纤光栅温湿度传感器,光纤光栅反射回来的窄带光经光环形器3端口进入光纤光栅解调模块,光纤光栅温湿度传感器放置在可程式恒温恒湿试验箱中,改变试验箱的温度或湿度后,通过光纤光栅解调模块检测光纤光栅中心波长的变化。
通过上述测量系统,对光纤光栅温湿度传感器进行了定标试验和计量实验。首先设置试验箱的温度在35℃保持不变,湿度分别以40%、50%、60%、70%、80%和90%进行试验,测试结果如图4和图5所示。这样可得出传感器中湿度光栅波长随湿度变化的系数为2.9 pm/%RH,温度光栅对湿度不敏感。
然后设置试验箱的湿度在40%RH保持不变,温度分别以30℃、35℃、40℃、50℃和60℃进行试验,测试结果如图6和图7所示。这样可得出传感器中湿度光栅波长随温度变化的系数为12.1 pm/℃,温度光栅波长随温度变化的系数为10.3 pm/℃。
取温度为35℃、湿度为40%RH时的波长数据为依据来给出湿度的计算公式如下
式中,λ0湿度、λ0温度分别是在温度为35℃、湿度为40%RH时湿度光栅和温度光栅的波长值。
基于上述的计算公式,又进行了计量实验。首先维持温度在25℃,湿度按43.5%、60%、80%三个点上升,然后升温至35℃,湿度按80%、60%、40%这三个点下降。实验数据如表1所示。
4 挂网试运行
光纤光栅温湿度传感器已于2015年5月在浙江某220 k V输电线路上进行了挂网实验,其安装现场如图8所示。
首先用设计的夹具固定好温湿度传感器,然后将整套传感器件用螺栓固定在杆塔处,再用不锈钢扎带或黑色扎丝将光缆捆绑在塔杆上,注意走线尽量顺沿塔杆,要求美观、不凌乱。
5 结论
(1)通过对光纤光栅温湿度传感器的定标试验,得出了温度补偿下的湿度测量公式,并在计量测试中得到了验证。实验结果显示,所制的FBG湿度传感器误差小于5%,所制的FBG温度传感器误差小于1.5%,性能优越。
(2)文中所制的光纤光栅温湿度传感器属于无源器件,具有抗电磁干扰的优势,适合用于架空输电线路上的监测。
(3)光纤光栅温湿度传感器还会受到工艺和技术问题的影响,有待于进一步研究。
参考文献
[1]Qiu Y Y,Azeredo L R,Aleacer J E,et al.A CMOS humiditysensor with on-chip calibration[J].Sensor and Actuators A,2001,92:80-87.
[2]Gerlach G,Sager K.A piezosistive humidity sensor[J].Sen-sor and Actuators A,1994,43:181.
[3]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报,2003,32(10):l167-1169.
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[5]Kersey A D,Davis M A,Patrick H J,et a1.Fiber gratingsensors[J].Journal of Lightwave Technology,1997,15(18):1441-1463.
[6]金永君,李海宝,刘辉.聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的特性分析[J].大学物理,2009,28(7):39-42.
在线光纤传感 篇2
光纤气体检测综述
1.1国内外光纤气体检测技术的发展
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来, 并转换成电信号的器件, 人们很早就开始了气体传感器的研究, 将其用来对有毒、有害气体的探测, 对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等, 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。
光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质, 如光纤传输信息时能量损耗很小, 给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定, 不受电磁场干扰, 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今, 一直都在飞速发展[1]。
世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来，它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性[2]。
1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。
1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。
1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。
1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。
2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。
2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。
2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。
2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。
2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪[12]。
2008年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源LED进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响[13]。
2009年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由DSP芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度[14]。
2010年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统，能对单一气体记性对波段测定检测，同时可以完成多种气体共存环境的检测。提出了一种基于最小二乘的背景噪声消除方法。利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方法，实现了传感器输出的归一化，解决了传感器背景噪声漂移的问题，同时解决了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度[4]。
2012年，张可可[5]以比尔-郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据HIRAN数据库，选择近红外区甲烷2v3带R3支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。
专利方面，国内发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。《带有光纤气体传感器的传感系统》 专利号：CN101545860 发明人：夏华;J·S·戈德米尔;K·T·麦卡锡;A·库马;R·安尼格里;E·伊尔梅茨;A·V·塔瓦尔;Y·赵。这是一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20),该传感器具有 位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光 栅结构（36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期 调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构 的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材 料,该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米 Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气 体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感 器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统。《一种光纤气体传感器》 专利号：CN101059443 发明人：侯长军;霍丹群;张红英;廖海洋;郑小林;侯文生;杨军;皮喜田。这是一种光纤气体传感器,涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器 主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应,显著提高检测的灵敏度；同一 反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液, 就能对不同的目标气体进行有效检测,检测范围广等特点,故本发明传感器可广泛应用于厂 房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体,有利于环 境保护和人们的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，专利号：JP2009244262发明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。这个专利发明了一种传感系统以及传感器。传感系统包括一组不同类别的光纤气体传感器，这些传感器通过温度修正测量气体浓度。光纤气体传感器包括光纤芯，第一和第二折射率周期性调制光栅结在光纤芯里有不同的振幅调制方法。光纤包层包裹着第一和第二折射率周期性调制光纤结构。传感层位于光纤包层结构中。传感层包括一个由Pb合金传感材料，如纳米级氧化铂等。光纤气体传感器是在燃烧环境中通过温度修正测量气体浓度。
1.2光纤气体传感器分类
（1）光谱吸收型光纤气体传感器 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ 的单色光在充有待测气体的气室中
传播距离为L 后，其吸收后的光强为：
I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）
式（1）中，I0(λ)为波长为λ 的单色光透过不含待测气体的气室时的光强；C 为吸收气体的浓度；αλ为光通过介质的吸收系数。整理即：
I0)ICL
（2）
ln(通过检测通气前后光强的变化，就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图1 所示。光源发出的光，由光纤送入气室，被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，得到的信号光送入计算机进行信号处理，可得出气体浓度。
图1 光纤气体传感器原理框图
（2）渐逝场型光纤气体传感器
渐逝场型光纤传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能性光纤传感器，从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。（3）荧光型光纤气体传感器
这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由其相互作用的荧光染料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感器相比，荧光行传感器使用波长（荧光波长）不同于激励波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。（4）燃料指示剂型光纤气体传感器
一些气体在石英光纤低耗窗口内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃料的光学性质发生变化，利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，分析气体浓度信息。
图 2 1.3 光纤气体传感器的特点
由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。
尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：
（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；
（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；
（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；
（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；
（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。
由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。
产品调研
1、北京品傲光电科技有限公司 光纤传感器性能指标如图3：
图 3 系统设备及参数如图4：
图 4 光纤气体传感器课探测气体如图5：
图 5 产品实例图：
10,000 ppm= 1％ v / v（体积之比）价格：
35万左右。基恩士（香港）有限公司
目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度
2、深圳富凯士公司
只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。
3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。
浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国City Technology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。
长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。
发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所： 王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。
参考文献
在线光纤传感 篇3
随着城市高压线缆从空中向地下铺设工程的实施,目前城市输电线路基本采用地下隧道的形式运输电力。对城市输电网络进行安全健康监测、及时发现故障、确保社会的正常运行越来越重要。但是电缆隧道现场环境十分恶劣,常规安防报警设备完全无法应用。现场环境状况:1) 地下电缆沟长时间使用后,容易积水、积淤泥,常规电子设备无法在如此恶劣的环境内长期工作;2) 电缆隧道内无220 VAC供电电源,常规电子设备无法供电,且由于地下电缆沟内环境恶劣,长距离220 VAC供电也容易引起漏电危险。
为解决电缆沟内输电电缆防盗预警的问题,有厂家提出利用低压脉冲反射[1]原理的思路,并推出相应产品。其基本原理是首先把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,然后向输电电缆屏蔽层注入低压脉冲。当该脉冲沿输电电缆屏蔽层传播到阻抗不匹配点,如短路点、故障点、中间接头等位置即产生反向脉冲,该反向脉冲回送到测量点被仪器记录下来。通过计算发生脉冲与反射脉冲的时间差和脉冲在屏蔽层的波速度,即可计算阻抗不匹配点。但这种产品存在2 个问题:1) 把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,会给输电电缆的正常运行带来新的不安全、不稳定因素,给电网运行带来新的安全隐患;2) 电缆沟内输电电缆众多,每条输电电缆的屏蔽层都要抬升对地电压,改造工作量繁重,人力物力投入巨大。为此,本文提出基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统,利用分布式光纤入侵传感系统,可有效解决以上问题。
1 系统结构
基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统结构图如图1 所示,光纤传感主机采用基于偏振光时域反射(polarization optical time-domain reflectometer,POTDR)[2,3,4,5,6]原理的传感系统,光纤传感主机通过互联网与安全状态发布服务器相连,用户可使用个人电脑、智能手机等终端设备通过互联网与服务器连接,进而获取电缆隧道的安全状态。当隧道内电缆受到外力破坏(如盗窃、施工等行为)时,运维人员可第一时间获取破坏点地理位置信息,赶赴现场进行处理。
光纤传感主机放置在电缆隧道的始发点或者中继点(一般为变电房)内。变电房内提供200 VAC市政供电,配备互联网连接接口。传感光缆沿电缆隧道进行铺设。光缆自身具有防腐蚀、防电磁干扰等优点,可适应电缆隧道恶劣的环境。由于光缆作为传感单元,传感现场无需供电,所以不存在传感设备现场供电难的问题。光缆沿被保护的电缆铺设,未对电网任何设备进行改造,对电网的安全未引入新的不确定因素。
2 布线方式
全分布式光纤传感技术[7,8,9],因不需要传感器(只需要采用光纤)即可测量沿光纤路径的时间和空间连续分布信息,克服了点式传感器(如光纤光栅传感器)难以全方位连续监测被测场的缺陷,并具有损耗低、耐腐蚀、易安装铺设、抗电磁干扰、信号数据可多路传输等传统安防产品不具备的优点,从而成为目前安防领域最理想的大型设施无损检测技术。但实际电缆隧道中线缆繁杂,环境复杂,不良的布线方式严重影响光纤传感系统的应用效果和稳定性。本文根据实际工程对传感光缆布线方式进行了优化。根据现场环境并经过多次试验,提了S形的传感光缆敷设方法。一根光缆根据电缆隧道的整体走向,按照S形与多根电缆捆绑,如图2 所示。该敷设方法的优点有:1) 一根光缆覆盖多条电缆,节约光缆用量;2) 当存在偷盗行为时,由于S形光缆的非绷直状态,会造成光缆的形变量较大,有利于光纤传感的信号检测。
3 算法原理
一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统采用基于POTDR的分布式光纤传感系统,系统结构图如图3 所示。
脉冲光源发射监测脉冲进入传感光纤,光电探测器探测传感光纤瑞利散射光经过检偏之后的强度信息,此强度信息为沿着光纤分布的强度信息P(z)。当传感光纤未受任何外界扰动时,P(z) 随时间的变化表现为缓变的过程,图4 为未扰动时相邻2 个脉冲周期的POTDR曲线。当传感光纤受到外界扰动并引起光纤的位移时,P(z) 随时间的变化表现为快速的变化过程,图5 为当1350 m处受到扰动时,相邻2 个脉冲周期去噪后的POTDR曲线。由图5 可知,在1400 m左右位置,P(z)开始出现较大的差异(图中圆圈所示区域)。但是由于光电探测器的热噪声、外界环境干扰等因素影响,从图5 中2 条曲线差值看,很难直接准确判断扰动位置为1350 m处。为此本文提出改进的判断算法。
注:T1、T2为2个相邻周期的数据;|T1-T2|为2组数据差的绝对值
虽然有时2 组数据的算术平均数、标准差和偏态系数都相同,但它们分布曲线顶端的高耸程度却不同。峰度系数可描述这种数组之间的差异,它反映了频数分布曲线顶端尖峭或扁平程度。统计学用四阶中心矩来测定峰度。当有信号差异的2 组数据进行比较时,由于数据处于不同的分布状态,其峰度系数必定存在较大差异,可利用四阶中心矩来区分有无信号差异。
本文设计的数据处理算法,首先对相邻2 个周期去噪后的POTDR曲线作差处理,得到2 条曲线的差异D(z)=|P(z)T1-P(z)T2|;然后对D( z) 进行分组处理,设数组Y1为D(z) 的前100 个数据点;数组Y2为D(z) 的第2 至第101 共计100 个数据点;数组Y3为D(z) 的第3 至第102 共计100 个数据点;以此类推;最后分别求出数组Y1,Y2,… ,YL-n+1的四阶中心距:
其中,,k=1,2,…,L-n+1;L为数组D的长度。
按照上述数据处理算法对图5中的数据进行处理,结果如图6所示。
从图6可以看出,设定强度阈值为1011时,超过强度阈值的位置在1365 m处。这个结果和实际扰动位置(1350 m)存在一定的误差。产生误差的原因有:1) 由于实验中POTDR的脉冲宽度为1μs,对应的空间分辨率为100 m;2) 由于整个系统存在环境噪声、光电探测器热噪声等各种噪声,所以强度阈值不能设置太低,以免引起误报警。
然而实际工程中由于现场环境复杂,仅靠阈值判定报警误报率较高。如降雨或者老鼠等小动物扰动光纤可能会引起信号超过阈值。为此本文设计了振铃算法。设振铃宽度J和振铃次数阈值I,将连续J个周期的分段四阶矩波形与强度阈值进行比较,记录每个周期内距离最近的超过阈值点。当超过I个周期都存在超过阈值点时触发报警,报警点为所有超过阈值的点中距离最近的点。J和I的值可根据具体的现场环境进行调整。在南方电网某局的现场试点工程中测试发现,当J和I分别选择150 和10 时,报警效果较好。
4 标定方法
由于光纤传感系统检测距离和实际地理位置难以标定,特别是采用S形敷设方法后,事件发生点到光纤传感主机的光缆长度和实际地理位置更加难以对应。本文建立基于Web平台[10]的管理系统,提出基于地理信息系统(geographic information system,GIS)[11]的标定方法,可快速准确地对分布式光纤入侵系统进行标定。
基于GIS的定位算法流程图如图7 所示。首先,在服务平台添加报警节点表单,表单包括节点名称(实际地理位置常用名称)、距离(光纤传感主机到此点所敷设的光缆长度)、经纬度(唯一标示此点在地图上的位置)等参数;然后,当管理平台接收到光纤传感主机发来的报警信号后,提取报警信息中的距离信息,将报警距离和表单中的节点距离信息依次比较,找到最接近的一个节点,判断此节点附近出现入侵事件并提醒用户注意。
5 结语
结合电缆隧道安全监测的具体应用场景,本文提出了一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统。与典型的传统监测方式(如基于低压脉冲原理的系统、基于电子振动传感的智能井盖视频监控等)相比,光纤传感系统在电缆隧道的监控应用中有2 个优点:1) 现场无需供电,解决了现场环境复杂、取电难等问题;2) 无需对电网系统进行任何改造,避免引入新的不安全因素。此外本文根据电缆隧道现场环境的特殊性,在分布式光纤振动传感技术已有成果的基础上,设计并优化了事件识别算法和布线方式,建立了基于Web平台的管理系统,提出了基于GIS的标定方法。研究成果在南方某辖区进行了工程试点,取得了良好的效果。
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基于光纤光栅的光纤电流传感 篇4
与传统的电磁式电流传感器相比, 光学电流传感器具有抗电磁干扰能力强, 绝缘性强、频带宽和动态范围大等特点, 受到了广泛的关注。其中, 将GMM与FBG结合作为传感器对电流进行检测的方案具有线性度好, 可远程操控等优点, 具有重要的应用价值[1,2,3,4]。本文设计了一种GMM-FBG结构的电流传感器, 利用MI对FBG波长信息进行解调, 实现对交流电流信号的检测。
2 原理
系统基本原理图如图1 (1) 所示, 被测交流电通过汇流排而产生的磁场作用于GMM上, GMM产生的磁致伸缩效应引起FBG波长的动态变化, 由解调装置转化为电平信号, 从而探知电流信息。
已知电流与磁场强度成线性关系, 且永磁体使得GMM工作在线性区, 因此在环境温度不变的情况下, FBG受到的轴向应变和待测电流i也是线性关系。则FBG中心波长漂移与i间的关系:
式中C为常数。所以通过测量FBG中心波长的漂移量, 可实现交变电流的测量。由图1 (1) 可知, FBG反射回的光经环行器后进入MI, 得到干涉信号为:
其中, I1和I2分别是干涉仪两臂光强;R1和R2分别是两干涉臂端面反射率。n是光纤折射率, l是臂长差, 是干涉谱初始相位。当汇流排通过测交流电时, 会改变, 同时MI干涉谱的相位也相应变化:
因此, 通过光电转化 (PD) 输出的电压值可计算出交流电流大小。
3 实验结果和分析
3.1 系统设计
传感实验装置由宽带光源ASE、传感系统、解调系统和数据采集系统组成, 如图1 (1) 所示。ASE平坦区波长范围为1535nm~1565nm。汇流排作为激励源, 硅钢片对磁场回路进行限制。为避免GMM发生倍频且工作在线性区, 核心传感部件中加入可提供直流偏置磁场的永磁体。如图1 (2) 所示, FBG通过永磁体中的光纤毛细管埋入GMM中, 两端用环氧树脂胶将FBG与传感基座固定, 避免核心传感部件的封装会对FBG栅区产生影响。解调部分的MI则由一个2×2单模光纤耦合器与微位移器构成。
3.2 实验结果分析
将交流电流的幅值从100A到2000A逐渐增大, 从图2可知PD输出的电压信号和待测电流幅值进行线性拟合后, 得到线性相关性为99.91%。
由于以上实验数据均建立在系统不受周围环境温度影响的基础上, 因此在下一步工作中, 我们将增加一个参考的光纤光栅抵消温度的影响。
4 结语
在本文中, 设计了一种基于GMM-FBG结构的便于封装的光纤电流传感器。实验结果表明, 在电流幅值为100A~2000A时, 传感器输出信号值与被测交流电间成线性关系。该电流传感系统结构简单, 易于封装, 并具有成本低, 方便实现与调试的优点。
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光纤生物传感器的传感机制 篇5
传感器是能感受某种被测量信号,并将其转换成声、光、电等信号的元件,包括敏感元件、转换元件以及相应线路等。传感器的种类很多,其中以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作为敏感元件组成的传感器称为生物传感器,而以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器(fiber optic biosensor,FOBS),这种传感器通过检测生物反应所产生的光,通过检测光的强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。与其他传感器相比,这种传感器具有抗电磁干扰能力强,不用参考电极,可以实现探头微型化以及用于遥测和适时检测等优点。
1 反应池光吸收型传感
光纤传感器系统中,可利用一系列光纤现象来传感化学量,其中最简单的方法莫过于在特定波长处的光吸收效应,光吸收效应主要用于检测池分离型光纤传感器,即一根光纤或光纤束将光引入化学反应池,由化学反应池返回的光用另一根光纤或光纤束收集。光吸收的强弱取决于待测分子的吸收率、光程及光波长。一束准直光在吸收介质中经过距离z后检测到的光强由式(1)表示:
吸收系数a与吸收分子的吸收截面积Cs和分子浓度Cm有关，Cs和Cm的量纲分别是平方米泉市（m2)和每立方米物质的量(mol/m3)。它们的关系式：
式中，N是阿伏伽德罗常数，其值为6.022×1023个/mol。
在大多数光纤传感系统中，光束总有一定的发散，并且探测器也不能接收到光纤中所传输的全部光，这些因素使光强对于距离的依赖性变得更加复杂。例如，在一个由半径分别为r1和r2（r2<r1)的发送光纤和接收光纤组成的系统中，当光线在吸收介质中经过了距离z后，接收光强大致为：
式中，φ为光纤末端出射光的散射角。该式假定光束的扩散光斑均匀且散射角小。在建立实际系统的模型时还应考虑扩散光锥的照度不均衡性。
在一个光纤化学传感系统中化学反应物的种类及其浓度通常需满足下面两个条件。
(1)在被测参数变化范围内(如某种被测化学物的浓度最小值和最大值),受该参数制约的传输光强变化必须足够大以获得相当的灵敏度。一般而言,在测量范围内,该变化值为信号强度的一个至两个数量级比较合适。当然,这只是一个度。在这种情况下,需要有一个非线性强度函数,为了得到最高的精确度,在被测量参数的变化范围内,信号强度应有最大的变化量。
(2)在最大吸收时,化学反应物中的光传输量仍需维持足够大,因为在有噪声的情况下,信号必须有足够大的相对值。实际上,这意味着传感元件的光损耗(其大小由待测反应物及传感器构造共同决定)不能太大,否则将难以从干扰(诸如周围泄露光等)中分离信号分量。这一要求并不是指传输的光信号必须比周围光信号大。如果采用光源调制及窄带检测方法,只要总光量大致使探测器或信号处理电路出现饱和,则比环境光小得多的信号光仍是容许的。
一般来讲,为保证传感器精确地吸收测量,需要同时监测至少两个波长。这两个波长的选择是在其中一个波长上对测量环境变化敏感而在另一个波长上不敏感为原则的。这种双通道系统能补偿诸如光纤耦合效率波动、光源功率波动以及光纤、探测器或其他光器件的老化而引起的共模效应。
2 敏感膜光反射与散射型传感
“单端”光纤系统具有较多的优越性,利用一面镜子(或其他反射面),或利用某一附加材料的光散射特性,将部分吸收光反向散射到接收光纤中去可构成一类更具优越性的光纤传感器。试剂附着于无色膜材料的表面,膜紧贴于光纤端面。膜的漫反射要足够大,并且漫反射不仅发生在膜表面还发生于膜内。待测物的加入能改变反向散射光的强度。这种光强度的变化可以通过一种单向方式监测,即在入射光纤相同的方向上放置一根接收光纤。在实际应用中可利用分叉光纤提供多跟入射光纤和出射光纤。一般来说选择具备下述特点的反应物支撑材料是相当重要的。
(1)膜能实现反应物的化学偶合或结合反应物的同时又不影响反应物的光学传感检测能力。一般来说,偶合于膜上的反应物与自由溶液状态的反应物发生反应的方式不同,在有些场合,反应物偶合能提高它的稳定性。
(2)膜上的孔状结构要有足够的渗透性,以保证化学样品在规定的响应时间内有充分的扩散,这样才能在该响应时间内进行测量。对于空隙很小的膜,其内部溶液往往要30min才能与外界环境达到平衡,这对需要在数分钟内得到被测参数信息的应用时不适宜的。
(3)膜的浸润特性应与被测环境相适应。比如测量水溶液性物质时使用的疏水膜是不合适的,同样的,当测量在油或脂类环境中进行时,就要使用油浸润膜。
(4)来自膜的漫反射光应尽可能有固定不变的光谱响应。这意味着膜不含有光谱吸收物质,即使是非常好的散射材料也常常会使波长有些改变,但通常这些改变并不严重。在实际应用中,普通膜材料都能满足这一要求。
3 荧光型传感与磷光型传感
3.1 荧光型传感
荧光现象直接与吸收有关,因为能量较低的辐射在再次发光之前必须要吸收光能量。产生荧光的效率取决于荧光物的浓度、吸收截面和量子效率以及光程长。在实际应用中,荧光物水溶液的量子效率可接近于1.0(如荧光素),当它的量子效率降到0.05时仍然是可用的。在实验系统中可以调整其他一些参数,以确保最大限度利用激发光能量。
荧光分子具有特定的激发光波长范围,在该范围内分子可以被激发,一旦受激,分子在短时间内迅速衰减,其发射光谱也能确定。如简单荧光分子若丹明-B的激发光谱和荧光光谱如图2所示。可以看到荧光辐射发生在波长较长处,并且受激峰值波长(564nm)与辐射峰值波长(583nm)分界明显。峰值波长差值称为斯托克斯频移,一般荧光物质的斯托克斯频移值大约是1 0~20nm(300~600波数),使用诸如藻胆蛋白这样较复杂的分子可以得到较大的斯托克斯频移。
为了在光纤传感器中使用荧光效应,就必须保证光源、荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测器一般都为宽带器件,需要附加滤波器使其工作于窄带范围,还可以构造若干谱重叠积分运算,以辅助系统优化设计。
下面将讨论四个有关的光谱响应：S（λ），滤波后输出的光源；Ex(λ)，染料的受激(吸收)谱；Em(λ)，染料的辐射谱；F（λ),滤波检测系统的谱灵敏度。
(1)源重叠积分（SOI)可度量染料受激发作用的效率：
(2)探测器重叠积分（DOI）表示检测系统监测荧光辐射的好坏程度：
(3)激发抑制积分（PRI)表明了为抑制对激发的散射而设计的光源和探测器滤波作用的好坏：
为了优化荧光效应系统的性能，需要设计S（λ）和F（λ），使得SOI和DOI尽可能大而PRI尽可能小。在大多数光纤传感器，有很多部件都对激发光有散射现象这些部件包括滤波器、紧贴传感单元的尾纤以及传感器中的各个元件。因此，是PRI最小比使SOI和DOI最大更为重要。为了实现不同系统之间的比较，式(7)给出一个有用的量纲的通用算式来计算系统的“性能因素”：
荧光现象的优点是它允许测量环境中被测物与其他样本同时并存;另外,散射光及表面粗糙度的不利影响可通过频移减少到最低限度。在实际的光纤传感器结构中,荧光现象的应用有如下两个基本方法。其一是作为标记方法;另一个是作为化学探测器。
3.2 磷光型传感
由于分子的受激态能维持数纳秒,因此具有荧光现象的有机化合物的应该寿命通常非常短,另外,即使分子的受激态能维持较长时间,附近环境中的其他物质也会使这些受激态分子返回基态。而对于固态物质,其寿命则长得多,特别是可以利用其磷光现象。荧光和磷光的根本区别是:荧光是由激发单重态最低振动能层至基态个振动能层的跃迁产生的。正如荧光现象一样,磷光现象也有两个基本的应用。
(1)作为标记方法:它作为标记物优于荧光现象的地方在于,当激发光散去之后仍存在磷光辐射,这样就能消除激发光的散射影响,而激发光的散射影响正是荧光系统中限制系统性能的因素。
(2)作为探测器:磷光可以淬灭,这一现象可用于传感。例如,在商品化的光纤湿度测量系统中,就利用了高温下稀土磷光体的猝灭现象。
磷光现象的主要缺点是瞬时输出光的能量低,为了解决这一问题,通常采取输出信号的累加。
4 结束语
光纤生物传感器由于其实用方便、灵敏度高等优点,已成为人们越来越关注的研究热点。其小型化、规格化、商品化是将来发展的趋势,因此根据不同需求,合理选取和应用传感机理的进行设计尤为重要,相信在不久的将来将有成熟的产品推向市场。
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光纤传感器的应用 篇6
光纤传感器有非常广泛的用途, 可以用来测量电场、声场、加速度、压力、温度、角速度等多种物理量, 还可以完成很多特殊的其他测量所不能完成的测量任务。在狭小的空间里, 在强电磁干扰和高电压的环境里, 光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤传感器与我们的现实生活息息相关, 我们需要它, 但是它也需要人们通过不断的创新, 进行技术改造, 发挥出更大的价值。
二、光导纤维传感器的原理与特点
1. 光导纤维传感器概述
光纤传感器就是利用光学特性的一种特殊的传感器, 主要是通过光导纤维把被测量的东西转换成波长、偏振态、强度、频率、相位等等, 然后经过处理后显示出来。分析光纤传感器的基本工作原理, 可以发现光纤传感器就是把光源的光经过光纤的传送, 随后把光线送到光调制器, 光调制器提前设置过技术参数的, 于是设置后的光调制器与送进来的光发生相互作用, 使得光调制器输出来的也就是调制出来的信号光, 已经在波长、频率和相位等参数中发生变化。这种信号光又再一次经过光纤的传导, 进到了光探测器, 光探测器可以解调信号光, 获取信号光的技术参数, 通过层层的传送和处理, 完成整个光导纤维传感器传感的全过程。
2. 光导纤维传感器的特点
一是光导纤维传感器灵敏度高。在电磁波中, 光线是其中波长相对来说很短的, 光线的光学长度可以通过光的相位来进行测量。比如在光纤干涉仪中, 考虑到光纤干涉仪使用小直径的光纤, 在温度或者外界给予其非常小的外力, 通过光纤干涉仪就可以感应出非常的相位变化, 从而敏捷地做出相应的动作。
二是光导纤维传感器测量速度快。在传播速度中, 光线的速度是最快的, 并且可以不同的二维代码, 因此光导纤维传感器可以用来高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率, 应用电子学的方法难以实现, 利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。
三是光导纤维传感器适用于恶劣环境。光纤是一种特殊的电介质, 不仅可以耐高压, 而且可以耐腐蚀、抗电磁干扰, 在其他很多传感器所不适应的恶劣环境, 光导纤维传感器有着极好的反应能力和极佳的反应。
三、光纤传感器应用的领域
光纤传感器具有很多传感器所无法比拟的优点, 并且在现实生活中, 也有着非常广泛的运用, 在石油化工、电力、医学、土木工程等大多数领域都有着非常完美的表现。
1. 光纤传感器在石油化工系统的应用
在石油化工系统中, 由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点, 使得常规传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤本身不带电, 体小质轻, 易弯曲, 抗电磁干扰、抗辐射性能好。特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用, 因此光纤传感器在油井参数测量中发挥着不可替代的作用, 它将成为可应用于油气勘探及石油测井等领域的一项具有广阔市场前景的新技术。光纤传感器由于其抗高温能力、多通络、分布式的感应能力, 以及只需要较小的空间即可满足其使用条件的特点, 使得在勘探钻井方面尤其独特的优势。
2. 光纤传感器在电力系统的应用
光纤传感器在电力系统的应用有着非常广阔的运用。主要是因为电力系统是网络化分布在各个角落的, 不仅点多面广, 而且结构非常的复杂, 稍有闪失, 就会因为电力通信网络, 尤其高压电力线, 发生重大安全隐患。但是通过光纤传感器就解决了这一重大难题, 因为光纤传感器不仅可以对电力系统的网络和线路实现分布式监测, 还可以在突发事件发生中迅速发生相应的动作反应, 有效地预防了安全事故的发生。同样的, 在光纤传感器还可以制作成电功率传感器, 有效地化解传统电磁测量所凸显出来的局限性和不真实性, 在技术上实现了一个大突破, 为解决此类问题铺开了广阔的道路。
3. 光纤传感器在医学方面的应用
光纤传感器在医学中的应用大部分都是传光型, 该光纤传感器非常小巧, 有着不受射频和微波干扰、绝缘等优点, 同时有着极高的测量精度, 对生物体也有着良好的亲合性。传光型光纤传感器在医学中的应用主要体现在五个方面:一是在pH值测量方面, 二是在测量温度方面, 三是在压力测量方面, 四是在医用图像传输方面, 五是在血流速度测量方面。
4. 光纤传感器在土木工程中的应用
众所周知, 一旦大型土木工程施工过程中发生了重大的安全事故, 不仅会带来重大人员伤亡, 而且会带来严重的经济损失, 因此如何预防和控制土木工程的安全事故、提高安全系数成了几代工程人一直在攻关的技术难题。令人欣慰的是, 光纤传感器的问世给土木工程界带来了福音, 因为在土木工程中, 光纤光栅传感器可以使得测量的精度更为准确, 同时在顺应远距离的测量, 且可以满足长期性以及分布式等相关要求。光纤传感器在土木工程中的应用主要体现在三个方面:一是在隧道监测方面, 二是在桥梁监测方面, 三是在边坡监测方面。众多国内外的学术研究和工程实践表明, 光纤传感器为土木工程各项技术提供了良好的手段。
四、结语
当前, 光纤传感器技术正朝着智能化、低能耗、绿色环保等方向发展, 使得无线传输更为迅速、更为便携式, 更能满足当前高速化社会发展的需要。只是在国内, 受到光纤传感器解调技术的影响, 目前厂家实现批量生产目标的并不多见, 在这一点上我们同发达国家的差距是非常明显的。因此发展光纤传感器技术是一项重大的课题, 并且光纤传感行业任重而道远, 但可以肯定的是光纤传感器技术的前景光明、潜力巨大。
摘要：本文主要是简要概述光纤传感器的构造和工作原理, 并对光纤传感器的应用进行研究。光纤传感器有很多优点, 不仅灵敏度高, 而且形状可以被任意改变, 也可以用于恶劣的环境中等等。总体来看, 光纤传感器是使用是非常广泛的, 其应用领域无处不在, 在我们的周围环境中的重要性日益增强。展望未来, 光纤技术会越来越多的应用, 必将给我们的生活带来前所未有的改变, 发展前景也是非常广阔。
关键词：光纤传感器,灵敏度,改变形状,应用
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光纤传感技术的应用现状 篇7
一、提高光纤传输效率的两个途径
(一) 40Gbit/s传输系统的发展、挑战与应用。
准同步传输体系 (P D H) 利用光纤的单一波长传输速率从8Mbit/s、4Mbit/s140bit/s, 同步传输体系 (SDH) 利用光纤的单一波长传输速率从155Mbit/s、622Mbit/s、2.5Gbit/s到10Gbit/s。从实际应用来看, 40Gbit/s传输系统必须采用外调制器, 目前具备足够输出电压能够驱动外调制器的驱动集成电路还不成熟;沿用多年的NRZ调制方式能否有效、可靠地工作于40Gbit/s系统还不确定, 可能需要转向性能更好的普通归零 (RZ) 码乃至调制效率更高的其他调制方式。除了技术因素外, 经济上是否
可行也是必须考虑的关键因素。尽管目前我国干线网络的波道利用率已经超过70%, 但是光纤利用率不到30%, SDH电路利用率不到50%, 因此只需在波分复用层面上扩容即可, 光缆网的总体容量依然有余, 并不需要立即全面升级到40Gbit/s速率。另需认真考虑的因素是光缆的极化模色散特性。对于短距离传输, 无须色散补偿、光放大器和外调制器, 40Gbit/s传输系统具有很低的单位比特成本, 上述问题不是障碍。因此, 40Gbit/s传输系统完全可以由短距离互连应用开始, 包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连, 乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。
(二) 粗波分复用系统 (CWDM) 技术的发展与应用。
随着技术和业务的发展, 利用光纤的多个波长进行复用就是WDM技术。目前, 160波系统已经成熟商用。它正从长途传输领域向城域网领域扩展, 作为进一步提高光纤传输效率的另一个主要途径。尽管城域WDM系统的建设成本明显低于长途网WDM系统, 但是目前的绝对成本仍然较高, 特别是需要使用光纤放大器的长距离应用成本较高。此外, 当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少, WDM多业务平台主要适用于核心层, 特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。为了进一步降低城域WDM多业务平台的成本, 出现了CWDM粗波分复用系统 (Coarse Wave Division Multiplexer) 。这种系统的典型波长组合有4、8和16三种, 波长通路间隔达20nm, 允许波长漂移±6.5nm, 大大降低了对激光器的要求, 成本也大为降低。此外, 由于CWDM系统对激光器的波长精度要求较低, 无需制冷器和波长锁定器, 不仅功耗低、尺寸小, 而且封装可以采用简单的同轴结构, 比传统碟型封装成本低, 激光器模块的总成本可以减少2/3。从滤波器角度看, 典型的100GHz间隔的介质薄膜滤波器需要150层镀膜, 而20nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜, 其成品率和成本都可以获得有效改善。
二、光纤通信在继电保护中的应用
继电保护装置信号的物理传输通道有光纤、微波、电力线载波等, 微波和电力线载波易受气候变化影响, 传输质量较差, 而光纤通道不怕超高压与电磁干扰, 传输容量大, 绝缘性能好, 衰耗低, 可靠性高, 在继电保护领域中得到了日益广泛的应用。
(一) 光纤通信来进行继电保护。
当被保护的线路长度较长时, 为了补偿光功率损耗, 把RCS-931系列光纤纵差保护装置的光信号传入MUX-2M继电保护信号数字复接接口装置, 再转化为电信号通过75Ω的同轴电缆连接通讯SDH设备的2048k bit/s口传到对侧, 如图1中的 (b) 。SDH环网采用的是155M以上速率的传输设备, 传输容量大, 具有强大的保护恢复能力。当被保护线路发生故障时, 装置根据对两侧电流的幅值和相位比较启动光纤纵联差动保护动作使两侧跳闸, 所有装置都处理后动作时间一般在30ms以内, 能够快速切除故障, 有效保护线路全长。
假设线路发生A相区内故障时, 本侧RCS-902C系列分相允许式纵联保护装置发出“A相允许跳闸”电信号开入到FOX-41A型继电保护光纤通信接口装置, FOX-41A内部把此电信号转为光信号传输到对侧的FOX-41A, 本侧与对侧之间光纤传输根据线路长度不同有两种传输方式。
对侧的FOX-41A光电转换后再把“A相允许跳闸”电信号开入到对侧的RCS-902C, 对侧的RCS-902C保护装置已判断是A相区内故障并收到对侧“A相允许跳闸”信号则保护动作跳对侧A相断路器。同理, 对侧发允许跳闸信号到本侧过程也是一样, B或C相故障也与A相故障分析过程一样。所有装置都处理后保护动作时间一般在30ms左右, 快速有效, 如图2所示。
当被保护线路本侧过电压保护跳闸并启动对侧断路器跳闸时, 可以把远跳信号通过FOX-41A传输到对侧;当被保护线路本侧保护跳闸但是断路器失灵没有跳开时, 为了避免故障发展扩大, 也可以把失灵信号通过FOX-41A传输到对侧启动对侧断路器跳闸, 如图3所示。
(二) 工程中实际应用问题。
1、通道故障检测。光纤纵差保护安全可靠, 在使用和运行当中主要是光纤通道的维护。如果光纤通道告警, 可以进行逐段自检来确认装置和通道是否正常, 另外需仔细观察与光电通道相关的告警指示灯和装置控制字, 还可以用光功率计测试光收发功率与光衰耗。部分厂家提供的SDH设备也可以实现实时的光功率在线检测, 为网络的维护提供了极大的便利性。2、光纤纵差保护旁路切换。目前通信速率一般是2048kbit/s, 也有少部分是64kbit/s, 这给光纤纵差保护的旁路代线路切换运行来了一定问题, 根据现在通信的发展情况, 通信速率可以都统一到2048kbit/s。与电力线载波高频保护的旁路代线路切换运行需要切换高频载波电缆通道一样, 光纤纵差保护的旁路代线路切换运行需要切换光纤通道。
三、光纤测温技术在变压器上的应用
使用光纤探头测量绕组温度时, 将其嵌入垫块或直接附在需要温度监测的导线上, 这种使用方式, 首先必须拆开局部导线绝缘, 并在安装光纤测温探头后再恢复导线绝缘。更普遍的方法是把光纤测温探头插入相邻线饼间的垫块中, 在辐向垫块上开槽, 将光纤测温探头粘在一起。这种方法能避免拆/包绝缘这种精密作业。由于垫块实际上阻止此位置的油循环, 所以此垫块处的温度梯度非常小, 光纤测温探头测得的是两个相邻线饼的平均温度。图4所示为3个在绕组中不同位置的光纤探头所测出的温度值对比, 从图4看出在垫块里测出的温度比在导线里测出的温度稍高。
在变压器制造过程中, 光纤探头的安装和放置特别值得注意, 一定要避免过度弯曲, 防止断裂。
四、结束语
综上所述, CWDM系统体积、功耗和成本远小于对应的DWDM器件, CWDM在我国城域网具有良好的发展前景。光纤通信在继电保护工程应用中其一系列装置已经在多个发电厂和变电站的超高压线路上使用, 相对于高频保护装置来说, 运行稳定可靠。另外光纤测温系统可直接测量绕组热点温度, 正逐渐成为监测临界参数的首选产品。
参考文献
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光纤光栅传感器的设计 篇8
1 传感的原理
对于一般的光纤光栅而言,光纤光栅具有把符合布拉格(Bragg)条件的入射光耦合到反射模中去的作用,即可得[2]:λB=2neffΛ。
式中:λB为光栅的中心波长,neff为光纤的有效折射率,Λ为纤芯折射率的调制周期。
布拉格波长随应变和温度变化的关系为[2]:△λB=2neffA[(1-Pe)ε+ξ△T]。
式中:ε为轴向应变;ξ为光纤材料的热光系数;△T为环境温度变化;Pe为光纤的有效弹光系数。
光纤光栅布拉格波长变化与其两端的电压的关系为[3]:。
由上式,叮知,布拉格波长变化与其两端的电压成线性关系。
2 验结果及其分析
设计的新型电压传感器的结构如图1。
该电压传感器的制作,首先在压电陶瓷的两端加上合适的材料。本文用的是轻质铝皮,打磨得十分光滑,用胶水粘接在压电陶瓷的两端即可。然后再把一跟单模光纤压电陶瓷上面的铝皮粘结牢固。
电压传感器中的压电陶瓷是由淄博同明电子陶瓷有限公司生产,方形条状压的电微位移器,其规格为8820(mm)。压电叠堆片数为320片,压电应变常数d31>600pC/N。光纤光栅的布拉格波长λB=1550.145nm,再将以上数据代入式,即得:△λB=0.014U。
实验中,电压传感器性能测试示意图如图2所示。
光源为型号为AV6316的ASE光源,分析仪的型号为AQ63 1 9,驱动电路是以PA85A为核心的电路。实验时,分别调节驱动电路的电压,再测量光纤光栅的布拉格波长的变化情况。光纤光栅布拉格波长与电压的关系如图3所示。
由图可知,当电压变化范围为0～160V时,波长的变化与之的线性良好,其线性拟合度为=0.99。
最大调谐范围约为1.6nm。
3 结语
本文设计了一种新的电压传感器,该传感器的是在制作压电陶瓷的特殊封装结构的基础上,再巧妙地结合光纤光栅研制成功的。该电压传感器具有线性度好,所需电压相对较低,容易操作等优点。
参考文献
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