专利名称：光纤光栅测温系统及多点测温系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及基于光纤光栅的温度监控系统，属于传感技术领域。
背景技术：
在电力系统中，设备长期运行过程中，各种刀闸触点和母线排连接处等部位因老 化或接触电阻过大而发热。通过监测触点温度的运行情况，可有效防止电力设备的火灾发 生，因此实现温度在线监测是保证电力设备安全运行的重要手段。由于电力设备高压的环 境，导致这些发热部位的温度很难及时在线监测，因此容易导致火灾事故。目前，国内大部 分电厂和变电站采用基于电信号传感器的测温系统。其中红外测温为非接触测量，易受环 境及周围电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量，效率低下；电子温度传感器易受 电磁干扰，机械的温度传感器受环境的影响也比较大，以上几种检测方法的测量效果都不 够理想。因此开发一种大容量分布式在线实时温度监测系统，来监测各种电力设备触点的 温度已成为电力行业当务之急。随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对变电 站各设备的温度状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可 能。它对于保证变电站设备的正常运行，减少维修次数，提高电力系统的运行可靠性和自动 化程度具有重要意义。由于高压电力设备处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰 环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。利用光纤光栅测温多是采用FBG的波长选择性反射原复合信号进入FBG时，在 它反射中心波长附近的光谱几乎全部被反射回去，而非中心波长附近的光就会几乎完全透 射。现有的利用光纤光栅测温的方案利用光纤光栅对温度敏感的特性，利用宽带光谱进入 光栅后的波长选择反射特性进行温度的测量，将反射波引入光纤光栅解调器从而对波长进 行解调，得到待测温度。由于光纤光栅解调器价格昂贵，此方案一般采用多个光纤光栅串联 的方式来实现多点的测量。这样各个测量点的成本可以均摊。这种方案虽然实现了利用光 纤光栅对温度进行测量，可是由于光栅是串联的，因此一旦其中某个发生损坏，整个系统就 不能工作了，降低了系统的稳定性。实用新型专利内容本实用新型针对上述现有技术和的不足，本实用新型提供了两种具有相同实用新 型构思的新型的光纤光栅测温系统，并提供两种分别利用这两种测温系统实现的多点测温 系统，利用带导热板的FBG制成温度鉴别器对所测温度进行鉴别，大大提高了测量精度。并 克服了由于串联而造成了系统不稳定性，并由于采用自己设计了 FBG测温控制仪而大大降 低了成本。本实用新型的一种光纤光栅温度传感系统，包括测温传感头和FBG测温控制仪， 其特征在于，FBG测温控制仪包括带导热板的温度鉴别器、宽谱SLED光源、第一光纤方向 耦合器、第二光纤方向耦合器、光探测器以及CPU ；SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方 向耦合器之后进入测温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中
3心波长，由宽谱SLED光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长 对应的窄带信号，该窄带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别 器；温度鉴别器的中心波长根据导热板的加热或者降温温度改变，进入温度鉴别器的窄带 信号在与温度鉴别器的中心波长相同时反射信号最强，反射信号经由第二方向耦合器被送 入光探测器，由光探测器采集的光信号强度被送入CPU，CPU根据光信号强度最大值计算 并监测外部温度。作为优选实施方式，所述的系统还可以包括一个将基准光信号送入CPU的另一个 光探测器。本实用新型提供的另一种光纤光栅温度传感系统，包括置于外部环境中的测温传 感头、粘附在导热板上的窄带半导体激光器、方向耦合器、光探测器和CPU，所述测温传感头 受外部温度的变化而改变中心波长；通过CPU控制导热板对半导体激光器进行加热或者降 温，使其中心发射波长发生改变；半导体激光器发射的窄带光进入测温传感头，与测温传感 头中心波长相匹配的窄带光被反射后经过方向耦合器被送入光探测器，光探测器输出的信 号被送入CPU ；CPU内存储有表达窄带半导体激光器发射波长与外部温度之间的关系的校 准数据，CPU根据光探测器输入的信号和校准数据，计算外部温度。本实用新型同时提供分别利用上述的光纤光栅温度传感系统实现的多点测温系 统，使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温系统并联，通过时分复用实现对多 个点的温度巡检。本实用新型将温度自动控制技术与光纤光栅进行了有机结合，充分发挥了光纤光 栅的优势，改善了一般串联型光纤光栅测温系统的不稳定性，并且降低了成本，测温的精度 高，使用灵活。本实用新型还提出了一种采用光开关的并行光纤光栅测温结构，可以进一步 降低了成本。具体而言，本实用新型具有如下优点1.耐高温，测量温度范围为0°C 250°C ；[0013]2.测量精度高，误差一般在+/-ο. rc ；[0014]3.可靠性高，可使用时间多于20年；[0015]4.成本低，一般一个的成本为3000元左右；[0016]5.体积�。阌诎沧埃庾俺叽缥�5.5Χ65πιπι;[0017]6.多个并联时各个探头是独立工作的，不会相互影响[0018]7.全石英封装，绝缘性高。
附图1为本实用新型的原理结构示意图；附图2为简化的光纤光栅测温结构示意图。
具体实施方式
下面结合本实用新型的原理图具体说明如图1所示，本实用新型包括测温传感头1，以及FBG测温控制仪这两大部分。而 FBG测温控制仪中包括了宽谱SLED光源3，两个光纤方向耦合器4和5，温度鉴别器6，导热 板7，两个光探测仪8和9，以及一个控制用的CPU 10。温度鉴别器6是粘附在导热板7上的以便通过导热板7加热或者降温改变温度鉴别器6的光栅周期和中心波长。CPUlO和导 热板7，两光探测器8和9以及SLED光源3相连，控制整个FBG测温控制仪的运作。如图1，将测温传感头1置于外部环境中，由于外部环境的温度会导致测温传感头 的光栅周期发生变化从而改变它反射的中心波长。从测温控制仪中的SLED光源3发射出 来宽谱光通过方向耦合器4之后进入测温传感头，此时的测温传感头由于已经因为外部温 度而改变了周期，因此宽谱光进入传感头后反射回来的窄带光就已经携带了外部温度的信 息。由于在测温传感头1另一头镀上了吸收膜，因此透射过传感头1的信号就会被吸收，不 会因为在后端面发生反射而影响后来的测量。被测温传感头1反射了窄带光通过光纤方向 耦合器4和5之后进入温度鉴别器6，此时CPU控制导热板7给温度鉴别器6加热或者降 温，同时监测光探测器8和9上接受的光功率。导热板7加热或者降温使得在它上面的温度 鉴别器6的温度上升或者降低，使得其中FBG的周期改变从而改变它的反射中心波长。当 它加热或者降温的温度不对时，温度鉴别器6的中心波长与传送进温度鉴别器的带有外部 温度信号的窄带光不匹配，从而导致窄带激光大部分透射过温度鉴别器6进入光探测器9 而光探测器8的接收光功率几乎很为0。而当导热板7加热或者降温的温度正好达到外部 温度时，温度鉴别器6的中心波长与传送进温度鉴别器的带有外部温度信号的窄带光正好 匹配，从而使得窄带激光大部分被温度鉴别器6反射，反射光通过方向耦合器5之后进入光 探测器8，此时光探测器8的接收光功率达到最大时，控制电路停止对导热板进行加热或者 降温，并将此时测得的导热板温度作为传感头的温度。与此同时，始终将光探测器9上探测 的光信号可以作为参照，自动消除因系统其他因素引起的任何干扰。如想测量多处的温度，可以使用光开关将多个这样的光纤光栅测温系统并联，通 过时分复用即可实现对多个点的温度进行巡检。这样还可以进一步降低每个测温点的成 本。作为另一个备选实施方案，本实用新型还提出一种简化的光纤光栅测温结构。如图2所示，本简化结构包括了测温传感头21，一个窄带半导体激光器22，一个方 向耦合器23，一块导热板M，一个光探测器25以及一个控制用的CPU 26。半导体激光器22 粘附在导热板M上，而CP似6和窄带半导体激光器22，导热板24，以及光探测器25相连， 以控制整个系统的工作。如图2，在测量前先进行事先校准，得到窄带半导体激光器发射波长与外部温度之 间的关系。测温传感头21置于外部环境中，由于外部环境的温度会导致测温传感头的光栅 周期发生变化从而改变它反射的中心波长。导热板M和半导体激光器22粘附在一起，通 过CPU 26控制导热板M对半导体激光器22进行加热或者降温，而半导体激光器22的发 射中心波长受温度影响，导热板M对激光器的加热或者降温会导致半导体激光器的中心 发射波长发生改变。通过CP似6控制导热板M温度进行周期性变化，从而使得窄带半导体 激光器22的中心波长周期性的扫描变化。半导体激光器22发射的窄带激光进入测温传感 头21，如果发射的窄带光和测温传感头21的中心波长不匹配，那么窄带激光大部分会透 过测温FBG，因为在测温传感头21后端面涂上了吸收膜，透过测温传感头21的窄带光会被 吸收膜吸收，而不会反射回来影响测量效果。因此此时光探测器25测得的光功率很小。而 如果激光器发射的窄带光和测温传感头21的中心波长匹配，那么窄带光大部分会被测温 传感头21反射，通过光纤方向耦合器23进入光探测器25，而此时光探测器25测得的光功率最大。通过CPU的控制即可测得光探测器25上测得的光功率最大时导热板M的温度以 及半导体激光器22的发射中心波长。利用事先校准的数据，CPU沈可以计算得到此时外 部的温度。 如想测量多处的温度，同样可以使用光开光将多个这样的光纤光栅测温系统并 联，通过时分复用即可实现对多个点的温度进行巡检。这样还可以进一步降低每个测温点 的成本。
权利要求1.一种光纤光栅测温系统，包括测温传感头和FBG测温控制仪，其特征在于，FBG测温 控制仪包括带导热板的温度鉴别器、宽谱SLED光源、第一光纤方向耦合器、第二光纤方向 耦合器、光探测器以及CPU ；SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方向耦合器之后进入测 温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中心波长，由宽谱SLED 光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长对应的窄带信号，该窄 带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别器；温度鉴别器的中心 波长根据导热板的加热或者降温温度改变，进入温度鉴别器的窄带信号在与温度鉴别器的 中心波长相同时反射信号最强，反射信号经由第二方向耦合器被送入光探测器，由光探测 器采集的光信号强度被送入CPU，CPU根据光信号强度最大值计算并监测外部温度。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅测温系统，其特征在于，所述的系统还包括一个将 基准光信号送入CPU的另一个光探测器。
3.一种采用权利要求1所述的光纤光栅测温系统实现的多点测温系统，其特征在于， 使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温系统并联，通过时分复用实现对多个点 的温度巡检。
4.一种光纤光栅测温系统，包括置于外部环境中的测温传感头、粘附在导热板上的窄 带半导体激光器、方向耦合器、光探测器和CPU，所述测温传感头受外部温度的变化而改变 中心波长；通过CPU控制导热板对半导体激光器进行加热或者降温，使其中心发射波长发 生改变；半导体激光器发射的窄带光进入测温传感头，与测温传感头中心波长相匹配的窄 带光被反射后经过方向耦合器被送入光探测器，光探测器输出的信号被送入CPU ；CPU内存 储有表达窄带半导体激光器发射波长与外部温度之间的关系的校准数据，CPU根据光探测 器输入的信号和校准数据，计算外部温度。
5.一种采用权利要求4所述的光纤光栅测温系统实现的多点测温系统，其特征在于， 使用一个光开关将两个或两个以上的光纤光栅测温系统并联，通过时分复用实现对多个点 的温度巡检。
专利摘要本实用新型属于温度测量领域，涉及一种光纤光栅温度传感系统，包括测温传感头和FBG测温控制仪，FBG测温控制仪的SLED光源发射的宽谱光通过第一光纤方向耦合器之后进入测温传感头，所述测温传感头受外部温度的变化而改变周期进而改变中心波长，由宽谱SLED光源发出的光经测温传感头反射后变为中心波长与传感头中心波长对应的窄带信号，该窄带信号依次通过第一方向耦合器和第二方向耦合器后进入温度鉴别器。本实用新型同时提供了利用此种测温系统实现的多点测温系统。本实用新型将温度自动控制技术与光纤光栅技术进行了有机结合，改善了一般串联型光纤光栅测温系统的不稳定性，并且降低了成本。本实用新型还提出了一种简化的光纤光栅测温结构，降低了系统的复杂性，并且进一步降低了成本。
文档编号G01K11/32GK201926524SQ20092022197
公开日2011年8月10日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者刘 文, 彭定敏, 文涛, 李婧娟, 王智浩 申请人:华中科技大学, 武汉烽火富华电气有限责任公司
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