摘要：光纖溫度傳感器由于光纖本身的特性使得其具有傳統(tǒng)溫度傳感器所無法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。本文就其在電力設(shè)備測溫中的應(yīng)用提出了一種簡單可行的方法，詳細分析了其工作原理、系統(tǒng)實現(xiàn)并給出實驗結(jié)果。

　　一、前言

    高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備，起著關(guān)合及開斷電力線的作用，用來實現(xiàn)輸送及倒換電力負荷、以及從電力系統(tǒng)退出故障設(shè)備和線段，從而保證電力系統(tǒng)安全運行[1]。在高壓開關(guān)柜的長期運行過程中，開關(guān)柜中的觸點和母線排連接處等部位因老化和接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測，由此容易導(dǎo)致火災(zāi)事故。近年來，在電廠和變電站已經(jīng)發(fā)生多起開關(guān)柜過熱事故，造成火災(zāi)和大面積的停電。因而對全封閉的高壓開關(guān)電器，檢測和監(jiān)視高壓開關(guān)觸點、母線排連接處的工作溫度，提前發(fā)現(xiàn)和排除熱故障隱患，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行具有非常重要的意義。

    高壓開關(guān)觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場以及極強的電磁干擾環(huán)境中，傳統(tǒng)的測溫儀表如熱電偶、紅外測溫儀等易受到這些因素的干擾和影響，因而無法對這些位置進行直接接觸測量，從而也就無法真正得到高壓開關(guān)柜的真實工作狀態(tài)，以致設(shè)備內(nèi)部局部過熱卻仍在“帶病”運行。光纖傳感由于光纖具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、耐腐蝕、本質(zhì)安全等優(yōu)點[2]，特別適用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。本文介紹了一種基于位移強度調(diào)制的光纖溫度傳感系統(tǒng)，實驗證明，該系統(tǒng)在高壓開關(guān)觸點的溫度測量中性能可靠穩(wěn)定、安裝方便，具有極好的經(jīng)濟效益，而且在其他領(lǐng)域也具有極好的推廣應(yīng)用價值。

　　二、位移強度調(diào)制原理

    1、傳感探頭的結(jié)構(gòu)

    傳感探頭的結(jié)構(gòu)如圖1，各部分作用如下：
    （1）輸入光纖：傳輸光源產(chǎn)生的光能量。
    （2）輸出光纖：接收調(diào)制后的光信號并傳輸給光電探測器。
    （3）導(dǎo)熱板及導(dǎo)熱塊：將環(huán)境溫度傳給雙金屬片。
    （4）雙金屬片：感受被測環(huán)境溫度變化并產(chǎn)生相應(yīng)的變形。
    （5）遮光片：將雙金屬片的彎曲變形轉(zhuǎn)換為直線位移，從而通過遮斷光路的大小對光信號進行強度調(diào)制。

    2、測量原理

    當(dāng)圖1所示的傳感探頭置于被測溫度場時，被測溫度的變化將引起雙金屬片的彎曲變形，通過遮光片將其轉(zhuǎn)換為直線位移，從而使得從輸入光纖耦合到輸出光纖的光通量發(fā)生變化，即光強度受到了調(diào)制。光通量的變化與遮光片的位移大小有關(guān)系，于是通過光電檢測得到的電流大小也發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過電流至電壓的轉(zhuǎn)換，使測得的電壓值為位移的變量，即V（y），傳感原理如圖2。

　　對多模光纖來說，其纖端出射光場的場強分布由下式給出[3]：  

　　式中，I0—由光源耦合到輸入光纖中的光強；Φ（x, y, z）—纖端光場中位置（x, y, z）處光通量密度；σ—表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù)，對于階躍型光纖，σ＝1；a0—光纖纖芯半徑；ζ—與光源種類及光源跟光纖耦合情況有關(guān)的調(diào)制參數(shù)；θc—光纖的最大出射角。如果將同種光纖置于輸入光纖纖端出射光場中作為探測接收器時，所接收到的光強可表示為：

　　S—接收光面，即纖芯面。在纖端出射光場的遠場區(qū)，為方便起見，可用輸入光纖端面中心點處的光強來作為整個纖芯面上的平均光強，在這種近似下，得到在輸入光纖端面所探測到的光強公式為：

　　對于遮光式光強度調(diào)制光纖傳感器來說，輸-出光纖接收到的透射光強值等于圖2中光纖纖芯陰影部分所接收到的入射光強，于是有:

　　S—圖2中光纖纖芯陰影部分面積。當(dāng)輸入光纖與輸出光纖端面間距較近時，則在輸入光纖纖芯的邊界處，近似地有：F（x,y,z）»0    （7）于是式（5）可表示為：

　　對于固定的z值，ω（z）是一常數(shù)，又有：

　　由上可知，多模光纖的遮光式光強調(diào)制特性曲線分布是重積分函數(shù)，難以手工計算，我們運用Matlab工程計算軟件繪制的調(diào)制特性曲線如圖3，此公式通過實驗數(shù)據(jù)驗證與實際特性曲線相吻合，見圖7。

　　三、系統(tǒng)光路設(shè)計

    本系統(tǒng)設(shè)計的光路如圖4，之所以采用雙光路補償，是由于在實際應(yīng)用中，光路容易受到一些內(nèi)在或外在因素的影響，如光源的溫度漂移、探頭的熱脹冷縮引起耦合點的位移等，從而造成測量精度降低，甚至出現(xiàn)很大的測量偏差。在光路補償中，雙光路補償是一種常用的簡單可行的方法。在雙光路補償中，要求雙光纖所處環(huán)境相同，后續(xù)光電檢測及放大多路對稱。其原理如下[4]：

    設(shè)光源與光纖、測量輸入光纖與探頭、探頭與測量輸出光纖、光纖與探測器的耦合系數(shù)分別為K1、K2、K3、K4；探頭的靈敏度為St，光纖傳遞函數(shù)為H（λ），Φ（λ）為光源產(chǎn)生的光通量；Ω為立體角；Φ1、Φ2分別為兩光纖到達探測器前的光通量，則有以下關(guān)系：

　　這樣經(jīng)探測器分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，再經(jīng)放大電路后得到各自的輸出信號U1和U2，除法器的輸出為U，設(shè)探測器的光譜響應(yīng)度為R（λ），放大器的放大倍數(shù)分別為A1和A2，則有：

　　由上式可以看到，輸出U中除了St外，其它參量的變化都是相同的，從而消除了一定程度的干擾。

　　四、信號處理系統(tǒng)設(shè)計

    如圖5所示，信號處理系統(tǒng)包括信號采集電路、信號處理電路、顯示和鍵盤電路、與PC機的通信電路。整個處理系統(tǒng)以單片機AT89C52 為信息處理的核心，通過高精度的A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實現(xiàn)信號的采集，由AT89C52完成數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)度的轉(zhuǎn)換，通過顯示電路實現(xiàn)輸出指示，通過鍵盤電路進行測量功能的選定，通過報警電路實現(xiàn)溫度上限報警，并通過串口通信電路與上位機進行通信。

　　五、系統(tǒng)實驗

    1、實驗系統(tǒng)設(shè)計

    實驗系統(tǒng)中使用溫度調(diào)節(jié)范圍為10℃～200℃的干燥箱來產(chǎn)生溫度場，將溫度探頭置于溫度場中，如圖6所示。為了準確標(biāo)定和測量溫度場中溫度探頭所在測量點的溫度變化，將一只測溫范圍為0℃～100℃、分辨率為1℃的水銀溫度計和一只測量范圍為-50℃～250℃、分辨率為1℃的熱電耦溫度計與系統(tǒng)溫度探頭完全接觸地放置在一起。當(dāng)干燥箱緩慢加熱升溫時，溫度場的變化會比較緩慢，從而使得溫度場中十分接近的不同點之間的溫差不會太大。因此在實驗中要求緩慢調(diào)節(jié)干燥箱的溫度，使得熱電耦溫度計和水銀溫度計的讀值差小于1℃，在這種情況下可以近似地認為溫度探頭、熱電偶溫度計和水銀溫度計所處的溫度相同。由于熱電偶溫度計的靈敏度很高，所以實驗值設(shè)定以熱電偶溫度計的讀數(shù)為準。

    2、實驗結(jié)果及分析

    由于在實驗設(shè)計中采用的是塑料光纖，所以設(shè)定的測溫范圍為10℃（實驗時的室溫）到80℃。圖7是溫度測量點與放大電路輸出電壓之間關(guān)系分布圖，同時給出了三次函數(shù)擬合曲線。

    在實驗數(shù)據(jù)處理中，將預(yù)先標(biāo)定的溫度與電壓的對應(yīng)關(guān)系值讀入程序后，采取分段線性插值的處理方法，將測量過程中的實時信號與標(biāo)定值進行比較，查表插值后將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度量顯示出來。具體方法如下：
　　假設(shè)Xi代表標(biāo)定的電壓，Ti是其對應(yīng)的溫度值，實時測量的電壓信號為V，查表可知它位于（Xi，Ti）和[X（i+1），T（i+1）]兩個標(biāo)定點之間，則實時電壓所對應(yīng)的溫度值T可由（17）求得，其算法如圖8所示。

　　同時我們可以看到，溫度上升過程曲線與溫度下降過程曲線不重合，這就是測溫儀的遲滯性。所謂遲滯性是指傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減�。┬谐唐陂g，輸出/輸入曲線不重合的程度，也就是說對于同一大小的輸入信號，傳感器正、反行程的輸出信號大小不等。遲滯是傳感器的一個性能指標(biāo)，它反映了傳感器的機械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點[5]。本系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯的原因主要是由傳感頭的導(dǎo)熱性能引起的，如果傳感頭的導(dǎo)熱性能良好，其響應(yīng)溫度變化的速度就會加快，則測溫儀的遲滯就會減小。

    表1給出了系統(tǒng)實驗結(jié)果。可以看出，系統(tǒng)測溫誤差在±1℃以內(nèi)，符合實驗的預(yù)期要求。

　　六、結(jié)論

    實驗結(jié)果表明，該方案是可行的。該測量系統(tǒng)具有良好的電絕緣性和抗電磁干擾能力，而且測溫元件尺寸小，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能適應(yīng)于大多數(shù)場合應(yīng)用，對于少數(shù)測量精度要求高的場所，也可通過加裝準直系統(tǒng)等來達到，但相應(yīng)成本也要增加。

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