基于fbg的输电线路温度解调系统

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1、基于FBG的输电线路温度解调系统　　摘要：温度监测是输电线路覆冰监测中的重要组成部分。本文研制出基于单片机的低成本高分辨率高精度光纤Bragg光栅（FBG）温度解调系统。该系统利用可调谐F-P滤波器法对温度传感器反射光谱进行波长解调。为降低F-P腔腔长漂移和压电陶瓷非线性的影响，采用3根FBG作为参考光纤光栅，对波长-温度曲线进行二次拟合求解。试验结果表明，该解调系统分辨率达1.4pm，精度达1.2℃，具有广泛实用性。　　关键词：FBG；输电线路；单片机；温度监测　　中图分类号：TM726文献标识码：A　　输电线路覆冰是威胁电力系统安全的重要因素之一。2008年初，我国南方冰灾，导致

2、了大面积的线路断线、倒塔等严重情况，直接经济损失超过千亿元。输电线路环境复杂，光纤Bragg光栅（FBG）传感器以光信号为变换和传输的载体，具有精度高，抗电磁干扰，绝缘性能好，耐腐蚀等诸多优点，温度监测是输电线路覆冰监测的重要组成部分，本文主要介绍了输电线路FBG温度监测解调系统的研制。5　　FBG温度解调关键在于对光纤光栅中心波长漂移的解调。利用光谱仪直接观测，价格昂贵，分辨率低，不适用于实际工程。目前，国内外光纤光栅解调方法很多，常用的主要包括：匹配光纤光栅滤波器法，可调谐F-P滤波器法，边缘滤波器法等，其中可调谐F-P滤波器法的波长扫描范围典型值为几十纳米，分辨率可达皮米量级，

3、在国内外应用广泛，技术较为成熟，本文采取此方法进行解调。此外，为了降低成本，采用单片机作为解调的核心控制器件，同时采用3根FBG作为参考光纤光栅，通过曲线拟合降低F-P腔腔长漂移和压电陶瓷非线性的影响。　　1.解调原理　　1.1FBG传感原理　　由耦合模理论可知，当宽带光在FBG中传输时，中心波长满足公式（1）的光将被反射回来：　　式中：neff是纤芯的有效折射率，∧是光栅周期。其中应变和温度分别通过弹光效应和热光效应影响neff，通过长度改变和热膨胀效应影响∧，进而使λB发生移动。　　温度和应变变化引起的波长漂移关系为：　　本文中，FBG传感器采用特殊封装，不受应力影响，波长漂移仅

4、由温度变化引起。　　1.2解调系统原理图5　　解调系统原理如图1所示，系统所需电源直接由输电线路取得。宽带光源发出的光经隔离器、耦合器，进入FBG传感器，中心波长满足公式（1）的将被反射，其余光透射。反射光经耦合器进入可调谐F-P滤波器。可调谐F-P滤波器相当于一个特殊的光学滤波器。给压电陶瓷PZT施加一个三角波扫描电压，压电陶瓷产生伸缩，从而改变F-P腔的腔长，使透过F-P腔的光的波长发生改变。若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合，则透射光强最大，光电探测器（PIN）能探测到最大电压，此时给压电陶瓷施加的扫描电压V就对应着FBG的反射波长。因此通过检测电压信号即可得到反射波波

5、长，进而得到所测变量的信息。　　1.3F-P腔腔长漂移及压电陶瓷非线性　　利用可调谐F-P滤波器进行FBG解调时有两个因素会影响解调精度，即F-P腔腔长漂移和压电陶瓷（PZT）的非线性。当温度发生变化时，F-P滤波器的腔长会发生漂移，此外，压电陶瓷PZT的伸长量和电压并非成严格的线性关系，直接用电压代表伸长量将引入误差。　　为解决上述两个问题，试验中采用3根参考光栅，并保持其中心波长不变，用二次曲线拟合PZT的伸长量和电压的关系，用解方程的方法同时解决同一温度下的腔长漂移和PZT非线性问题，以提高精确度。压电陶瓷的伸长量L，影响透射中心波长的大小，可以用透射中心波长λ代替L列方程求解

6、。　　式（3）中U0～U3为PIN探测器探测到的电压脉冲极大值对应的三角波电压值，这些电压值可以通过单片机采集系统采集获得，λ1～λ3为参考光纤光栅的中心波长值，这3个值通过光谱仪或其他解调设备获得，λ0是待测光纤光栅的中心波长值，a，b，c为二次系数。　　2.单片机解调硬件电路　　单片机解调电路采用两块单片机，一块D/A和一块A/D芯片，分别构成D/A和A/D模块进行扫描电压输出和采样。　　2.1扫描三角波输出5　　本实验中的F-P滤波器自由光谱范围（FSR）为93.3nm，三角波每半个周期将扫描完一个自由光谱范围。单片机2芯片采用STC11F60XE，为了提高系统分辨率，采用16

7、位D/A芯片AD669。单片机2中利用16位计数器循环加1计数，控制D/A芯片输出，构成三角波上升沿，计数器从1至最大值计数输出时，线性对应三角波0至最大值。因此一个FSR将被分为216，即65535个电压台阶，系统分辨为93.3nm/65535=1.4pm，实现高分辨率解调。计数器输出最大值后减1输出，构成三角波下降沿。AD669输出三角波电压范围为0～10V，经后端放大电路放大为0～22V，送入F-P滤波器。　　3.试验结果　　3.1试验波形　　利用单