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(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文就其在電力設(shè)備測(cè)溫中的應(yīng)用提出了一種簡(jiǎn)單可行的方法，詳細(xì)分析了其工作原理、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
一、前言
高壓開(kāi)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(kāi)斷電力線的作用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送及倒換電力負(fù)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(yùn)行[1]。在高壓開(kāi)關(guān)柜的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜中的觸點(diǎn)和母線排連接處等部位因老化和接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)，由此容易導(dǎo)致火災(zāi)事故。近年來(lái)，在電廠和變電站已經(jīng)發(fā)生多起開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱事故，造成火災(zāi)和大面積的停電。因而對(duì)全封閉的高壓開(kāi)關(guān)電器，檢測(cè)和監(jiān)視高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、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(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。
高壓開(kāi)關(guān)觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場(chǎng)以及極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中，傳統(tǒng)的測(cè)溫儀表如熱電偶、紅外測(cè)溫儀等易受到這些因素的干擾和影響，因而無(wú)法對(duì)這些位置進(jìn)行直接接觸測(cè)量，從而也就無(wú)法真正得到高壓開(kāi)關(guān)柜的真實(shí)工作狀態(tài)，以致設(shè)備內(nèi)部局部過(guò)熱卻仍在“帶病”運(yùn)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(diǎn)[2]，特別適用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制的光纖溫度傳感系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的溫度測(cè)量中性能可靠穩(wěn)定、安裝方便，具有極好的經(jīng)濟(jì)效益，而且在其他領(lǐng)域也具有極好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
二、位移強(qiáng)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(hào)并傳輸給光電探測(cè)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(cè)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(guò)遮斷光路的大小對(duì)光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。
2、測(cè)量原理
當(dāng)圖1所示的傳感探頭置于被測(cè)溫度場(chǎng)時(shí)，被測(cè)溫度的變化將引起雙金屬片的彎曲變形，通過(guò)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(qiáng)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(guò)光電檢測(cè)得到的電流大小也發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過(guò)電流至電壓的轉(zhuǎn)換，使測(cè)得的電壓值為位移的變量，即V（y），傳感原理如圖2。
對(duì)多模光纖來(lái)說(shuō)，其纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)；Φ（x, y, z）—纖端光場(chǎng)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(duì)于階躍型光纖，σ＝1；a0—光纖纖芯半徑；ζ—與光源種類(lèi)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(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可表示為：
S—接收光面，即纖芯面。在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為方便起見(jiàn)，可用輸入光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng)來(lái)作為整個(gè)纖芯面上的平均光強(qiáng)，在這種近似下，得到在輸入光纖端面所探測(cè)到的光強(qiáng)公式為：
對(duì)于遮光式光強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器來(lái)說(shuō)，輸-出光纖接收到的透射光強(qiáng)值等于圖2中光纖纖芯陰影部分所接收到的入射光強(qiáng)，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(shí)，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(duì)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(qiáng)調(diào)制特性曲線分布是重積分函數(shù)，難以手工計(jì)算，我們運(yùn)用Matlab工程計(jì)算軟件繪制的調(diào)制特性曲線如圖3，此公式通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與實(shí)際特性曲線相吻合，見(jiàn)圖7。
三、系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光路如圖4，之所以采用雙光路補(bǔ)償，是由于在實(shí)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(diǎn)的位移等，從而造成測(cè)量精度降低，甚至出現(xiàn)很大的測(cè)量偏差。在光路補(bǔ)償中，雙光路補(bǔ)償是一種常用的簡(jiǎn)單可行的方法。在雙光路補(bǔ)償中，要求雙光纖所處環(huán)境相同，后續(xù)光電檢測(cè)及放大多路對(duì)稱(chēng)。其原理如下[4]：
設(shè)光源與光纖、測(cè)量輸入光纖與探頭、探頭與測(cè)量輸出光纖、光纖與探測(cè)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(dá)探測(cè)器前的光通量，則有以下關(guān)系：
這樣經(jīng)探測(cè)器分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，再經(jīng)放大電路后得到各自的輸出信號(hào)U1和U2，除法器的輸出為U，設(shè)探測(cè)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(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖5所示，信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、顯示和鍵盤(pán)電路、與PC機(jī)的通信電路。整個(gè)處理系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52 為信息處理的核心，通過(guò)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，由AT89C52完成數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)度的轉(zhuǎn)換，通過(guò)顯示電路實(shí)現(xiàn)輸出指示，通過(guò)鍵盤(pán)電路進(jìn)行測(cè)量功能的選定，通過(guò)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)溫度上限報(bào)警，并通過(guò)串口通信電路與上位機(jī)進(jìn)行通信。
五、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用溫度調(diào)節(jié)范圍為10℃～200℃的干燥箱來(lái)產(chǎn)生溫度場(chǎng)，將溫度探頭置于溫度場(chǎng)中，如圖6所示。為了準(zhǔn)確標(biāo)定和測(cè)量溫度場(chǎng)中溫度探頭所在測(cè)量點(diǎn)的溫度變化，將一只測(cè)溫范圍為0℃～100℃、分辨率為1℃的水銀溫度計(jì)和一只測(cè)量范圍為-50℃～250℃、分辨率為1℃的熱電耦溫度計(jì)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(shí)，溫度場(chǎng)的變化會(huì)比較緩慢，從而使得溫度場(chǎng)中十分接近的不同點(diǎn)之間的溫差不會(huì)太大。因此在實(shí)驗(yàn)中要求緩慢調(diào)節(jié)干燥箱的溫度，使得熱電耦溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)的讀值差小于1℃，在這種情況下可以近似地認(rèn)為溫度探頭、熱電偶溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)所處的溫度相同。由于熱電偶溫度計(jì)的靈敏度很高，所以實(shí)驗(yàn)值設(shè)定以熱電偶溫度計(jì)的讀數(shù)為準(zhǔn)。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的是塑料光纖，所以設(shè)定的測(cè)溫范圍為10℃（實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫）到80℃。圖7是溫度測(cè)量點(diǎn)與放大電路輸出電壓之間關(guān)系分布圖，同時(shí)給出了三次函數(shù)擬合曲線。
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，將預(yù)先標(biāo)定的溫度與電壓的對(duì)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(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)信號(hào)與標(biāo)定值進(jìn)行比較，查表插值后將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度量顯示出來(lái)。具體方法如下：
假設(shè)Xi代表標(biāo)定的電壓，Ti是其對(duì)應(yīng)的溫度值，實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓信號(hào)為V，查表可知它位于（Xi，Ti）和[X（i+1），T（i+1）]兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間，則實(shí)時(shí)電壓所對(duì)應(yīng)的溫度值T可由（17）求得，其算法如圖8所示。
同時(shí)我們可以看到，溫度上升過(guò)程曲線與溫度下降過(guò)程曲線不重合，這就是測(cè)溫儀的遲滯性。所謂遲滯性是指?jìng)鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅⒎矗ㄝ斎肓繙p小）行程期間，輸出/輸入曲線不重合的程度，也就是說(shuō)對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不等。遲滯是傳感器的一個(gè)性能指標(biāo)，它反映了傳感器的機(jī)械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點(diǎn)[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(huì)加快，則測(cè)溫儀的遲滯就會(huì)減小。
表1給出了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，系統(tǒng)測(cè)溫誤差在±1℃以?xún)?nèi)，符合實(shí)驗(yàn)的預(yù)期要求。
六、結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案是可行的。該測(cè)量系統(tǒng)具有良好的電絕緣性和抗電磁干擾能力，而且測(cè)溫元件尺寸小，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能適應(yīng)于大多數(shù)場(chǎng)合應(yīng)用，對(duì)于少數(shù)測(cè)量精度要求高的場(chǎng)所，也可通過(guò)加裝準(zhǔn)直系統(tǒng)等來(lái)達(dá)到，但相應(yīng)成本也要增加。
