基于FBG的輸電線路溫度解調系統

蔣 建

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

基于FBG的輸電線路溫度解調系統

蔣 建

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

溫度監測是輸電線路覆冰監測中的重要組成部分。本文研制出基于單片機的低成本高分辨率高精度光纖Bragg光柵（FBG）溫度解調系統。該系統利用可調諧F-P濾波器法對溫度傳感器反射光譜進行波長解調。為降低F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷非線性的影響，采用3根FBG作為參考光纖光柵，對波長-溫度曲線進行二次擬合求解。試驗結果表明，該解調系統分辨率達1.4pm，精度達1.2℃，具有廣泛實用性。

FBG；輸電線路；單片機；溫度監測

輸電線路覆冰是威脅電力系統安全的重要因素之一。2008年初，我國南方冰災，導致了大面積的線路斷線、倒塔等嚴重情況，直接經濟損失超過千億元。輸電線路環境復雜，光纖Bragg光柵（FBG）傳感器以光信號為變換和傳輸的載體，具有精度高，抗電磁干擾，絕緣性能好，耐腐蝕等諸多優點，溫度監測是輸電線路覆冰監測的重要組成部分，本文主要介紹了輸電線路FBG溫度監測解調系統的研制。

FBG溫度解調關鍵在于對光纖光柵中心波長漂移的解調。利用光譜儀直接觀測，價格昂貴，分辨率低，不適用于實際工程。目前，國內外光纖光柵解調方法很多，常用的主要包括：匹配光纖光柵濾波器法，可調諧F-P濾波器法，邊緣濾波器法等，其中可調諧F-P濾波器法的波長掃描范圍典型值為幾十納米，分辨率可達皮米量級，在國內外應用廣泛，技術較為成熟，本文采取此方法進行解調。此外，為了降低成本，采用單片機作為解調的核心控制器件，同時采用3根FBG作為參考光纖光柵，通過曲線擬合降低F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷非線性的影響。

1. 解調原理

1.1 FBG傳感原理

由耦合模理論可知，當寬帶光在FBG中傳輸時，中心波長滿足公式（1）的光將被反射回來：

式中：neff是纖芯的有效折射率，∧是光柵周期。其中應變和溫度分別通過彈光效應和熱光效應影響neff，通過長度改變和熱膨脹效應影響∧，進而使λB發生移動。

溫度和應變變化引起的波長漂移關系為：

式中：△λ為FBG波長變化量，ε為應變量，△T為溫度變化。

本文中，FBG傳感器采用特殊封裝，不受應力影響，波長漂移僅由溫度變化引起。

1.2 解調系統原理圖

解調系統原理如圖1所示，系統所需電源直接由輸電線路取得。寬帶光源發出的光經隔離器、耦合器，進入FBG傳感器，中心波長滿足公式（1）的將被反射，其余光透射。反射光經耦合器進入可調諧F-P濾波器。可調諧F-P濾波器相當于一個特殊的光學濾波器。給壓電陶瓷PZT施加一個三角波掃描電壓，壓電陶瓷產生伸縮，從而改變F-P腔的腔長，使透過F-P腔的光的波長發生改變。若F-P腔的透射波長與FBG的反射波長重合，則透射光強最大，光電探測器（PIN）能探測到最大電壓，此時給壓電陶瓷施加的掃描電壓V就對應著FBG的反射波長。因此通過檢測電壓信號即可得到反射波波長，進而得到所測變量的信息。

1.3 F-P腔腔長漂移及壓電陶瓷非線性

利用可調諧F-P濾波器進行FBG解調時有兩個因素會影響解調精度，即F-P腔腔長漂移和壓電陶瓷（PZT）的非線性。當溫度發生變化時，F-P濾波器的腔長會發生漂移，此外，壓電陶瓷PZT的伸長量和電壓并非成嚴格的線性關系，直接用電壓代表伸長量將引入誤差。

為解決上述兩個問題，試驗中采用3根參考光柵，并保持其中心波長不變，用二次曲線擬合PZT的伸長量和電壓的關系，用解方程的方法同時解決同一溫度下的腔長漂移和PZT非線性問題，以提高精確度。壓電陶瓷的伸長量L，影響透射中心波長的大小，可以用透射中心波長λ代替L列方程求解。

表1　試驗數據結果

式（3）中U0～U3為PIN探測器探測到的電壓脈沖極大值對應的三角波電壓值，這些電壓值可以通過單片機采集系統采集獲得，λ1～λ3為參考光纖光柵的中心波長值，這3個值通過光譜儀或其他解調設備獲得，λ0是待測光纖光柵的中心波長值，a，b，c為二次系數。

2. 單片機解調硬件電路

單片機解調電路采用兩塊單片機，一塊D/A和一塊A/D芯片，分別構成D/A和A/D模塊進行掃描電壓輸出和采樣。

2.1 掃描三角波輸出

本實驗中的F-P濾波器自由光譜范圍（FSR）為93.3nm，三角波每半個周期將掃描完一個自由光譜范圍。單片機2芯片采用STC11F60XE，為了提高系統分辨率，采用16位D/A芯片AD669。單片機2中利用16位計數器循環加1計數，控制D/A芯片輸出，構成三角波上升沿，計數器從1至最大值計數輸出時，線性對應三角波0至最大值。因此一個FSR將被分為216，即65535個電壓臺階，系統分辨為93.3nm/65535=1.4pm，實現高分辨率解調。計數器輸出最大值后減1輸出，構成三角波下降沿。AD669輸出三角波電壓范圍為0～10V，經后端放大電路放大為0～22V，送入F-P濾波器。

3. 試驗結果

3.1 試驗波形

利用單片機產生的掃描三角波波形和PIN探測器探測到的電壓脈沖波形如圖2所示。

實際輸電線路溫度變化緩慢，低頻解調可滿足測量系統的實際要求。系統中三角波每個電壓臺階維持時間20us，周期2.62s，頻率0.38Hz。

3.2 溫度解調結果

試驗中3根參考光柵采用波分復用串接置于恒溫環境中，保持其中心波長λ1～λ3不發生變化，采用水浴法改變光纖光柵溫度傳感器的溫度，溫度解調結果與二等標準水銀溫度計進行結果的比對。二等標準水銀溫度計精度為0.04℃。

單片機將采集到的脈沖峰值對應的三角波值經無線發送到后臺，經方程求解得到中心波長數據。由表1可見，本解調系統的誤差可達到±1.2℃以內，滿足輸電線路溫度的工程實測要求。

結論

為了進行輸電線路覆冰監測，研制了基于FBG的輸電線路溫度解調系統。采用單片機作為核心控制元件，大大降低了系統成本。利用可調諧F-P濾波器解調方法實現高精度高分辨溫度解調。由于溫度變化率緩慢，采用低頻解調，三角波掃描頻率為0.38Hz，解調系統分辨率1.4pm，溫度精度±1.2℃，滿足輸電線路溫度測量要求。該解調系統還可應用于其他FBG傳感器測量場合，具有廣泛的實用性。

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