基于電力系統監測的光纖光柵傳感器采集裝置研究

吳衛東，杜蔚然，謝加榮

(1.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽 蕪湖 241083； 2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106；3.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106)

電力系統狀態監測的目的是采用有效的檢測手段和分析診斷技術，及時、準確地掌握設備運行狀態，保證設備的安全、可靠和經濟運行。為保證電力系統的安全運行，需對系統的重要設備的運行狀態進行的監視與檢測。監測目的是及時發現設備的各種劣化過程的發展，以求在可能出現故障或性能下降到影響正常工作之前，及時維修、更換，避免發生危及安全的事故。

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)傳感器具有體積小、靈敏度高、不受電磁干擾、可靠性高、成本低、易于集成等優點，被廣泛應用于水利、電力、交通等領域[1-3]。隨著光纖光柵傳感技術的發展與日趨成熟，其憑借很多傳統監測技術所不具備的優點而被認為是動態監測首選的傳感形式，目前已成為工程結構動態監測研究的熱點[4]。在電力行業中，光纖光柵傳感技術在發電機定子測溫、水電站大壩安全監測、輸電鐵塔結構狀態監測等領域都有非常重要的作用。

為使用光纖光柵傳感器對相應的物理量(溫度、擺度、壓力、流量等)進行測量，需要對傳感器反射波長進行解調。光纖光柵傳感解調技術主要是對傳感器反射波長信號進行分析，從而得到相應的物理量及其變化量。一個完整的解調系統方案對于光纖光柵傳感技術在工程上的應用非常重要，目前主要的解調方法：匹配光柵法、邊緣濾波解調法、光譜儀解調法和可調諧F-P濾波器解調法等[5-14]。本文采用了可調諧F-P濾波器解調法，將其用于光纖光柵傳感器采集裝置的研制。

1 光纖光柵解調的原理和解調方案對比

1.1 解調原理

ASE寬帶光源入射到光纖布拉格光柵上，入射波長滿足布拉格條件：

λB=2neff∧

(1)

式中，λB為光纖光柵反射光中心波長；neff為光纖光柵的有效折射率；∧為光柵的周期。

滿足上述布拉格條件的光將被反射，不滿足的光則發生透射。

當相應的物理量(溫度、擺度、壓力、流量等)發生變化時，neff和∧會隨之改變，從而會導致光纖光柵中心反射波長發生變化，變化量ΔλB為：

ΔλB=2Δneff∧+2neffΔ∧

(2)

式中，ΔλB為布拉格波長的變化量；Δneff為光纖光柵的彈光效應引起的變化；Δ∧為光纖光柵的彈性形變伸縮量，這是由外界應力作用引發的。由該式可知，Δneff和Δ∧與待測物理量之間呈線性關系。

因此，光纖光柵解調的基本原理是通過測量和解調反射波中心波長的大小和改變量，推導計算出外界物理量的變化。

1.2 典型解調方案對比

1.2.1 光譜儀解調法

光譜儀解調法即使用光譜儀等光學儀器直接測量光纖布拉格光柵反射光譜的波形，進而檢測出中心波長，其原理如圖1所示。

圖1 光譜儀解調法Fig.1 Spectrometer demodulation method

寬帶光源的入射光通過環形器入射至光纖光柵中，其反射光通過環形器進入光譜儀，通過光譜儀直接顯示光纖布拉格光柵反射光譜的波形，檢測出中心波長。該解調方案簡單、精度高，但是成本高，檢測速度太慢，無法滿足工程高速解調需求。

1.2.2 匹配光柵解調法

匹配光柵解調法主要使用一個參考光柵進行匹配，參考光柵與光纖光柵特性完全一致，只有在特定波長范圍內的反射光信號才能通過參考光柵反射。匹配光柵解調法分為透射式和反射式2種，其原理如圖2所示。

匹配光柵解調法結構簡單，精度高，但是需要匹配光柵與傳感光柵對應匹配，在大量使用光纖光柵傳感器的實際工程中，必須使用多個匹配光柵，其驅動電壓也不相同，會導致精度和解調速度顯著下降。

1.2.3 邊緣濾波解調法

邊緣濾波解調法的原理主要是檢測入射光和反射光的功率強弱變化，如圖3所示。

圖3 邊緣濾波解調法Fig.3 Edge filter demodulation method

寬帶光源的入射光通過環形器入射至光纖光柵中，其反射光通過環形器進入光耦合器后，一路進入邊緣濾波器后，再進入光電探測器，另一路直接進入光電探測器。兩路信號相除，得到中心波長的變化量。該解調方案計算速度較快，使用成本較低，但受外界環境因素和邊緣濾波器穩定性影響較大，會產生較大誤差。

1.2.4 可調諧F-P濾波器解調法

可調諧F-P濾波器解調法又稱可調諧Fabry-Perot濾波器解調法，所需設備體積較小，成本相對較低，計算速度快，范圍寬，精度較高，適用于工程應用。

2 可調諧F-P濾波器解調系統方案

此方案利用可調諧F-P濾波器法來獲得光纖光柵的中心波長。可調諧F-P濾波器解調原理如圖4所示，ASE寬帶光源輸入可調諧窄帶光纖F-P濾波器，通過鋸齒掃描電壓控制壓電陶瓷改變濾波器中F-P的腔長，從而改變F-P濾波器的導通頻帶，實現窄帶掃頻光輸出[11]。F-P濾波器輸出的窄帶光對光纖光柵的整個自由光譜范圍(FSR)進行掃描。波長與光纖光柵的中心波長接近的窄帶光會被反射回F-P濾波器，其他的窄帶光都會被透射。反射回F-P濾波器的光進入光電轉換電路被轉換成電信號。由于光纖F-P濾波器的導通頻帶很窄，當光纖F-P濾波器的導通中心波長與某一光柵的布拉格波長一致時，這個信號為最強。信號的峰頂對應于從這一光纖光柵反射回的波長[15]。光電轉換信號經過數據采集系統后，由計算機進行尋峰和波長計算。

圖4 可調諧F-P濾波器解調原理Fig.4 Demodulation principle of tunable F-P filter

一般情況下，理論上可以近似認為，透射波長與加在可調諧F-P濾波器上的鋸齒掃描電壓成線性關系。但是在實際應用中，由于可調諧F-P濾波器自身的特點，比如F-P腔的溫度漂移性，壓電陶瓷(PZT)的蠕動性和遲滯性，造成在相同鋸齒波電壓控制下，每一個掃描周期內，透射波長均會發生漂移，中心波長變化曲線會改變，無法得到特定鋸齒波電壓下F-P濾波器輸出光的中心波長，造成系統誤差[16]。本解調系統采用具有穩定且已知反射波長的F-P標準具作為參考，對解調系統進行校正，以減少上述原因造成的誤差，提高波長檢測的精度。寬帶光源輸出的光經過F-P濾波器，輸出窄帶光，通過耦合器一分為二，一路進入光纖光柵傳感器，另外一路進入標準具，經過解調得到確定波長的一系列光峰值，將其作為參考標準值。

光纖光柵反射波長在解調時，用上述參考標準值進行插值，便得到了一系列的光纖光柵反射波長的峰值。

3 解調算法實現

3.1 尋峰算法選擇

為提高光纖光柵波長解調精度、擴大FBG應用領域，優化的高精度尋峰算法是研究中的重要手段，尋峰算法的性能直接對系統的檢測精度造成影響。直接數字濾波對波動較大的情況，如峰值點附近功率大幅度跳變、峰值附近有較多噪聲等的FBG反射譜處理效果較差，這種情況下，如果直接將濾波后的FBG反射譜最大點作為待求峰值點，會造成較大誤差。因此，需要采用精度更高的尋峰算法對數據進行處理。

在數據處理過程中，整個FBG反射譜數據擬合點數多、計算量大，如果直接對其進行尋峰，會降低處理效率，在大容量FBG檢測中甚至會造成部分數據的丟失。為了減少資源浪費、提高解調速度，可以選擇反射譜各個峰值點附近部分數據進行處理，即如圖5所示的閾值。

圖5 尋峰算法閾值的選擇Fig.5 Selection of threshold value of peak searching algorithm

圖5中，選擇峰值點附近部分數據，即A與B、C與D之間的數據進行尋峰計算。

離散數據常見的尋峰算法有直接比較法、質心法、多項式擬合法、高斯擬合法等[13-14]。

3.1.1 直接比較法

直接比較法是一種簡單直接的尋峰算法，其核心是通過逐次比較的思想來獲得信號曲線的最大值。首先如圖5選擇一個閾值范圍，設定一個初始峰值，并將其存放在設定的寄存器之中。初始值設定完成后，將采集到的數據與初始預設值相比較，若采集得到的數據大于初始峰值，則將采集到的數據設為峰值，作為下一次用來比較的峰值，依次循環，假設對于每個光柵的反射信號，A/D芯片總共采集了N組數據，那么將N組數據依次做完比較之后，最終可以得到反射信號的最大值，也就是峰值。

在實際應用中，光柵反射信號會有不同程度的噪聲，在峰值附近會有畸變，對直接比較法的精度有很大影響，且直接比較法是一個循環計算的過程，會受到A/D采樣精度及采樣速率等因素的影響。因此，直接比較法的測量精度低、穩定度差，最終得到的峰值誤差較大，不適合在對精度要求很高的工程中應用，僅可用在對精度要求較低的場合。

3.1.2 多項式擬合法

一個復雜的多項式可以“過擬合”任意數據，是多項式函數可以接近于任何函數。多項式擬合法是用連續曲線逼近光柵反射信號的一種數據處理方法，光柵反射信號的波峰曲線符合多項式曲線的特征，因此可以用多項式進行擬合：

fn(x)=a0+a1x+…+anxn

(3)

光柵反射信號光譜除了可以用多項式擬合進行逼近，也可以進行高斯曲線擬合，通過求解相應的高斯函數即可得到光柵反射信號所有波峰的位置，光柵反射信號光譜曲線可以用如下高斯函數表示：

(4)

式中，f0為反射信號光譜的強度；λm為反射譜峰值波長；Δλ為反射譜的3 dB帶寬值。將上式兩邊取對數，可以得到反射譜所有的峰值點。

3.1.4 質心法

質心法又稱功率加權法，A/D采集到傳感器的功率值后，通常數值大的點接近峰值位置，而數值小的點遠離峰值位置。假定A/D采集到的這些離散點是有質量的，其數值代表質量大小，那么可以將離散采樣點構成波形的“質心”的橫坐標認為是波形的峰值位置。算法實現是將FBG反射光的功率作為加權系數來計算波長的加權平均值，這樣就得到反射光功率在波長方向的質心位置(反射譜的中心波長值)。設Pi為光纖光柵反射光功率采樣值，Ni為當前窄帶光序列號，N為波形質心的點序號，其計算公式為：

(5)

3.2 算法仿真

在Matlab中編寫算法，對同一個光柵反射信號光譜曲線，先取一個峰值點附近部分數據，借助Matlab中的Curve Fitting Tool工具，分別使用多項式擬合法、高斯擬合法和質心法進行仿真，觀察擬合的曲線特征，仿真結果如圖6所示。

圖6 擬合曲線Fig.6 Fitting curve

由圖6可以得到，對于一個峰值點附近部分數據，高斯擬合法和質心法的擬合曲線光滑，擬合度好，而多項式擬合法相對擬合度較差。因此，多項式擬合法不適用于本裝置的尋峰算法。下一步選擇完整的光柵反射信號光譜，分別使用質心法和高斯擬合法進行尋峰。

在Matlab中分別編寫質心法和高斯擬合法尋峰算法程序，對完整的光柵反射信號光譜進行尋峰，由圖7所示，總體來看，反射信號曲線比較平滑，放大觀看有少量畸變，此時高斯擬合法可以通過擬合將畸變消除，形成極為光滑的曲線。

圖7 仿真結果Fig.7 Simulation results

與質心法相比，高斯擬合的曲線相對更為平滑，而且噪聲引起的波形畸變對其尋峰算法影響相對更小，但是在仿真過程中，由于高斯擬合法需要對每一個峰進行曲線擬合，而光柵反射信號光譜有50個左右的峰值，一次尋峰需要同時對這些曲線進行擬合，然后再計算出峰值，計算量極大，這就導致了每一次尋峰計算所需的時間多，在Matlab仿真中發現，每一次對光柵反射信號光譜的尋峰需要2～3 min才能全部計算完畢，這就意味著在高速動態光纖光柵解調中，高斯擬合法無法得到良好應用。而質心法雖然受噪聲的影響略大，但是計算速度快，經過Matlab計算可以得到，其精度也與高斯擬合法接近。

柳紅不響。蘇秋琴說：“你擔心什么呢？白天明敢在城里找野女人，我就敢給他戴綠帽子；再說在城里你只要掰掰大腿就是錢，錢來得不要太容易呵。”

綜合上述比較，在本裝置中選擇質心法作為尋峰算法。

3.3 FPGA解調系統實現

本光纖光柵傳感器采集裝置在實際工程應用中，需要滿足16通道同時采樣，測點量大、計算較復雜。此外，可調諧F-P濾波器解調要求對不同光纖光柵傳感器網絡進行高速掃描、采樣和分析，數據量大，IO接口數量多，常見的處理器等難以滿足。FPGA(現場可編程門陣列)具有并行處理、高速運行、IO資源豐富的特點[12]，因而在本裝置中得到應用。

光纖光柵傳感器采集裝置系統結構如圖8所示。FPGA主要完成FP濾波器驅動控制、ADC采樣控制、UART通信、開出控制、IRIG-B解碼等功能。其中，FP濾波器驅動控制是通過DAC和驅動電路實現的，驅動電路輸出鋸齒波掃描電壓，驅動F-P濾波器，得到窄帶掃頻光源，窄帶光一路進入標準具，另一路進入16路傳感器通道，得到標準具通道的透射光和傳感器通道的反射光，然后再經過光電二極管轉換為電信號。ADC采樣控制是通過直接對ADC采樣的數據進行處理實現的。光電轉換輸出的信號經過放大、濾波等信號調理，進入ADC進行采樣，FPGA對采樣數據進行計算處理。CPU負責系統配置和通信，計算后的數據通過CPU轉換成相應的物理量，由CPU與上位機通信進行讀取。

圖8 光纖光柵傳感器采集裝置結構Fig.8 Structure of FBG sensor collection device

ADC采樣控制邏輯如圖9所示。FPGA讀取ADC采集到的數據，FPGA將采樣值存入FIFO中，根據FIFO中的采樣值，檢測波形的上升沿和下降沿，然后將采集到的信號進行閾值的截取，得到如圖7所示的質心法計算的范圍。然后再根據式(3)分別計算出各個峰的峰值點序列值。

圖9 ADC采樣控制邏輯圖Fig.9 Sampling control logic diagram of ADC

得到峰值點序列值以后，需要使用標準具的參考標準值對其進行插值計算，才能轉換得到峰值點序列對應的實際波長值。

假設峰值點(N，λ)位于參考標準峰值點(N1，λ1)和(N2，λ2)之間，由于參考標準峰值點的波長λ1和λ2已知，可以使用插值法求得λ的值。這樣就可以得到峰值點序列對應的全部波長值。

4 裝置設計

4.1 總體設計

光纖光柵傳感器采集裝置的總體設計如圖10所示。光纖光柵傳感器串接成鏈路后，通過通信光纜接入光纖光柵傳感器采集裝置，該裝置采集處理數據后通過以太網上傳至上位機進行分析，然后通過有線或者無線網絡傳輸進入遠程管理計算機。

圖10 總體設計Fig.10 General design diagram

裝置中的光學檢測模塊負責對通過光纖接口接入的光纖光柵傳感器進行光學檢測。主控模塊對光學檢測模塊提供FP濾波器驅動、光電轉換、數據采樣、分析處理和顯示。

4.2 硬件設計

主控制模塊用于控制光學檢測系統，讀取檢測數據，分析處理檢測數據，與上位機進行通信，與人機交互模塊進行通信等。該模塊接收來自人機交互模塊的指令，控制光學檢測系統工作，待測量完成后，讀取測量數據并傳輸給人機交互模塊，主控制模塊如圖11所示。

圖11 硬件設計Fig.11 Hardware design diagram

4.3 軟件設計

4.3.1 軟件主要功能

(1)參數設置功能。裝置參數(如掃描頻率、通道數量及傳感器校準等)可根據需求進行設置，該功能在“停止”模式下進行。

(2)數據測量與計算功能。首先讀取FGPA的采集數據，并進行數據分析、計算與后續處理。

(3)數據及圖形顯示功能。測量與采集數據可通過串口屏進行顯示或上送上位機顯示與后續處理。

(4)數據通信處理功能。裝置具有Modbus與MMS通信接口，以方便進行遠程數據監測與數據查看。

4.3.2 軟件架構

嵌入式軟件采用多進程多線程的軟件結構方式(圖12)，分為主進程、串口屏通信進程、Modbus通信進程及MMS通信進程。各進程通過共享內存與信號量的方式進行數據交互、資源共享與同步。

圖12 軟件架構Fig.12 Software architecture diagram

5 實驗測試結果

完成光纖光柵傳感器采集裝置的樣機研制之后，對裝置進行如下測試，測試結果顯示在裝置的液晶觸摸屏和上位機軟件上。

5.1 波長測量范圍測試

使用標定波長范圍為1 525～1 565 nm的F-P標準具分別連接至裝置的各個通道上，驗證裝置的波長測量范圍。在裝置的液晶觸摸屏上可以得到F-P標準具譜(圖13)，波長為1 525～1 565 nm，完全滿足工程需求。

圖13 光譜顯示Fig.13 Spectrum display diagram

5.2 波長精度測試

為測試裝置精度，在25 ℃下，使用Si255光纖光柵解調儀和光纖光柵傳感器采集裝置同時對F-P標準具進行不間斷多次測量，每個通道記錄200次測量結果，計算平均值、擺動幅度和標準差，并進行對比，得到裝置各通道的波長精度，統計結果見表1(限于篇幅，本文僅取其中一個通道的部分數據)。

表1 測量數據記錄Tab.1 Record of measurement data

由表1可以得到，該裝置測量平均值(表1中的平均值)與Si255光纖光柵解調儀測量平均值(表1中的標準值)非常接近，最大僅有0.5 pm的差距，各通道各波段測量結果的標準差均在0.5～0.8 pm，這證明該裝置有很好的工作穩定性。另外，本裝置測值數據的擺動幅度均不超過4 pm，測量精度較好，滿足電力系統監測測量精度在5 pm以內的要求。

6 工程現場應用和結論

本裝置研發完成后，已經在華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍水電站得到工程應用，該裝置是全國首套基于光纖光柵傳感原理應用于發電機定子測溫的裝置。目前已在烏弄龍水電站現場運行1年多時間，運行狀態良好。

本文根據可調諧F-P濾波器解調系統方案，結合FPGA資源豐富、高速處理的特點，采用質心法尋峰計算，研制了光纖光柵傳感器采集裝置，該裝置實現了16通道高速解調，性能穩定，測量精度高，完全滿足工程應用的需要。