基于FBG的输电线路温度解调系统

蒋 建

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江 杭州 310009）

基于FBG的输电线路温度解调系统

蒋 建

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江 杭州 310009）

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。

FBG；输电线路；单片机；温度监测

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。

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，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

1.1 FBG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：

式中：△λ为FBG波长变化量，ε为应变量，△T为温度变化。

本文中，FBG传感器采用特殊封装，不受应力影响，波长漂移仅由温度变化引起。

1.2 解调系统原理图

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长，进而得到所测变量的信息。

1.3 F-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。

表1　试验数据结果

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

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

利用单片机产生的扫描三角波波形和PIN探测器探测到的电压脉冲波形如图2所示。

实际输电线路温度变化缓慢，低频解调可满足测量系统的实际要求。系统中三角波每个电压台阶维持时间20us，周期2.62s，频率0.38Hz。

3.2 温度解调结果

试验中3根参考光栅采用波分复用串接置于恒温环境中，保持其中心波长λ1～λ3不发生变化，采用水浴法改变光纤光栅温度传感器的温度，温度解调结果与二等标准水银温度计进行结果的比对。二等标准水银温度计精度为0.04℃。

单片机将采集到的脉冲峰值对应的三角波值经无线发送到后台，经方程求解得到中心波长数据。由表1可见，本解调系统的误差可达到±1.2℃以内，满足输电线路温度的工程实测要求。

结论

为了进行输电线路覆冰监测，研制了基于FBG的输电线路温度解调系统。采用单片机作为核心控制元件，大大降低了系统成本。利用可调谐F-P滤波器解调方法实现高精度高分辨温度解调。由于温度变化率缓慢，采用低频解调，三角波扫描频率为0.38Hz，解调系统分辨率1.4pm，温度精度±1.2℃，满足输电线路温度测量要求。该解调系统还可应用于其他FBG传感器测量场合，具有广泛的实用性。

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