2009.No3６４决策管理Policy & Management摘要：介绍了提高光纤传输效率的两个途径，指出目前利用光纤通信来进行继电保护的三种方式：光纤纵联差动保护，分相允许式光纤纵联保护，过电压或失灵启动远跳。并简要介绍光纤测温技术的工作原理及其在变压器上的应用。关键词：光纤维 继电保护 测温技术由于光纤传感技术的传感与传输信号都是光学信号，而不是传统的电信号，因而具有许多独特的优点，对电绝缘，抗电磁干扰，适合高电压场所；精度高，能远距离传输信号；尺寸小、重量轻，有利于微型化；寿命长、长期可靠性好，适合大型工程长期安全监测等。因此，光纤传感技术得到了高度重视和快速发展，成为国家重大工程、重大装备、武器系统等国民经济诸多领域急需的关键技术之一。一、提高光纤传输效率的两个途径（一）４０Ｇｂｉｔ／ｓ 传输系统的发展、挑战与应用。准同步传输体系（ＰＤＨ）利用光纤的单一波长传输速率从８Ｍｂｉｔ／ｓ、４Ｍｂｉｔ／ｓ１４０ｂｉｔ／ｓ，同步传输体系（ＳＤＨ）利用光纤的单一波长传输速率从１５５Ｍｂｉｔ／ｓ、６２２Ｍｂｉｔ／ｓ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ 到１０Ｇｂｉｔ／ｓ。从实际应用来看，４０Ｇｂｉｔ／ｓ 传输系统必须采用外调制器，目前具备足够输出电压能够驱动外调制器的驱动集成电路还不成熟；沿用多年的ＮＲＺ调制方式能否有效、可靠地工作于４０Ｇｂｉｔ／ｓ 系统还不确定，可能需要转向性能更好的普通归零（ＲＺ）码乃至调制效率更高的其他调制方式。除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的关键因素。尽管目前我国干线网络的波道利用率已经超过７０％，但是光纤利用率不到３０％，ＳＤＨ 电路利用率不到５０％，因此只需在波分复用层面上扩容即可，光缆网的总体容量依然有余，并不需要立即全面升级到４０Ｇｂｉｔ／ｓ速率。另需认真考虑的因素是光缆的极化模色散特性。对于短距离传输，无须色散补偿、光放大器和外调制器，４０Ｇｂｉｔ／ｓ传输系统具有很低的单位比特成本，上述问题不是障碍。因此，４０Ｇｂｉｔ／ｓ传输系统完全可以由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连，乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。（二）粗波分复用系统（ＣＷＤＭ）技术的发展与应用。随着技术和业务的发展，利用光纤的多个波长进行复用就是ＷＤＭ 技术。目前，１６０波系统已经成熟商用。它正从长途传输领域向城域网领域扩展，作为进一步提高光纤传输效率的另一个主要途径。尽管城域ＷＤＭ 系统的建设成本明显低于长途网ＷＤＭ 系统，但是目前的绝对成本仍然较高，特别是需要使用光纤放大器的长距离应用成本较高。此外，当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，ＷＤＭ 多业务平台主要适用于核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。为了进一步降低城域ＷＤＭ 多业务平台的成本，出现了ＣＷＤＭ 粗波分复用系统（Ｃｏａｒｓｅ Ｗａｖｅ Ｄｉ－ｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）。这种系统的典型波长组合有４、８和１６三种，波长通路间隔达２０ｎｍ，允许波长漂移±６．５ｎｍ，大大降低了对激光器的要求，成本也大为降低。此外，由于ＣＷＤＭ 系统对激光器的波长精度要求较低，无需制冷器和波长锁定器，不仅功耗低、尺寸小，而且封装可以采用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低，激光器模块的总成本可以减少２／３。从滤波器角度看，典型的１００ＧＨｚ 间隔的介质薄膜滤波器需要１５０层镀膜，而２０ｎｍ 间隔的ＣＷＤＭ 滤波器只需要５０层镀膜，其成品率和成本都可以获得有效改善。二、光纤通信在继电保护中的应用继电保护装置信号的物理传输通道有光纤、微波、电力线载波等，微波和电力线载波易受气候变化影响，传输质量较差，而光纤通道不怕超高压与电磁干扰，传输容量大，绝缘性能好，衰耗低，可靠性高，在继电保护领域中得到了日益广泛的应用。（一）光纤通信来进行继电保护。当被保护的线路长度较长时，为了补偿光功率损耗，把ＲＣＳ－９３１系列光纤纵差保护装置的光信号传入ＭＵＸ－２Ｍ继电保护信号数字复接接口装置，再转化为电信号通过７５Ω的同轴电缆连接通讯ＳＤＨ设备的２０４８ｋ ｂｉｔ／ ｓ口传到对侧，如图１中的（ ｂ）。ＳＤＨ环网采用的是１５５Ｍ以上速率的传输设备，传输容量大，具有强大的保护恢复能力。当被保护线路发生故障时，装置根据对两侧电流的幅值和相位比较启动光纤纵联差动保护动作使两侧跳闸，所有装置都处理后动作时间一般在３０ｍｓ以内，能够快速切除故障，有效保护线路全长。假设线路发生Ａ相区内故障时，本侧ＲＣＳ－９０２Ｃ系列分相允许式纵联保护装置发出“Ａ相允许跳闸”电信号开入到ＦＯＸ－４１Ａ型继电保护光纤通信接口装置， ＦＯＸ－４１Ａ内部把此电信号转为光信号传输到对侧的ＦＯＸ－４１Ａ，本侧与对侧之间光纤传输根据线路长度不同有两种传输方式。对侧的ＦＯＸ－４１Ａ光电转换后再把“Ａ相允许跳闸”电信号开入到对侧的ＲＣＳ－９０２Ｃ，对侧的ＲＣＳ－９０２Ｃ保护装置已判断是Ａ相区内故障并收到对侧“Ａ相允许跳闸”信号则保护动作跳对侧Ａ相断路器。同理，对侧发允许跳闸信号到本侧过程也是一样，Ｂ或Ｃ相故障也与Ａ相故障分析过程一样。所有装置都处理后保护动作时间一般在３０ｍｓ左右，快速有效，如图２所示。当被保护线路本侧过电压保护跳闸并启动对侧断路器跳闸时，可以把远跳信号通过ＦＯＸ－４１Ａ传输到对侧；当被保护线路本侧保护跳闸但是断路器失灵没有跳开时，为了避免故障发展扩大，也可以把失灵信号通过ＦＯＸ－ ４１Ａ传输到对侧启动对侧断路器跳闸，如图３所示。（二）工程中实际应用问题。１、通道故障检测。光纤纵差保护安全可靠，在使用和运行当中主要是光纤通道的维护。如果光纤通道告警，可以进行逐段自检来确认装置和通道是否正常，另外需仔细观察与光电通道相关的告警指示灯和装置控制字，还可以用光功率计测试光收发功率与光衰耗。部分厂家提供的ＳＤＨ设备也可以实现实时的光功率在线检测，为网络的维护提供了极大的便利性。２、光纤纵差保护旁路切换。目前通信速率一般是２０４８ｋｂｉｔ／ｓ，也有少部分是６４ｋｂｉｔ／ｓ，这给光纤纵差保护的旁路代线路切换运行来了一定问题，根据现在通信的发展情况，通信速率可以都统一到２０４８ｋｂｉｔ／ｓ。与电力线载波高频保护的旁路代线路切换运行需要切换高频载波电缆通道一样，光纤纵差保护的旁路代线路切换运行需要切换光纤通道。三、光纤测温技术在变压器上的应用使用光纤探头测量绕组温度时， 将其嵌入垫块或直接附在需要温度监测的导线上，这种使用方式， 首先必须拆开局部导线绝缘， 并在安装光纤测温探头后再恢复导线绝缘。更普遍的方法是光纤传感技术的应用现状◇ 刘云圣科技视野2009.No3６５决策管理Policy & Management在光影中漫步
２０１７年（第４６卷）第７期 信．皇，技术 ＤＯＩ １０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７２—６３７５．２０１７．０７．００２ 光纤传感技术的应用进展 吴军玲 （兰州６８１０８部队，甘肃兰州７３００００） 摘要：随着光纤技术的不断发展，光纤传感技术在更多的领域得到应用与发展。结合光纤传感技术的最新研究成果以及 在军事、化工、航空航天以及地质工程中的开发研究，本论述首先介绍了光纤的结构及其分类，其次从光纤光栅传感器、阵 列复用传感器系统、分布式光纤传感器系统以及智能化光纤传感器系统介绍光纤传感技术的研究进展，然后从军事、化工、 航空航天及地质工程领域中介绍光纤传感技术的应用，最后结合现代科技以及计算器技术的发展对光纤传感技术在各个 领域中的应用前景进行展望。 关键词：光纤传感技术；应用；发展；开发研究 中图分类号：ＴＰ２１２．１４ 文献标识码：Ａ ０引言 光纤传感技术的发展始于２０世纪７Ｏ年代，光纤传 感技术的发展在光电技术的发展应用中占有十分重要 的地位。光纤具有很多的优点，比如：灵敏度比较高、 抗干扰的能力比较强、体型比较小、容易形成阵列等。 因此光纤传感技术的发展与运用受到很多领域专家的 重视，对其的发展及其应用做出了很多的研究，这为光 纤传感技术的蓬勃发展奠定了一定的基础。 随着当今计算机技术、半导体光电技术以及光纤 通信技术的发展。现代光纤传感技术的发展可以分为 两大类：光纤传感技术的研究及其在军事、化工、航空 航天以及地质工程中的应用研究。光纤传感技术基于 当今时代的经济以及科学技术的发展也得到了迅速的 发展，具有高精度、大动态优点的光纤传感器也越来越 受重视，光纤光栅、多路复用技术以及阵列复用技术也 在军事、化工、航空航天以及地质工程中的应用范围也 越来越广泛，今后智能结构以及分布式光纤传感器的 应用成为光纤传感器的主要发展方向。 光纤传感技术的发展涉及很多的领域，随着我国 经济和国际地位的提高，我国军事业、航空航天业、化 工业以及地质工程业快速发展势在必行，将光纤传感 技术应用到这些领域中将会推动这些行业加速发展， 同时使光纤传感技术也能同步发展。 １ 光纤的结构及其分类 １．１光纤的结构 光纤是光导纤维的简称。现在市面上流行的光导 纤维的主要材质是高纯度的石英玻璃，里面含有很少 的硼、磷等杂质；主要的光导纤维结构是细长多层多轴 圆柱实体的复合纤维。纤芯的主要材料是石英纤维， 包层的主要是材料是玻璃，涂覆层的主要材料是聚氨 基甲酸酯，护套的主要材料是尼龙材料。 一般说的光纤都是由纤芯和包层组成，纤芯完成 信号的传输。纤芯与包层的折射率不同，将信号封闭 在纤芯中传输并且起到保护的作用。在实际的工程应 用中，一般是将很多的光纤固定在一起形成光缆。 １．２光纤的分类 根据光纤横截面上的折射率不同，可以将光纤分 为阶跃型光纤和渐变性光纤，阶跃型光纤的折射率是 一个常数，在交界面上，折射率会发生突变。渐变型光 纤的折射率随着纤芯半径的增加呈现一定规律的减 收稿日期：２０１７—０４—１５ 作者简介：吴军玲（１９７２一），女，汉族，陕西西安人，大学本科，工程师，主要研究方向：通信技术。
本栏目责任编辑：谢媛媛 。。。开发研究与设计技术。 光纤光栅传感技术的原理与应用 王 颖 （云南农业职业技术学院信息工程系，云南昆明６５００３１） 摘要：简要介绍了光纤光栅传感技术的基本原理：通过测量波长的漂移实现对被测量的检测；介绍了光纤光栅所具备 的传统光纤传感器所没有的特点：自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用；以及光纤光栅在高精度测温领域、 高分辨率应变测量领域、高分辨率液位测量领域三大方面的应用。 关键词：光纤光栅；原理；应用 中图分类号：ＴＰ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３０４４（２００７）２３—４１２９７—０３ Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ ｕｎｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ＣｏＵｅｇｅ，Ｉｎｆｏｍａａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｋｕｎｍｉｎ ６５００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ：ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｓｕｒｖｅｙｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｄｒｉｆｔｉｎｇ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ：ｅａｓｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｍａｎｙ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｃａｌｒｏｏｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｔｏ ｕｓｅ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ １光纤光栅传感技术的原理 光纤ｂｒａｇｇ光栅ＦＢＧ于１９７８年问世【ｌｊ，这种简单 的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光敏性写入光 纤芯内，图ｌ描述了光纤光栅的基本原理。
智能光纤传感技术在能源行业中的应用
在传统的能源行业中，对于管道、储罐等设施的监测，一般会采用独立的智能传感器进行监测，并将监测数据传输给计算机。但这种方式存在诸多缺点，例如误差较大、设备复杂、成本高等问题。而现在，随着智能光纤传感技术的发展，一些新的应用方式已经被广泛使用，例如利用光纤来对液体、气体温度和沿程应力信息进行实时监测。本文将阐述智能光纤传感技术在能源行业中的应用现状。
一、智能光纤传感技术概述
智能光纤传感技术是一种利用光纤传感技术和光学信号处理技术实现传感的技术，能实时监测光纤本身的变化，如弯曲、扭转、形变、温度和应力的变化等。它的原理是在光纤中加入微小的传感器，通过光源发射光脉冲，经过传感器反射后回收到光检测器中，根据光纤返回的光的强度、相位、谱特征等变化量，获得光纤传因的比色系数，得出反射位置和对应的变化信息。
目前，智能光纤传感技术在能源行业中被广泛应用，如对管道、储罐、井下设备等进行监控和调节。相比于传统的监控方法，其数据传输速度快、监测范围广、安全性高、成本低，因此受到了各行业的广泛关注。
二、智能光纤传感技术在油气行业中的应用 在油气行业中，智能光纤传感技术主要应用于油气输送管道的健康监测，通过光纤传感器对油气管道进行实时监测，及早发现管道内部问题，降低事故的发生率，提高生产效率。具体应用有以下两种：
1、油气管道温度监测
油气输送管道中经常会因为温度的变化而导致管道内部产生应力，这种应力在长期作用下，有可能会引起管道破裂。而智能光纤传感技术可以对油气管道温度进行实时监测，及时掌握油气管道的温度变化情况。一旦发现温度异常，就可以及时采取措施，避免出现事故。
2、油气管道应力监测
油气管道运转时，由于管道材料的变形和环境温度等原因，一般会产生弯曲、扭曲、形变等情况，这些情况会导致管道内部产生应力，最终出现破裂等问题。而智能光纤传感技术可以对油气管道的应力进行实时监测，及时掌握管道内部的应力变化情况，从而可以预测管道的寿命以及可能出现的问题。
