光纤光栅温度计

光纤光栅传感器原理及应用

（武汉理工大学）

1光纤光栅传感原理

光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg

grating，FBG）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。

图1 FBG结构及其波长选择原理图

在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。

（1）光纤光栅应变传感原理

光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm，则每个με将导致1.01pm的波长改变量。

（2）光纤光栅温度传感原理

光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm。 反射光谱

入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层

纤芯 光栅

光栅周期 2光纤光栅传感器特点

利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。

光纤光栅传感器可测物理量：

温度、应力/应变、压力、流量、位移等。

图2 光纤光栅传感器分布式测量原理

光纤光栅的特点：

 本质安全，抗电磁干扰

 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测

 尺寸小、重量轻；

光纤温度计原理

光纤温度计通过光纤的光学性质来测量温度。它利用了光纤对温度的敏感性，将温度的变化转化为光信号的变化。

光纤温度计的原理基于光纤的热光效应。当光纤受热时，会产生温度梯度，导致光纤内部的折射率发生变化。这会引起光在光纤中传播的速度改变，进而改变光信号的相位或时间延迟。

一种常用的光纤温度计是光纤布拉格光栅温度计。它利用了光纤布拉格光栅的反射特性。布拉格光栅是通过将光纤的折射率周期性改变而形成的一个光栅结构。

当光纤布拉格光栅温度计受热时，光纤中的布拉格光栅的折射率也会随之变化。这会导致光在布拉格光栅的反射处出现频移。通过测量反射光的频移，可以得到温度的信息。

光纤温度计具有很高的温度测量精度和稳定性。它可以实现分布式温度测量，即可以同时测量光纤长度上的多个温度变化，并能够实时采集温度数据。另外，光纤温度计还能够抗电磁干扰，适用于各种不同的工作环境。

总之，光纤温度计是一种基于光纤光学性质的温度测量技术。它通过测量光纤中光信号的变化来获取温度信息，具有高精度、高稳定性和分布式测量能力的优点。

一种分布式光纤光栅电缆温度传感器

张燕君;康瑞雪;娄俊波;韦波;李进;陈凌军;苏玉玲

【摘 要】提出了一种新型分布式光纤光栅温度监测系统,可以实现电缆温度的实时在线监测.基于热传导方程和边界条件的基础上,采用有限元法对电缆温度场进行了分析,为监测电缆温度提供了理论依据.光纤光栅本身不带电,抗辐射和电磁干扰能力强,耐高压和腐蚀,非常适合用做高压电力环境中的温度传感器.通过光纤光栅的温度特性实验,在20～100 ℃的温度范围内,光纤光栅的中心波长随温度变化呈良好的线性,线性度达到99.8%.通过对标准的热电偶温度传感器与光纤光栅温度传感器的对比实验,表明该系统测量时间-温度变化曲线跟随性好,温度差均小于1 ℃,符合电力电缆温度状态在线监测的使用要求.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2010(040)004

【总页数】5页(P405-409)

【关键词】电缆;温度场;光纤光栅;温度在线检测系统

【作 者】张燕君;康瑞雪;娄俊波;韦波;李进;陈凌军;苏玉玲

【作者单位】燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;海湾安全技术有限公司,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004 【正文语种】中 文

【中图分类】TP212.11

1 引 言

电缆是电力系统的重要组成部分,由于电缆常置于地下,其潜在的老化和缺陷不易被发现,随着运行时间的增加,有可能因为电缆过热或者短路而导致火灾。如能在事故发生早期通过温度测量进行预警并迅速采取措施,就能有效避免此类事故。

由于在高压传输环境中电压高、电流大、磁场强,传统的电类测温只能对局部位置进行测温,无法对整条线路进行温度监测。在基于光纤温度传感的测温技术中[1-7],当光纤上的某一区域温度发生改变时 ,拉曼散射的固有算法会剔除其中的异常温度,从而得出在分辨率长度中除异常点之外的平均温度,可能无法监测出异常温度,而且光纤过度弯曲和挤压都会严重影响测量精度。红外技术[8-9]测温测量精确度较低,设备昂贵,维护成本高。

龙源期刊网

基于光纤光栅传感的变压器绕组温度检测系统

作者：刘小红 吴怀玉 任济双 谢奇峰 富容国 禚莉

来源：《现代电子技术》2013年第03期

摘 要： 传统温度传感器受到周围环境因素的影响很大，系统采用抗干扰能力强并且对温度极其灵敏的光纤光栅传感器。利用光信号的测量和传输，再解调成温度信号。分析了光纤光栅传感器的原理和系统构成，介绍了软件和硬件的实现。最后的实验结果证明了系统具有较高的测量精度，可满足变压器绕组高精度温度测量要求。

关键词： 变压器； 光纤光栅； 温度监测； 绕组测温

中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）03⁃0168⁃03

0 引 言

在电力系统中，温度过高是导致火灾产生的重要原因。电力变压器作为现代电力系统中的重要设备，其绕组温度的高低直接影响变压器的绝缘性和老化率，进而影响电力系统的运行安全。正常情况下，热点温度的常用基准值为98 ℃，老化率与温度之间的关系是在基准温度上，每上升6 ℃老化率增加一倍，每下降6 ℃寿命可延长一倍。热点温度如果超过允许值，不仅会影响变压器的使用寿命，还会影响变压器的运行安全。因此，对变压器绕组温度进行实时监测，通过监测温度进行预警并采取有效措施，则可以减少相应的事故发生。

目前，传统的变压器绕组温度的监测方法是电信号测量和红外测量[1]。基于电信号的测温系统如热电偶、电阻温度计等，这类电信号的传感器容易受到电磁场的干扰，测量效果不好。红外测温实际上属于非接触测温，虽然此方法灵敏度和准确度都很高，但是却很容易受到周围环境和电磁场的干扰，而且需要人工操作，无法实现无人在线监测。另外，红外测温仪无法安装到变压器内部，只能测量变压器表面的温度，误差较大。光纤测温系统是最近几年应用在电力系统中的令人满意的测温方法，由于光纤传感器本身防爆、绝缘、抗电磁干扰、质量轻、体积小，具有良好的可操作性和埋入性；时域变换性好，易于多点分布测量，并可单线多路复用，构成传感网络和阵列，便于波分时分复用[2⁃5]及分布式传感。