摘要：光纤温度传感器由于光纤本身的特性使得其具有传统温度传感器所无法比拟的应用优势。本文就其在电力设备测温中的应用提出了一种简单可行的方法，详细分析了其工作原理、系统实现并给出实验结果。

　　一、前言

    高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，起着关合及开断电力线的作用，用来实现输送及倒换电力负荷、以及从电力系统退出故障设备和线段，从而保证电力系统安全运行[1]。在高压开关柜的长期运行过程中，开关柜中的触点和母线排连接处等部位因老化和接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此容易导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站已经发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电。因而对全封闭的高压开关电器，检测和监视高压开关触点、母线排连接处的工作温度，提前发现和排除热故障隐患，对电力系统的安全可靠运行具有非常重要的意义。

    高压开关触头和母线排连接处处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰环境中，传统的测温仪表如热电偶、红外测温仪等易受到这些因素的干扰和影响，因而无法对这些位置进行直接接触测量，从而也就无法真正得到高压开关柜的真实工作状态，以致设备内部局部过热却仍在“带病”运行。光纤传感由于光纤具有抗电磁干扰、电绝缘、体积小、耐腐蚀、本质安全等优点[2]，特别适用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。本文介绍了一种基于位移强度调制的光纤温度传感系统，实验证明，该系统在高压开关触点的温度测量中性能可靠稳定、安装方便，具有极好的经济效益，而且在其他领域也具有极好的推广应用价值。

　　二、位移强度调制原理

    1、传感探头的结构

    传感探头的结构如图1，各部分作用如下：
    （1）输入光纤：传输光源产生的光能量。
    （2）输出光纤：接收调制后的光信号并传输给光电探测器。
    （3）导热板及导热块：将环境温度传给双金属片。
    （4）双金属片：感受被测环境温度变化并产生相应的变形。
    （5）遮光片：将双金属片的弯曲变形转换为直线位移，从而通过遮断光路的大小对光信号进行强度调制。

    2、测量原理

    当图1所示的传感探头置于被测温度场时，被测温度的变化将引起双金属片的弯曲变形，通过遮光片将其转换为直线位移，从而使得从输入光纤耦合到输出光纤的光通量发生变化，即光强度受到了调制。光通量的变化与遮光片的位移大小有关系，于是通过光电检测得到的电流大小也发生相应的变化，再通过电流至电压的转换，使测得的电压值为位移的变量，即V（y），传感原理如图2。

　　对多模光纤来说，其纤端出射光场的场强分布由下式给出[3]：  

　　式中，I0—由光源耦合到输入光纤中的光强；Φ（x, y, z）—纤端光场中位置（x, y, z）处光通量密度；σ—表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃型光纤，σ＝1；a0—光纤纤芯半径；ζ—与光源种类及光源跟光纤耦合情况有关的调制参数；θc—光纤的最大出射角。如果将同种光纤置于输入光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为：

　　S—接收光面，即纤芯面。在纤端出射光场的远场区，为方便起见，可用输入光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在输入光纤端面所探测到的光强公式为：

　　对于遮光式光强度调制光纤传感器来说，输-出光纤接收到的透射光强值等于图2中光纤纤芯阴影部分所接收到的入射光强，于是有:

　　S—图2中光纤纤芯阴影部分面积。当输入光纤与输出光纤端面间距较近时，则在输入光纤纤芯的边界处，近似地有：F（x,y,z）»0    （7）于是式（5）可表示为：

　　对于固定的z值，ω（z）是一常数，又有：

　　由上可知，多模光纤的遮光式光强调制特性曲线分布是重积分函数，难以手工计算，我们运用Matlab工程计算软件绘制的调制特性曲线如图3，此公式通过实验数据验证与实际特性曲线相吻合，见图7。

　　三、系统光路设计

    本系统设计的光路如图4，之所以采用双光路补偿，是由于在实际应用中，光路容易受到一些内在或外在因素的影响，如光源的温度漂移、探头的热胀冷缩引起耦合点的位移等，从而造成测量精度降低，甚至出现很大的测量偏差。在光路补偿中，双光路补偿是一种常用的简单可行的方法。在双光路补偿中，要求双光纤所处环境相同，后续光电检测及放大多路对称。其原理如下[4]：

    设光源与光纤、测量输入光纤与探头、探头与测量输出光纤、光纤与探测器的耦合系数分别为K1、K2、K3、K4；探头的灵敏度为St，光纤传递函数为H（λ），Φ（λ）为光源产生的光通量；Ω为立体角；Φ1、Φ2分别为两光纤到达探测器前的光通量，则有以下关系：

　　这样经探测器分别转换成相应的电信号输出，再经放大电路后得到各自的输出信号U1和U2，除法器的输出为U，设探测器的光谱响应度为R（λ），放大器的放大倍数分别为A1和A2，则有：

　　由上式可以看到，输出U中除了St外，其它参量的变化都是相同的，从而消除了一定程度的干扰。

　　四、信号处理系统设计

    如图5所示，信号处理系统包括信号采集电路、信号处理电路、显示和键盘电路、与PC机的通信电路。整个处理系统以单片机AT89C52 为信息处理的核心，通过高精度的A/D转换器TLC549实现信号的采集，由AT89C52完成数据的处理和标度的转换，通过显示电路实现输出指示，通过键盘电路进行测量功能的选定，通过报警电路实现温度上限报警，并通过串口通信电路与上位机进行通信。

　　五、系统实验

    1、实验系统设计

    实验系统中使用温度调节范围为10℃～200℃的干燥箱来产生温度场，将温度探头置于温度场中，如图6所示。为了准确标定和测量温度场中温度探头所在测量点的温度变化，将一只测温范围为0℃～100℃、分辨率为1℃的水银温度计和一只测量范围为-50℃～250℃、分辨率为1℃的热电耦温度计与系统温度探头完全接触地放置在一起。当干燥箱缓慢加热升温时，温度场的变化会比较缓慢，从而使得温度场中十分接近的不同点之间的温差不会太大。因此在实验中要求缓慢调节干燥箱的温度，使得热电耦温度计和水银温度计的读值差小于1℃，在这种情况下可以近似地认为温度探头、热电偶温度计和水银温度计所处的温度相同。由于热电偶温度计的灵敏度很高，所以实验值设定以热电偶温度计的读数为准。

    2、实验结果及分析

    由于在实验设计中采用的是塑料光纤，所以设定的测温范围为10℃（实验时的室温）到80℃。图7是温度测量点与放大电路输出电压之间关系分布图，同时给出了三次函数拟合曲线。

    在实验数据处理中，将预先标定的温度与电压的对应关系值读入程序后，采取分段线性插值的处理方法，将测量过程中的实时信号与标定值进行比较，查表插值后将其转换成对应的温度量显示出来。具体方法如下：
　　假设Xi代表标定的电压，Ti是其对应的温度值，实时测量的电压信号为V，查表可知它位于（Xi，Ti）和[X（i+1），T（i+1）]两个标定点之间，则实时电压所对应的温度值T可由（17）求得，其算法如图8所示。

　　同时我们可以看到，温度上升过程曲线与温度下降过程曲线不重合，这就是测温仪的迟滞性。所谓迟滞性是指传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间，输出/输入曲线不重合的程度，也就是说对于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不等。迟滞是传感器的一个性能指标，它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点[5]。本系统产生迟滞的原因主要是由传感头的导热性能引起的，如果传感头的导热性能良好，其响应温度变化的速度就会加快，则测温仪的迟滞就会减小。

    表1给出了系统实验结果。可以看出，系统测温误差在±1℃以内，符合实验的预期要求。

　　六、结论

    实验结果表明，该方案是可行的。该测量系统具有良好的电绝缘性和抗电磁干扰能力，而且测温元件尺寸小，整个系统结构简单，成本低，能适应于大多数场合应用，对于少数测量精度要求高的场所，也可通过加装准直系统等来达到，但相应成本也要增加。

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