一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，屬架空電纜安全監(jiān)測【技術領域】。該系統(tǒng)包括由半導體激光器、光耦合器、電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、微波掃頻器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡等組成的基于布里淵光時域分析的溫度和應變監(jiān)測裝置和若干由轉動桿和配重塊組成的晃動傳感器。晃動傳感器安裝在電纜的各故障多發(fā)點，當電纜晃動時，與光纖一端相連的轉動桿帶動配重塊圍繞光纖擺動，受離心作用，轉動桿帶動其圍繞的光纖產(chǎn)生彎曲應變，晃動狀態(tài)可以轉化為光纖的彎曲應變被布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置檢測。本發(fā)明適用于架空電纜晃動狀態(tài)和溫度的在線監(jiān)測，可實現(xiàn)長距離、分布式測量，實際可行、布設靈活，有效的實現(xiàn)了電纜安全監(jiān)測。
【專利說明】一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對架空電纜晃動狀態(tài)進行監(jiān)測的系統(tǒng)，具體講的是一種基于布里淵光時域分析的分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)。屬于架空電纜的安全監(jiān)測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，架空電纜的使用也是日益增多，它被廣泛的應用于公共設施、大型企業(yè)等，對于整個社會的生產(chǎn)、生活、教育、軍事等發(fā)展提供源動力。正因如此，我們對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提出了越來越高的要求。目前國際上對于電纜的安全監(jiān)測還主要是停留在溫度層面上，從以前的感溫電纜式測溫，熱敏電阻式測溫系統(tǒng)，到近幾年興起的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，都存在一定的局限性。比如傳統(tǒng)的電監(jiān)測方式不能實時顯示監(jiān)測結果，布線復雜、維護量大等，分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)可以對電纜溫度進行在線監(jiān)測和異常點的位置確定，但是卻存在只能進行溫度測量的局限性。電纜故障的產(chǎn)生有兩個重要原因，一方面是由于電纜本身或者外界環(huán)境原因造成溫度過高弓I起電纜熔斷或者擊穿，另一方面是由于外力如雨雪、大風天氣等造成電纜的晃動而造成的安全隱患。對于上述第一方面可以現(xiàn)有的幾種溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，而對于電纜晃動的監(jiān)測，上述方法卻無法實現(xiàn)。上世紀80年代以來，基于布里淵光時域分析技術測量溫度和應變信息的傳感系統(tǒng)得到提出，布里淵分布式光纖傳感器因其能實現(xiàn)長距離、分布式的溫度和應變同時監(jiān)測，并且具有耐腐蝕、抗電磁干擾的特性一直得到廣泛關注。其相對于現(xiàn)有的拉曼分布式測溫系統(tǒng)亦有無可取代的優(yōu)勢。
[0003]目前，利用布里淵分布式光纖傳感器對架空電纜實施實時晃動狀態(tài)和溫度監(jiān)測面臨一些實際問題，比如電纜的晃動狀態(tài)難以直接對應光纖的應變量，如何將電纜的晃動轉化為有效的光纖應變信息再進行測量是一個技術問題。
[0004]專利號為ZL200920026725.2、發(fā)明人為張順海、殷炳來、高洪鳳、張偉忠、劉昆、劉正堂、發(fā)明名稱為“電力架空電纜觸頭溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)”的實用新型，公開了一種電力架空電纜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式結構，由采集層、收集層和監(jiān)測層組成；采集層包括若干個無線測溫系統(tǒng)，各無線測溫裝置與被測物體連接；收集層為若干個無線接收管理終端；監(jiān)測層為若干本地監(jiān)測計算機及至少一個調(diào)度端監(jiān)測計算機和數(shù)據(jù)庫，無線接收管理終端將收集到的各相應無線測溫裝置發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，處理后通過移動通訊GPRS傳給通信管理器，通信管理器傳給相應的本地監(jiān)測計算機及調(diào)度端監(jiān)測計算機，本地監(jiān)測計算機和調(diào)度端監(jiān)測計算機對數(shù)據(jù)進行管理，發(fā)出相應的報警信號。此實用新型在一定程度上實現(xiàn)了電力架空電纜的多點測溫，但還存在一定的缺陷:
[0005]1.此監(jiān)測系統(tǒng)尚無法監(jiān)測電纜安全事故的另一個重要來源——電纜的晃動。
[0006]2.受無線接收管理終端管理量的限制，此監(jiān)測系統(tǒng)對于溫度的測量難以實現(xiàn)真正的分布式傳感。
[0007]3.無線信號傳輸易受惡劣天氣影響，防電磁干擾方面有待進一步解決等。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的電纜安全監(jiān)測系統(tǒng)和傳統(tǒng)的布里淵分布式光纖傳感器均無法直接監(jiān)測電纜晃動狀態(tài)的問題，設計的一種通過將晃動傳感器和布里淵分布式光纖傳感裝置結合的可以同時進行溫度和晃動狀態(tài)監(jiān)測的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明的技術方案如下:
[0010]一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，包括一個布里淵溫度及應變監(jiān)測裝置和多個晃動傳感器，其特征在于布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置包括半導體激光器、光隔離器A、B、光耦合器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、擾偏器、偏振控制器、電光調(diào)制器、微波掃頻器、光濾波器、傳感光纖、光環(huán)形器A、B、布拉格光柵、光電探測器、數(shù)據(jù)米集卡、信號發(fā)生器、計算機，半導體激光器位于光隔離器A之前，光隔離器A后面放置光耦合器，光耦合器輸出端后面一路依次放置偏振控制器、電光調(diào)制器、光濾波器、光隔離器B，另一路放置聲光調(diào)制器；光隔離器B經(jīng)傳感光纖和光環(huán)形器A的2號端口相連接；聲光調(diào)制器輸出端依次放置摻鉺光纖放大器、擾偏器，擾偏器經(jīng)光纖和光環(huán)形器A的I號端口相連接；光環(huán)形器B的I號端口、2號端口經(jīng)光纖分別和光環(huán)形器A的3號端口、布拉格光柵相連接,其3號端口輸出后連接到光電探測器的輸入端；光電探測器的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接到計算機；信號發(fā)生器分別和聲光調(diào)制器及數(shù)據(jù)采集卡相連接；微波掃頻器分別和電光調(diào)制器及數(shù)據(jù)采集卡相連接。
[0011]晃動傳感器包括轉動桿和配重塊，轉動桿一端連接配重塊，另一端固定在傳感光纖上。
[0012]所述的半導體激光器為的窄線寬激光器，線寬為1.9MHz，波長1550nm，輸出連續(xù)光功率為30mW。
[0013]所述的光隔離器為1550nm波段的單模光隔離器，隔離度為30dB。
[0014]所述的光耦合器為1:1的1*2的單模光耦合器。
[0015]所述的聲光調(diào)制器為1550nm的聲光調(diào)制器，將一路連續(xù)光調(diào)制為脈寬為10ns，重復頻率為IKHz的脈沖光。
[0016]所述的摻鉺光纖放大器將調(diào)制后的脈沖光峰值調(diào)節(jié)到布里淵閾值以上。
[0017]所述的擾偏器為P⑶-003擾偏器。
[0018]所述的偏振控制器為三環(huán)型偏振控制器。
[0019]所述的電光調(diào)制器和微波掃頻器型號分別為KG-AM系列IOG電光調(diào)制器、HWS10120型微波掃頻器，可調(diào)制另一路連續(xù)光產(chǎn)生10.65GHz左右的移頻。
[0020]所述的濾波器將調(diào)制后的光的上邊帶濾除掉。
[0021]所述的傳感光纖為IOOKm單模光纖,外部為聚碳酸酯套管。
[0022]所述的光電探測器是PR-200M3035型光電探測器。
[0023]所述的數(shù)據(jù)采集卡是150M單通道數(shù)據(jù)采集卡。
[0024]本發(fā)明的工作原理如下:由半導體激光器發(fā)出的的連續(xù)光入射到光隔離器A，經(jīng)3dB光耦合器被分為兩路光，一路光經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，脈沖光的重復頻率和占空比由驅動聲光調(diào)制器的信號發(fā)生器控制，然后，脈沖光的峰值功率被摻鉺光纖放大器放大，再經(jīng)過擾偏器后，作為泵浦光入射到傳感光纖的一端；另一路光先通過偏振控制器控制為固定的偏振方向，再通過微波掃頻器驅動的電光調(diào)制器將其調(diào)制為頻移量等于微波掃頻器頻率的調(diào)制光，使用帶寬小于0.1nm的光濾波器濾除調(diào)制光的上邊帶，再經(jīng)過光隔離器B后作為信號光入射到傳感光纖的另一端，微波掃頻器在10.6GHz-10.7GHz的頻率范圍內(nèi)進行掃頻，信號光和泵浦光在光纖的各個位置相遇并產(chǎn)生背向布里淵散射，當兩路光的頻率差等于布里淵頻移量時，背向散射光強度最大，通過環(huán)形器和布拉格光柵濾除ASE噪聲，再經(jīng)過光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡采集信號，采集的探測信號的強度信息和頻率信息按下式計算對應點溫度和應變信息，并可通過信號返回的時間對各個信息進行定位。
[0025]Δ Vb=Cv ε Δ ε +CVT Λ T (I)
[0026]Δ ΡΒ/ΡΒ ( ε，Τ) =Cp ε Λ ε +Cpt Δ T (2)
[0027]其中，AVb為布里淵頻移的改變量，AT為溫度的變化量，Λε為應變變化量，Cvt和Cpt為溫度系數(shù)；CVE和Cpe為應變系數(shù)，Pb為探測光功率。此布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置作為整個系統(tǒng)的解調(diào)和顯示部分。
[0028]本發(fā)明在使用時，將傳感光纖沿電纜線路鋪設，在電纜頭或其連接處以及其他故障多發(fā)位置的傳感光纖上的多個位置處安裝晃動傳感器。當某處電纜受力晃動時，傳感光纖隨之晃動，與傳感光纖相連的轉動桿帶動配重塊圍繞傳感光纖擺動，受離心力作用，轉動桿帶動配重塊圍繞的傳感光纖產(chǎn)生彎曲應變，這樣晃動的幅度和頻率都可以轉化為傳感光纖的彎曲應變，從而被布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置檢測和解調(diào)。
[0029]本發(fā)明的有益效果如下:
[0030]1.本發(fā)明可以實現(xiàn)對于架空電纜晃動狀態(tài)的監(jiān)測，并同時在線監(jiān)測電纜各點溫度。
[0031]2.本發(fā)明可以實現(xiàn)長距離、分布式測量，相比傳統(tǒng)方法，它測量長度更長，測量信息更多。
[0032]3.本發(fā)明采用光纖傳感的方法測量，具有耐腐蝕，抗電磁干擾的優(yōu)勢。
[0033]4.本發(fā)明所采用的晃動轉化結構，結構簡單，經(jīng)濟實用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明中的基于布里淵光時域分析原理的溫度和應變監(jiān)測裝置原理圖；圖2是晃動傳感器的示意圖；圖3是電纜晃動引起帶聚碳酸酯套管的傳感光纖產(chǎn)生彎曲應變的示意圖；圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)在工程應用中的示意圖。
[0035]圖中各標號為:1、半導體激光器，2、光隔離器A, 3、光稱合器,4、聲光調(diào)制器,5、摻鉺光纖放大器，6、擾偏器,7、偏振控制器,8、微波掃頻器,9、電光調(diào)制器，10光濾波器，11、光隔離器B, 12、傳感光纖，13、光環(huán)形器A, 14、光環(huán)形器B, 15、布拉格光柵，16、光電探測器，17、數(shù)據(jù)采集卡，18、信號發(fā)生器，19、計算機；20、電纜，21、帶聚碳酸酯套管的傳感光纖，22、轉動桿，23、配重塊，24、傳感光纖原始狀態(tài)，25、電纜晃動引起的傳感光纖彎曲，26、布里淵溫度及應變監(jiān)測裝置，27、晃動傳感器；28、電纜，29、傳感光纖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但不限于此。
[0037]實施例:[0038]如圖1-4所示，一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，包括一個布里淵溫度及應變監(jiān)測裝置26和多個晃動傳感器27，其特征在于布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置30包括半導體激光器1、光隔離器A2、BI 1、光稱合器3、聲光調(diào)制器4、摻鉺光纖放大器5、擾偏器6、偏振控制器7、電光調(diào)制器9、微波掃頻器8、光濾波器10、傳感光纖12、光環(huán)形器A13、B14、布拉格光柵15、光電探測器16、數(shù)據(jù)采集卡17、信號發(fā)生器18、計算機19，半導體激光器I位于光隔離器A2之前，光隔離器A2后面放置光耦合器3，光耦合器3輸出端后面一路依次放置偏振控制器7、電光調(diào)制器9、光濾波器10、光隔離器B11，另一路放置聲光調(diào)制器4 ;光隔離器Bll經(jīng)傳感光纖12和光環(huán)形器A13的2號端口相連接；聲光調(diào)制器4輸出端依次放置摻鉺光纖放大器5、擾偏器6,擾偏器6經(jīng)光纖和光環(huán)形器A13的I號端口相連接；光環(huán)形器B14的I號端口、2號端口經(jīng)光纖分別和光環(huán)形器A13的3號端口、布拉格光柵15相連接，其3號端口輸出后連接到光電探測器16的輸入端；光電探測器16的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡17的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡17的輸出端連接到計算機19 ;信號發(fā)生器18分別和聲光調(diào)制器4及數(shù)據(jù)采集卡17相連接；微波掃頻器8分別和電光調(diào)制器9及數(shù)據(jù)采集卡17相連接；
[0039]晃動傳感器27包括轉動桿22和配重塊23，轉動桿22 —端連接配重塊23，另一端固定在帶聚碳酸酯套管的傳感光纖21上。
[0040]所述的半導體激光器為的窄線寬激光器，線寬為1.9MHz，波長1550nm，輸出連續(xù)光功率為30mW。
[0041]所述的光隔離器為1550nm波段的單模光隔離器，隔離度為30dB。
[0042]所述的光耦合器為1:1的1*2的單模光耦合器。
[0043]所述的聲光調(diào)制器為1550nm的聲光調(diào)制器，將一路連續(xù)光調(diào)制為脈寬為10ns，重復頻率為IKHz的脈沖光。
[0044]所述的摻鉺光纖放大器將調(diào)制后的脈沖光峰值調(diào)節(jié)到布里淵閾值以上。
[0045]所述的擾偏器為P⑶-003擾偏器。
[0046]所述的偏振控制器為三環(huán)型偏振控制器。
[0047]所述的電光調(diào)制器和微波掃頻器型號分別為KG-AM系列IOG電光調(diào)制器、HWS10120型微波掃頻器，可調(diào)制另一路連續(xù)光產(chǎn)生10.65GHz左右的移頻。
[0048]所述的濾波器將調(diào)制后的光的上邊帶濾除掉。
[0049]所述的傳感光纖為IOOKm單模光纖,外部為聚碳酸酯套管。
[0050]所述的光電探測器是PR-200M3035型光電探測器。
[0051]所述的數(shù)據(jù)采集卡是150M單通道數(shù)據(jù)采集卡。
【權利要求】
1.一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，包括一個布里淵溫度及應變監(jiān)測裝置和多個晃動傳感器，其特征在于布里淵溫度和應變監(jiān)測裝置包括半導體激光器、光隔離器A、B、光稱合器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、擾偏器、偏振控制器、電光調(diào)制器、微波掃頻器、光濾波器、傳感光纖、光環(huán)形器A、B、布拉格光柵、光電探測器、數(shù)據(jù)米集卡、信號發(fā)生器、計算機，半導體激光器位于光隔離器A之前，光隔離器A后面放置光耦合器，光耦合器輸出端后面一路依次放置偏振控制器、電光調(diào)制器、光濾波器、光隔離器B，另一路放置聲光調(diào)制器；光隔離器B經(jīng)傳感光纖和光環(huán)形器A的2號端口相連接；聲光調(diào)制器輸出端依次放置摻鉺光纖放大器、擾偏器，擾偏器經(jīng)光纖和光環(huán)形器A的I號端口相連接；光環(huán)形器B的I號端口、2號端口經(jīng)光纖分別和光環(huán)形器A的3號端口、布拉格光柵相連接,其3號端口輸出后連接到光電探測器的輸入端；光電探測器的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接到計算機；信號發(fā)生器分別和聲光調(diào)制器及數(shù)據(jù)采集卡相連接；微波掃頻器分別和電光調(diào)制器及數(shù)據(jù)采集卡相連接； 晃動傳感器包括轉動桿和配重塊，轉動桿一端連接配重塊，另一端固定在傳感光纖上。
2.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的半導體激光器為的窄線寬激光器，線寬為1.9MHz，波長1550nm，輸出連續(xù)光功率為30mW。
3.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光隔離器為1550nm波段的單模光隔離器，隔離度為30dB。
4.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光耦合器為1:1的1*2的單模光耦合器。
5.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的聲光調(diào)制器為1550nm的聲光調(diào)制器，將一路連續(xù)光調(diào)制為脈寬為10ns、重復頻率為IKHz的脈沖光。
6.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的擾偏器為P⑶-003擾偏器。
7.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的偏振控制器為三環(huán)型偏振控制器。
8.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測器為PR-200M3035型光電探測器。
9.如權利要求1所述的一種基于布里淵分布式光纖傳感的晃動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集卡為150M單通道數(shù)據(jù)采集卡。
【文檔編號】G01K11/32GK103438982SQ201310403757
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】蔣碩, 常軍, 王宗良, 孫柏寧, 魏謙, 羅沙, 劉永寧, 劉曉慧 申請人:山東大學