基于FPGA的分布式光纤光栅电缆温度监测系统的研究

摘要

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报并迅速采取措施,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，传统的电类测温不适用，而且只能对局部位置进行测温，无法对整条线路进行温度监测。光纤光栅传感器热反应时间短，测量信号不受光纤的弯曲损耗、连接损耗、探测器老化、电流磁场等因素的影响，可以实现对目标温度的快速准确测量，维护成本低，适合于在线监测使用。
　　本文研究内容主要包括：
　　首先，结合热传导方程和边界条件采用有限元法对电缆温度场进行分析，得出了电缆表皮和电缆缆芯的温度关系，为监测电缆温度提供了理论基础。分析了光纤光栅特性的基本理论，均匀周期光纤Bragg光栅的光谱特性和光纤Bragg光栅对温度和应变的传感机理。
　　其次，研究了分布式光纤光栅的解调技术，在比较各种解调方法优缺点的基础上设计了一种基于可调法布里-珀罗滤波器(FFP-TF)的光纤Bragg光栅光纤电缆温度传感器系统，可以监测电缆多个点的温度。对所设计实验方案进行多次试验，取得了大量的实验数据，证明所设计系统的正确性。
　　最后，设计了基于XILINX XCS250E FPGA的传感信号处理系统。该系统包含光电转换及放大电路、F-P滤波器扫描电压信号发生电路、数据采集、液晶显示等功能模块，仿真及实验验证该系统可行。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 电缆温度在线监测的研究现状

1.3 光纤光栅传感器

1.4 本文的主要研究内容及结构

第2章 光纤光栅电缆温度传感器的传感原理

2.1 电缆的温度场分析

2.2 光纤光栅传感原理

2.3 本章小结

第3章 分布式光纤光栅传感器的解调技术

3.1 干涉解调法

3.2 可调谐光源检测法

3.3 阵列波导光栅解调法

3.4 滤波解调法

3.5 光栅色散法

3.6 本章小结

第4章 系统设计

4.1 系统方案设计

4.2 光路部分设计

4.3 电路部分设计

4.4 本章小结

第5章 实验与数据分析

5.1 光纤光栅温度特性的测量

5.2 FFP-TF扫描电压与通过光波的中心波长关系的标定

5.3 电缆测温实验结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介