分布式光纤布拉格光栅电缆接头温度监测系统的研究

摘要

在大型冶金、化工、发电厂、变电站等企业，随着自动化水平的提高，用电负荷的增加，电缆用量越来越多。电缆接头部位因接触电阻过大或老化而发热，如果这些重要发热点的温变不能得到实时监测，则存在火灾隐患，使得变压器损坏，导致线路瘫痪、突然停电，对社会及工业生产等造成无法估量的经济损失。
　　发生接头过热的电缆大多为6 kV以上的高压电缆，由于电压等级较高，常规的温度传感器不能满足安全的需要，而传统的光纤测温系统又存在扫描时间较长的缺点，光纤光栅温度监测系统成为监测高压电缆接头过热故障的最佳选择。
　　本文研究内容主要包括：
　　首先，分析了光纤光栅特性的基本理论，主要利用耦合模理论分析了均匀周期光纤布拉格光栅的光谱特性，并分析了光纤布拉格光栅对温度和应变的传感机理，研究了光纤光栅的毛细钢管封装工艺及其传感特性。
　　其次，研究了分布式光纤光栅传感器的解调技术，权衡各种解调方法的优缺点，针对电缆沟道电缆密集、布置凌乱问题，设计了光纤法布里-珀罗可调滤波器(FFP-TF)解调系统。采用此解调技术的电缆接头监测系统可以同时监测多根电缆的多个接头的温度。
　　最后，设计了以现场可编程门阵列(FPGA)芯片XCS250E为核心的传感信号处理系统。该系统包含光电转换及放大电路、高性能指标的有限脉冲响应(FIR)滤波器及 FFP-TF扫描电压信号发生电路。仿真及实验验证该系统可行，且该系统可通过RS-232接口与PC机通信，能够实现传感网络化。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 电缆接头温度在线监测的研究现状

1.3 光纤光栅传感器

1.4 论文的主要内容和结构安排

第2章 光纤光栅传感原理

2.1 耦合模理论

2.2 光纤布拉格光栅基本光学性质

2.3 光纤光栅传感技术原理

2.4 光纤光栅的封装工艺

2.5 本章小结

第3章 分布式光纤光栅传感器的解调技术

3.1 非平衡M-Z干涉仪解调法

3.2 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪法

3.3 可调窄带光源解调法

3.4 连续波调频法

3.5 宽带光源／副载波解调法

3.6 可调激光器解调系统

3.7 光栅色散法

3.8 光纤F-P可调滤波器解调法

3.9 本章小结

第4章 系统设计

4.1 系统方案设计

4.2 光路设计

4.3 电路设计

4.4 本章小结

第5章 实验与数据分析

5.1 光纤光栅温度灵敏度系数及其线性度的测量

5.2 光纤光栅的毛细钢管封装实验

5.3 FFP-TF扫描电压与通过光波的中心波长关系的标定

5.4 系统性能测试

5.5 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

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