光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用.doc

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1、华中科技大学电气与电子工程学院光纤传感技术专题报告课题：光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用指导老师：班级：学号：学生：日期：8专题报告评价与成绩课题：评价：成绩：教师签名：日期：8光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用1光纤传感器光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点，因而具有广泛的应用前景。光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、

2、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。光纤传感器可以按传感原理分为两类：一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合一的特点；另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。1.1光强调制型这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强

3、发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。1.1.1改变光纤的微弯状态利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图1。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。1.1.2改变光纤对光

4、波的吸收特性x射线和r射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。1.1.3改变光纤包层的折射率图28是一种全反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原

5、理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等。1.2相位调制型这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感)，但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并

6、且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图3是Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来测量电流。1.3偏振态调制型被测参

7、量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光材料的法拉第效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：θ=KHL，K8为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场H=I／2πR(R是光纤与载流导线间的垂直距离)，则θ=KLI／2πR只要测出θ、L、R即可求出导线中的电流。图4为其原理图，这种测电流的方法测量围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。2光纤传感器测温原理目前

8、，应用最多的光纤传感器有光纤光栅温度传感器、基于拉曼散射及布里渊散射的分布式光纤传感器等。2.1光纤光栅传感器测温原理光纤光栅温度传感器利用其布拉格波长的温度依赖性测温。当宽光谱光经过光纤布拉格(Bragg)光栅时，满足布拉格条件的单