一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统的制作方法
【专利摘要】一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，属架空电缆安全监测【技术领域】。该系统包括由半导体激光器、光耦合器、电光调制器、声光调制器、微波扫频器、光电探测器、数据采集卡等组成的基于布里渊光时域分析的温度和应变监测装置和若干由转动杆和配重块组成的晃动传感器。晃动传感器安装在电缆的各故障多发点，当电缆晃动时，与光纤一端相连的转动杆带动配重块围绕光纤摆动，受离心作用，转动杆带动其围绕的光纤产生弯曲应变，晃动状态可以转化为光纤的弯曲应变被布里渊温度和应变监测装置检测。本实用新型适用于架空电缆晃动状态和温度的在线监测，可实现长距离、分布式测量，实际可行、布设灵活，有效的实现了电缆安全监测。
【专利说明】一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种对架空电缆晃动状态进行监测的系统，具体讲的是一种基于布里渊光时域分析的分布式光纤传感的晃动监测系统。属于架空电缆的安全监测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的持续高速发展，架空电缆的使用也是日益增多，它被广泛的应用于公共设施、大型企业等，对于整个社会的生产、生活、教育、军事等发展提供源动力。正因如此，我们对电力系统的安全稳定提出了越来越高的要求。目前国际上对于电缆的安全监测还主要是停留在温度层面上，从以前的感温电缆式测温，热敏电阻式测温系统，到近几年兴起的分布式光纤拉曼测温系统，都存在一定的局限性。比如传统的电监测方式不能实时显示监测结果，布线复杂、维护量大等，分布式光纤拉曼测温系统可以对电缆温度进行在线监测和异常点的位置确定，但是却存在只能进行温度测量的局限性。电缆故障的产生有两个重要原因，一方面是由于电缆本身或者外界环境原因造成温度过高引起电缆熔断或者击穿，另一方面是由于外力如雨雪、大风天气等造成电缆的晃动而造成的安全隐患。对于上述第一方面可以现有的几种温度监测系统进行监测，而对于电缆晃动的监测，上述方法却无法实现。上世纪80年代以来，基于布里渊光时域分析技术测量温度和应变信息的传感系统得到提出，布里渊分布式光纤传感器因其能实现长距离、分布式的温度和应变同时监测，并且具有耐腐蚀、抗电磁干扰的特性一直得到广泛关注。其相对于现有的拉曼分布式测温系统亦有无可取代的优势。
[0003]目前，利用布里渊分布式光纤传感器对架空电缆实施实时晃动状态和温度监测面临一些实际问题，比如电缆的晃动状态难以直接对应光纤的应变量，如何将电缆的晃动转化为有效的光纤应变信息再进行测量是一个技术问题。
[0004]专利号为ZL200920026725.2、发明人为张顺海、殷炳来、高洪凤、张伟忠、刘昆、刘正堂、发明名称为“电力架空电缆触头温度无线监测系统”的实用新型，公开了一种电力架空电缆触头温度监测系统。该系统采用分层分布式结构，由采集层、收集层和监测层组成；采集层包括若干个无线测温系统，各无线测温装置与被测物体连接；收集层为若干个无线接收管理终端；监测层为若干本地监测计算机及至少一个调度端监测计算机和数据库，无线接收管理终端将收集到的各相应无线测温装置发送来的温度数据进行数据处理，处理后通过移动通讯GPRS传给通信管理器，通信管理器传给相应的本地监测计算机及调度端监测计算机，本地监测计算机和调度端监测计算机对数据进行管理，发出相应的报警信号。此实用新型在一定程度上实现了电力架空电缆的多点测温，但还存在一定的缺陷:
[0005]1.此监测系统尚无法监测电缆安全事故的另一个重要来源——电缆的晃动。
[0006]2.受无线接收管理终端管理量的限制，此监测系统对于温度的测量难以实现真正的分布式传感。
[0007]3.无线信号传输易受恶劣天气影响，防电磁干扰方面有待进一步解决等。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的是针对现有的电缆安全监测系统和传统的布里渊分布式光纤传感器均无法直接监测电缆晃动状态的问题，设计的一种通过将晃动传感器和布里渊分布式光纤传感装置结合的可以同时进行温度和晃动状态监测的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统。
[0009]本实用新型的技术方案如下:
[0010]一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置和多个晃动传感器，其特征在于布里渊温度和应变监测装置包括半导体激光器、光隔离器A、B、光耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、扰偏器、偏振控制器、电光调制器、微波扫频器、光滤波器、传感光纤、光环形器A、B、布拉格光栅、光电探测器、数据米集卡、信号发生器、计算机，半导体激光器位于光隔离器A之前，光隔离器A后面放置光耦合器，光耦合器输出端后面一路依次放置偏振控制器、电光调制器、光滤波器、光隔离器B，另一路放置声光调制器；光隔离器B经传感光纤和光环形器A的2号端口相连接；声光调制器输出端依次放置掺铒光纤放大器、扰偏器，扰偏器经光纤和光环形器A的I号端口相连接；光环形器B的I号端口、2号端口经光纤分别和光环形器A的3号端口、布拉格光栅相连接,其3号端口输出后连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机；信号发生器分别和声光调制器及数据采集卡相连接；微波扫频器分别和电光调制器及数据采集卡相连接。
[0011]晃动传感器包括转动杆和配重块，转动杆一端连接配重块，另一端固定在传感光纤上。
[0012]所述的半导体激光器为的窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。
[0013]所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。
[0014]所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。
[0015]所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为IKHz的脉冲光。
[0016]所述的掺铒光纤放大器将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。
[0017]所述的扰偏器为P⑶-003扰偏器。
[0018]所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。
[0019]所述的电光调制器和微波扫频器型号分别为KG-AM系列IOG电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。
[0020]所述的滤波器将调制后的光的上边带滤除掉。
[0021]所述的传感光纤为IOOKm单模光纤,外部为聚碳酸酯套管。
[0022]所述的光电探测器是PR-200M3035型光电探测器。
[0023]所述的数据采集卡是150M单通道数据采集卡。
[0024]本实用新型的工作原理如下:由半导体激光器发出的的连续光入射到光隔离器A，经3dB光耦合器被分为两路光，一路光经过声光调制器调制为脉冲光，脉冲光的重复频率和占空比由驱动声光调制器的信号发生器控制，然后，脉冲光的峰值功率被掺铒光纤放大器放大，再经过扰偏器后，作为泵浦光入射到传感光纤的一端；另一路光先通过偏振控制器控制为固定的偏振方向，再通过微波扫频器驱动的电光调制器将其调制为频移量等于微波扫频器频率的调制光，使用带宽小于0.1nm的光滤波器滤除调制光的上边带，再经过光隔离器B后作为信号光入射到传感光纤的另一端，微波扫频器在10.6GHz-10.7GHz的频率范围内进行扫频，信号光和泵浦光在光纤的各个位置相遇并产生背向布里渊散射，当两路光的频率差等于布里渊频移量时，背向散射光强度最大，通过环形器和布拉格光栅滤除ASE噪声，再经过光电探测器和数据采集卡采集信号，采集的探测信号的强度信息和频率信息按下式计算对应点温度和应变信息，并可通过信号返回的时间对各个信息进行定位。
[0025]AVb=Cve A e+CvtAT(I)
[0026]A PB/PB ( e，T) =Cp E A e +Cpt A T (2)
[0027]其中，AVb为布里渊频移的改变量，AT为温度的变化量，A e为应变变化量，Cvt和Cpt为温度系数；CVE和Cpe为应变系数，Pb为探测光功率。此布里渊温度和应变监测装置作为整个系统的解调和显示部分。
[0028]本实用新型在使用时，将传感光纤沿电缆线路铺设，在电缆头或其连接处以及其他故障多发位置的传感光纤上的多个位置处安装晃动传感器。当某处电缆受力晃动时，传感光纤随之晃动，与传感光纤相连的转动杆带动配重块围绕传感光纤摆动，受离心力作用，转动杆带动配重块围绕的传感光纤产生弯曲应变，这样晃动的幅度和频率都可以转化为传感光纤的弯曲应变，从而被布里渊温度和应变监测装置检测和解调。
[0029]本实用新型的有益效果如下:
[0030]1.本实用新型可以实现对于架空电缆晃动状态的监测，并同时在线监测电缆各点温度。
[0031]2.本实用新型可以实现长距离、分布式测量，相比传统方法，它测量长度更长，测
量信息更多。
[0032]3.本实用新型采用光纤传感的方法测量，具有耐腐蚀，抗电磁干扰的优势。
[0033]4.本实用新型所采用的晃动转化结构，结构简单，经济实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本实用新型中的基于布里渊光时域分析原理的温度和应变监测装置原理图；图2是晃动传感器的示意图；图3是电缆晃动引起带聚碳酸酯套管的传感光纤产生弯曲应变的示意图；图4是本实用新型的系统在工程应用中的示意图。
[0035]图中各标号为:1、半导体激光器，2、光隔离器A, 3、光稱合器,4、声光调制器,5、掺铒光纤放大器，6、扰偏器,7、偏振控制器,8、微波扫频器,9、电光调制器，10光滤波器，11、光隔离器B, 12、传感光纤，13、光环形器A, 14、光环形器B, 15、布拉格光栅，16、光电探测器，17、数据采集卡，18、信号发生器，19、计算机；20、电缆，21、带聚碳酸酯套管的传感光纤，22、转动杆，23、配重块，24、传感光纤原始状态，25、电缆晃动引起的传感光纤弯曲，26、布里渊温度及应变监测装置，27、晃动传感器；28、电缆，29、传感光纤。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但不限于此。[0037]实施例:
[0038]如图1-4所示，一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置26和多个晃动传感器27，其特征在于布里渊温度和应变监测装置30包括半导体激光器1、光隔离器A2、BI 1、光稱合器3、声光调制器4、掺铒光纤放大器5、扰偏器6、偏振控制器7、电光调制器9、微波扫频器8、光滤波器10、传感光纤12、光环形器A13、B14、布拉格光栅15、光电探测器16、数据采集卡17、信号发生器18、计算机19，半导体激光器I位于光隔离器A2之前，光隔离器A2后面放置光耦合器3，光耦合器3输出端后面一路依次放置偏振控制器7、电光调制器9、光滤波器10、光隔离器B11，另一路放置声光调制器4 ;光隔离器Bll经传感光纤12和光环形器A13的2号端口相连接；声光调制器4输出端依次放置掺铒光纤放大器5、扰偏器6,扰偏器6经光纤和光环形器A13的I号端口相连接；光环形器B14的I号端口、2号端口经光纤分别和光环形器A13的3号端口、布拉格光栅15相连接，其3号端口输出后连接到光电探测器16的输入端；光电探测器16的输出端连接到数据采集卡17的输入端，数据采集卡17的输出端连接到计算机19 ;信号发生器18分别和声光调制器4及数据采集卡17相连接；微波扫频器8分别和电光调制器9及数据采集卡17相连接；
[0039]晃动传感器27包括转动杆22和配重块23，转动杆22 —端连接配重块23，另一端固定在带聚碳酸酯套管的传感光纤21上。
[0040]所述的半导体激光器为的窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。
[0041]所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。
[0042]所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。
[0043]所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为IKHz的脉冲光。
[0044]所述的掺铒光纤放大器将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。
[0045]所述的扰偏器为P⑶-003扰偏器。
[0046]所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。
[0047]所述的电光调制器和微波扫频器型号分别为KG-AM系列IOG电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。
[0048]所述的滤波器将调制后的光的上边带滤除掉。
[0049]所述的传感光纤为IOOKm单模光纤,外部为聚碳酸酯套管。
[0050]所述的光电探测器是PR-200M3035型光电探测器。
[0051]所述的数据采集卡是150M单通道数据采集卡。
【权利要求】
1.一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置和多个晃动传感器，其特征在于布里渊温度和应变监测装置包括半导体激光器、光隔离器A、B、光稱合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、扰偏器、偏振控制器、电光调制器、微波扫频器、光滤波器、传感光纤、光环形器A、B、布拉格光栅、光电探测器、数据米集卡、信号发生器、计算机，半导体激光器位于光隔离器A之前，光隔离器A后面放置光耦合器，光耦合器输出端后面一路依次放置偏振控制器、电光调制器、光滤波器、光隔离器B，另一路放置声光调制器；光隔离器B经传感光纤和光环形器A的2号端口相连接；声光调制器输出端依次放置掺铒光纤放大器、扰偏器，扰偏器经光纤和光环形器A的I号端口相连接；光环形器B的I号端口、2号端口经光纤分别和光环形器A的3号端口、布拉格光栅相连接,其3号端口输出后连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机；信号发生器分别和声光调制器及数据采集卡相连接；微波扫频器分别和电光调制器及数据采集卡相连接； 晃动传感器包括转动杆和配重块，转动杆一端连接配重块，另一端固定在传感光纤上。
2.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的半导体激光器为的窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。
3.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。
4.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。
5.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns、重复频率为IKHz的脉冲光。
6.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的扰偏器为P⑶-003扰偏器。
7.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。
8.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的光电探测器为PR-200M3035型光电探测器。
9.如权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感的晃动监测系统，其特征在于所述的数据采集卡为150M单通道数据采集卡。
【文档编号】G01B11/16GK203519150SQ201320555459
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】蒋硕, 常军, 王宗良, 魏谦, 孙柏宁, 罗沙, 刘永宁, 刘晓慧 申请人:山东大学