基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统及方法与流程

本发明涉及利用光学手段对输电线路设备进行污染物测量监测的技术领域，尤其涉及一种基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统及方法。

背景技术：

输电线路表面很容易受安装地区环境污染物的影响，以致绝缘子表面积累的污染物受潮时引起绝缘击穿闪络，绝缘闪络则可能造成事故，影响输电线路的安全。为确保安全可靠供电，电力部门必须按预定周期对绝缘子串进行清扫，而清扫周期间隔取决于污染物的盐密值。为了确定预防维护的合理周期，保证电网的安全运行，因此需要建立输电线路盐密监测系统，以便对绝缘状况实施监测，避免由于环境污染造成的电网污闪事故。

在各种盐密传感技术中，光纤盐密传感技术越来越受到关注，这是因为相对于其它盐密传感技术而言，光纤盐密传感技术具有大量而突出的优点，例如，传感元件无需电子单元、防燃防爆防腐蚀、灵敏度高、柔性易弯曲、防电磁干扰、可在高温高压下工作、传感器结构简单小巧、易实现远距离信号传输并且信号损耗小等。随着经济的快速发展，电网规模的扩大，空气质量下降，防污闪工作还需要做很大的努力。

现有的输电线路盐度测量系统虽然已存有多种设计方案，但都存在各种不足，例如：有的方案(例如专利CN103645157B)利用一根呈现倒U型光纤，在倒U型光纤顶部剥去外皮，并将其涂覆层剥去，利用形成的裸光纤来检测的，这种方案看似简单，但实际上操作起来存在不能保证批量制作时产品性能的一致性，且不易安装固定，检测到的反射光强小等问题；又如有的方案(例如专利CN102768183B)采用布拉格光栅来监测输电线路盐度，但这种方案需要专用的波长解调设备，其设备价格昂贵，使得方案本身的实用性大打折扣；又如有的方案(例如专利申请CN101793659A)虽提出的也是基于光纤传感的盐密监测方案，但其对传感用的光纤有特别要求，其传感光纤的通用性并不好；又再如有的方案(例如专利CN101101265B)提出采用多个光探测器组来监测输变电设备的盐密度，但这种方案的核心还是基于电子式传感器，该方案的抗电磁干扰性不佳，特别是针对高压输变电设备时，系统的稳定性、实用性还有待考量。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决现有技术中存在的盐密测量系统和方法的简易性、通用性及稳定性不足的问题。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。

一种基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统，包括：激光器，用于发射探测光；光纤准直器传感探头，与待测介质接触；光纤耦合器，与所述光纤准直传感头耦合，用于将所述探测光经光纤传入或传出所述光纤准直器传感探头；光电探头，与所述光纤耦合器耦合，用于接收自所述光纤准直器传感探头反射回来的光数据；以及处理单元，用于处理所述光数据以获取所述待测介质的盐密。

一种基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统，包括：激光器，用于发射探测光；一条盐密传感探测通路，依次包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、以及光纤准直器传感探头，所述探测光进入所述盐密传感探测通路，所述光纤准直器传感探头用于测量待测介质盐密；一条标准校正传感通路，依次包括第一光纤耦合器、第三光纤耦合器、以及光纤传感头，所述探测光进入所述标准校正传感通路，所述光纤传感头置于密封的空气盒中；一个第一光电探头，和所述第二光纤耦合器连接以接收所述光纤准直器传感探头返回的数据；一个第二光电探头，和所述第三光纤耦合器连接以接收所述光纤传感头返回的数据；处理单元，用于分析处理所述第一、第二光电探头收集的数据以获取所述待测介质的盐密。

应用基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统的盐密测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，将光纤准直器传感探头与待测介质接触，打开激光器；

步骤S2，测得第一光电探头和第二光电探头的光强差ΔI，并将所述光强差ΔI

代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]$

其中，K为常数，由所述第一、第二、第三光纤耦合器的耦合系数决定，n_sensor是所述光纤准直器传感探头的折射率，n₀是空气折射率，计算得出n_x以获取所述待测介质的盐密。

相较于现有技术，本发明提供的基于光纤准直器的输电线路盐密测量系统及方法通用性强、可操作性强，易于大范围安装，结构简单，成本相对低廉，抗电磁干扰能力强。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统的结构示意图。

图2是反射光强与盐密的关系曲线图。

图3是反射光强与滴数的关系曲线图。

图4是本发明第二实施例提供的基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本发明第一实施例提供的基于光纤准直器的输电线路盐密测量系统100包括：一个激光器101、光纤耦合器102、光纤准直器传感探头103，光电探头104，处理单元105。

激光器101发出的光经过光纤耦合器102进入光纤准直器传感探头103，光纤准直器传感探头103探入待测介质106后，在待测介质106和光纤准直器传感探头103的界面上有光束反射进入光纤准直器传感探头103，然后经过光纤、光纤耦合器102进入光电探头104，最后由处理单元105进行数据处理，从而根据得到的光强值来获取对应的待测介质106的盐密值。

在光纤准直器传感探头103的端面上，回波损耗将随分界面上物质折射率的不同而变化，而且，当分界面越大，反射回的传感信号光强越大，系统的信噪比越高，越利于远程长距离传感。这为测量盐密值提供了理论基础。以下提供两个测试例：

一、首先用电子称称取适量的氯化钠，放置入洗净的烧杯中，加入适量的去离子水配置不同盐密度的样品。将光纤准直器传感探头作为盐密传感探头，放于配置好的氯化钠样品中(探头不与其它物体接触)。实验分别依次对不同盐度样品进行测量，同时记录相应的反射光强，得出盐度光强度之间的关系(注：盐密测量可用盐度测量来表示)。以测量的反射光强为纵坐标，盐度为横坐标，作出对应的关系曲线如图2所示。

可以看出测得的反射光强与盐度之间存在着单调的一一对应的依赖关系，且线性度很好，R值达到0.99左右(R在这里代表拟合度R-square，是指由图2中的测试数据点拟合出的式子能多大程度上“真实地”反应出测试数据的规律。与“真实的被测量的物理规律”间会存在一定的偏差。拟合度R越高，表明式子和实测数据间吻合度越高)。

因此，本发明第一实施例提供的基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统能够通过反射光强获取盐密值。

二、用氯化钠模拟空气中的导电物质，通过反射光强来检测光纤准直器传感探头端面的结晶固体的微量盐含量。用移液枪吸取浓度为2％的NaCl溶液，依次滴加在准直器探头的端面上，可有效地使溶质的质量成整数倍上升，减少误差。光强在不同液滴数下的变化请参阅图3，纵坐标表示反射光强，横坐标表示滴数。由图3可以看出随着风干时间推移，光强读数稳定在一定值。由此可见，光纤准直器传感探头所记录读数与光纤准直器传感探头端面的氯化钠结晶体的质量有正相关的关系。

因此，本发明第一实施例提供的基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统除了能够通过反射光强获取盐密值，还能够获取盐质量。

实施例2

请参阅图4，本发明第二实施例提供的基于光纤准直器的输电线路盐密测量系统200包括：一个激光器20、第一光纤耦合器21、第二光纤耦合器22、第三光纤耦合器23、单模光纤传感头26、光纤准直器传感探头28、第一光电探头29、第二光电探头30以及处理单元31，包括数据采集单元311和处理电路模块312。

激光器20发出的激光波长可为1550nm，但不限于此。

第一光纤耦合器21、第二光纤耦合器22、以及光纤准直器传感探头28形成一路盐密传感探测通路，光纤准直器传感探头28用于测量待测介质盐密。

第一光纤耦合器21、第三光纤耦合器23、以及单模光纤传感头26形成一条标准校正传感通路，单模光纤传感头26置入密封的空气盒14中作为参考。

第一光电探头29和盐密传感探测通路连接、第二光电探头30和标准校正传感通路连接，并且均将数据输入数据采集单元311，由处理电路模块312分析处理。

优选地，所述光纤准直器传感探头28的端面280与入射光束垂直。

优选地，所述第一、第二、第三光纤耦合器21、22、23的分光比为50:50。

从激光器20发出的激光束(光强为I₀)首先被第一光纤耦合器21分成B1和B2两路，一部分光B1经过第二光纤耦合器22进入盐密传感探测通路，光信号通过光纤准直器传感探头28进入待测介质15中，出射光遇到光纤准直器传感探头28与待测介质15的分界接触面，于是部分光被反射回第二光纤耦合器22，形成的光束B1’被第一光电探头29接收。

另一部分光B2经过第三光纤耦合器23进入标准校正传感通路，标准校正传感通路采用固定的单模光纤传感头26，进入单模光纤传感头26的光在传感头与空气的接触界面被部分反射回第三光纤耦合器23，形成的光束B2’被第二光电探头30接收。

第二光纤耦合器22除了连接光纤准直器传感探头28之外，另一条分出的光路上具有一个第一光纤输出端口25，第三光纤耦合器23除了连接单模光纤传感头26之外，另一条分出的光路上具有一个第二光纤输出端口27，优选地，为了消除这两个光纤输出端口的回波损耗，采用斜切端口缠绕后处理。

由菲涅尔定律可知，不同折射率分界面对光有反射作用。当光线(记入射光强为I_in)垂直入射时，反射光强I_r为：

$I_r=I_{in}{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(1\right)$

n_sensor是传感器探头的折射率、n_x是待测介质折射率。

在本实施例中，计及所涉及的若干光纤耦合器的光功率分配和损耗后，第一光电探头29接收光强I₁为：

$I_1=I_{r1}\·{\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\β}}_1^{\′}{\mathrm{\β}}_1{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(2\right)$

其中n_sensor和n_x分别为光纤准直器传感探头28与待测介15的折射率,β₁、β₁'，β₂、β₂'和β₃、β₃'分别为第二光纤耦合器22、第三光纤耦合器23、第一光纤耦合器21的两输出端口分别与同一输入端口的光强分光比，其中已包含了各自光纤耦合器的附加损耗。

光电探头30接收光强为：

$I_2=I_{r2}\·{\mathrm{\β}}_2={\mathrm{\β}}_3^{\′}{\mathrm{\β}}_2^{\′}{\mathrm{\β}}_2{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_0}{n_{sensor}+n_0}\right)}^2---\left(3\right)$

两个光电探头的光强差为：

$\mathrm{\Δ}I\left(dB\right)=I_1\left(dBm\right)-I_2\left(dBm\right)=10\lg \frac{I_1\left(uW\right)}{I_2\left(uW\right)}---\left(4\right)$

将(2)和(3)式代入(4)式，可以得到：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]---\left(5\right)$

其中为一个常数，由各光纤耦合器耦合系数决定，n_sensor是光纤准直器传感探头28的折射率、空气折射率n₀均是已知的常量。

把光纤准直器传感探头28放置于空气中时，有n_x＝n₀，于是根据(5)式可以直接测量得出常数

对于不同盐密含量的待测介质15，其等效盐密值不同，对应的等效(平均)折射率n_x也将不同，从(5)式可以得出反射光强差ΔI因而也随之发生变化。由此可以测量出与反射光强差相关联的盐密参量。

通过(5)式可以知道测量结果跟光源光强I₀无关，即应用本发明第二实施例提供的盐密测量系统不但可以测量盐密值，还可以消除环境变化对光源造成的不稳定性对测量值的影响。

经过测试，在相同盐度条件下，采用光纤准直器传感探头和普通光纤传感头(例如单模光纤传感头)的对比实验结果表明：采用光纤准直器传感探头测量得出的反射光强度是采用普通光纤探头测量得出的反射光强度的数倍，且二者光强差随着测量盐密度的升高而增加。这意味着在相同光源及外界环境条件下，采用光纤准直器做传感探头能使得盐密测量系统在相同环境噪声下，回射信号强度有较大增强，使得系统的有效信噪比有较大提高，从而可以延长光纤传感距离。

本发明第二实施例提供的盐密测量系统200适合用来测量输电线路设备的盐度，实用性强，该系统测量灵敏度较高、操作方便，易于大范围安装，结构简单，成本相对低廉，抗电磁干扰能力强，还具有实时在线远程监的优点。

实施例3

本发明第三实施例提供一种应用基于光纤准直器的输电线路设备盐密测量系统的测量方法，其通过测量光纤准直器传感探头和待测介质的分界面上物质折射率的不同而引起回波损耗变化而测量待测介质盐密，包括以下步骤：

步骤S1，将光纤准直器传感探头与待测介质接触，打开激光器；

步骤S2，测得第一光电探头和第二光电探头的光强差ΔI，并将所述光强差ΔI代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0}\right)}^2\]$

其中，K为常数，由所述第一、第二、第三光纤耦合器的耦合系数决定，n_sensor是所述光纤准直器传感探头的折射率，n₀是空气折射率，计算得出n_x以获取所述待测介质的盐密。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。