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基于ARM的光纤光栅温度监测系统.pdf

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山东大学硕士学位论文conversion circuit,preamp and filter circuit,AD converter circuit,Ethernetcommunication circuits,liquid crystal display circuit and SO on.Based on the hardware plat,the relevant drive of the modules is designed andtested to achieve sending and receiving real·time temperature data.Main achievementincludes porting the uC/OSII in the LPC2 1 48,and realization of Ethemetcommunications using LwlESystem optical circuit is set up to test the monitoring system,and some useful datahas been obtained for the further work.KEYWORDSFiber Bragg Grating;uC/OS-II;ARM;Temperature MonitorIV原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名 粹 日 期尘掣关于学位论文使用授权的声明本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名单导师签名 日期型,//山东大学硕士学位论文1.1课题背景及意义第一章绪论电力变压器是电力系统中输变电能的高压电气设备,担负着电压、电流的转换以及功率传输的任务,其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行【l】。由于变压器采用封闭式结构,散热效果差,热积累大,并长期处于高电压、大电流和满负荷运行状态,直接导致热量集结加剧、温度升高,威胁电气绝缘性能。研究发现,变压器绕组温度是变压器安全、经济运行以及使用寿命的决定性因素,已经成为变压器状态监测中健康隐患和故障发展的重要表现形式。特别是大型变压器因绕组温度异变造成的绝缘老化直至损坏故障更为多见,极大地限制了带负荷水平。因此,通过对变压器绕组温度进行实时监测并判断其健康状况,以此来进行变压器的负荷调整和预知性维修,避免因绕组过热导致的变压器故障,可以提高变压器安全、经济运行水平,为电网安全运行带来重要保证【2 3,4,51。电力变压器在运行时,有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说,在变压器运行时,在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗,这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去,从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升高,它们与周围的变压器油就产生了一定的温度差,从而将一部分热量传给变压器油,使油的温度升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质空气、水等。经过一段时间后,绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时,绕组和铁心产生的热量全部散发到周围介质中,各部位温度达到稳定。一般来讲,由于产生的损耗不同,变压器内部各部分的温度也不同,绕组最高,其次为铁心和变压器油。从变压器绝缘运行寿命看,一般认为应遵循六度法则变压器绕组年平均温度为98℃时具有正常寿命,当超过或达不到98℃时,每上升或降低6℃,则变压器寿命降低一半或延长一倍【4一。所以,变压器绕组温度的在线监测对保证安全运行和延长设备寿命都有重要意义。目前,对变压器绕组热点温度的测量方法主要有以下两种1电信号传感器测量目前大部分电厂和变电站还是采用基于电信号传感器的测温系统,如热电山东大学硕士学位论文阻、热电偶等17,8】,由于绕组处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰环境中,而热电阻、热电偶都需要金属导线传输信号,这就会产生严重的问题。首先,电导线会对环境产生电磁扰动,扰乱磁场的均匀性或使入射微波反射;其次,在高频交变场中,导线会拾取噪声并由于涡流效应而发热。电导线的热导还会导致被测温度的扰动,测量效果不很理想。2红外温度传感器测量。该方法测温灵敏度和准确度都很高,但红t-N温为非接触测量,但它只能测量变压器的表面温度,易受环境温度及周围磁场的干扰,且需人工操作,无法实现在线测量,而且绕组内的空间非常狭小,无法安装红外测温探头,这就使得不能准确了解变压器运行时绕组的实际温度‘9,10]。以上方法都没有和变压器绕组真正接触,因此测得的温度不一定是绕组的温度。随着光纤通信技术的飞速发展,光无源器件技术的日益成熟,基于光学原理的光纤温度传感器成为在上述恶劣环境下的有效测量手段【ll】,获得了广泛的应用。本文将光纤光栅温度传感器粘贴在变压器绕组上来测量绕组温度,与传统绕组温度监测方法相比,该方法的主要优点是传感器输出为光信号,抗电磁干扰能力强,绝缘性能高,可以工作在高压、大电流及爆炸环境中,这使得此方法非常适合变电站高压电器的温度监测,不但能保证测得的温度是绕组的温度,还可以解决埋设传感器技术复杂、价格昂贵的问题,同时提高了灵敏度和测量精度。1.2光纤光栅的发展历史及其应用随着光纤及其相关配套技术的日趋成熟,光纤光栅传感器已经成为光纤传感器领域内的一大热点,也是传感器研究与应用中最为广泛和最具有市场潜力的光纤传感器。世界上第一根光栅诞生于1978年,由加拿大通信研究中心的Hill等人首创。他们将488nm的氩离子激光入射到掺锗光纤中,观察到入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导致纤芯折射率沿光纤轴向的周期性变化,即光诱导产生光栅的效应【12】,该技术开创了光纤光栅研究与应用的先河,这种光栅制作方法称为驻波法或内部写入法,其缺点是需要特制的锗含2山东大学硕士学位论文量很高的掺锗光纤。1989年,美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人发明了紫外侧写技术,即采用两束相干的紫外光形成的干涉条纹在载氢光纤上侧面曝光,写入布拉格光栅,该法又称为横向全息成栅技术。与驻波法相比,该技术不仅提高了光栅的写入效率,而且还能改变光栅的周期以控制波长,同时能够在任何波段写入布拉格光栅。缺点是对光源和周围环境的稳定性要求较高。紫外侧写入技术的问世,引发了人们对光纤光栅的制作技术和应用的极大的兴趣,迅速推动了其发展。1992年,Ball等人首先发现在1550nm附近,光纤布拉格光栅的波长随其轴向机械拉伸应力变化呈线性关系,其调谐速率约为1.2衄∥mm【l 31,他们将该技术用于光纤激光波长的调谐,在光纤的允许应变范围内,‘获得了10nm左右的波长调谐。该发现导致了光纤通信与光纤传感系统的迅猛发展。1993年,Hill等人又提出了相位掩模成栅技术,即利用紫外光垂直照射相位掩模板衍射后的±1级衍射光相干形成的周期性明暗干涉条纹对载氢光纤曝光来制作布拉格光栅【l 41。该项技术极大地放宽了对写入激光光源相干性的要求,使得布拉格光栅的制作仅取决于相位光栅周期而与辐射光无关,制作更加容易,有利于大规模成批量的生产。1993年,Jackson等人提出了基于平行阵列的光纤布喇格光栅WDM拓扑结构,在光纤光栅复用技术的研究与应用方面率先迈出了第一步。从此,诸如wDM,SDM,TDM等复用技术115,16,1 7】、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及它们的各种组合形式与网络系统层出不穷,极大地推动了光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域的应用步伐。使用光纤光栅传感器对温度和应力等物理量进行传感测量,具有较高的灵敏度和测量范围,很多性能比传统的机电类传感器更加稳定,可靠和准确,具有非常广阔的发展前景。目前已有的光纤光栅传感监测技术也存在着一些问题,如现有的光纤光栅传感器主要存在的问题是对多种信号敏感,这对于单一的测温或测应力的系统来说,就要特别注意温度与应力的交叉敏感对测量结果的影响,因此在很多系统中需要设置相应的补偿装置;光纤光栅传感器阵列还需要进一步的研究,对于像桥梁、建筑等大型的工程结构,如何以最少的光纤光栅传感器数量来得到尽可能多的信息,并且如何在一定的周期内对所得3山东大学硕士学位论文到的大量的信息进行存储、分析比较以及快速准确的计算出各种性能指标参数,这成为当前研究的热点和急需解决的问题。1.3本论文主要研究内容通过学习光纤光栅方面的基础知识和分析在光纤光栅的基础实验中遇到的具体问题,在查阅大量文献的基础上,本论文主要进行了如下几方面的研究第一章绪论介绍了本论文研究背景及意义,光纤光栅传感技术的发展历史及应用现状,介绍了其优势和需要解决的几个问题。第二章介绍了光纤布拉格光栅的传感理论及解调方法。首先介绍了光纤的结构及光纤布拉格光栅的传感原理和传感特性,然后介绍了光纤布拉格光栅测温理论及其温度传感模型,最后介绍了目前常用的几种解调方法,不同解调方法的优缺点等。第三章详细介绍了本监测系统的硬件设计,内容主要有光电转换、放大滤波、AD转换、LCD显示、以太网通讯及微控制器等模块的具体电路设计、器件的选型、布板的注意事项及心得体会等。第四章在上一章硬件原理图的基础上详细介绍了监测系统主要模块的程序设计,其中主要介绍了RTL8019AS驱动程序设计,此/0SII在LPC2148上的移植,以及LwIP在系统上的实现。第五章介绍了对系统测得试验数据的处理结果及数据误差的主要来源。第六章主要对所做工作进行了简单的总结,并指出了系统不足之处,未来的改进方向等。4山东大学硕士学位论文第二章光纤布拉格光栅的测温原理及解调技术2.1光纤与光纤光栅2,1.1光纤的基本结构光纤的基本结构包括纤芯、包层、涂敷层也称保护层、增强纤维和保护套,如图2.1所示,它的全称是光导纤维,通常是圆柱形。其中纤芯位于光纤的中心部位,直径约为9“m或62.5pm,光主要在这一部分传输。纤芯外面由包层围绕,包层直径约为125pm左右。纤芯和包层是光纤的主体,对光波的传输起决定作用。涂敷层、增强纤维和保护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和保护作用。光纤按传输模式分为单模光纤和多模光纤;按纤芯折射率分布分为阶跃型光纤和梯度型也称渐变型光纤;按偏振态分为保偏光纤和非保偏光纤;按制造材料分为石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤和特种光纤等【l引。//一≥~\ 熹~.。.。一I图2.1光纤基本结构光纤工作原理基于光的全反射现象,即由于纤芯,lI大于包层折射率惕,在光纤端面上,当光线入射角小于一定值吼即满足数值孔径要求时,折射光线在纤芯和包层界面上的入射角妒才会大于发生全反射的临界角‰,光线才能在光纤内经多次全反射而传递到另一端。因此,光纤能利用全反射原理将以光的形式出现的电磁波能量约束在其纤芯内,并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的数值孔径NA是表示光纤集光能力的一个参数,式2.1为数值孔径表达式‘191。NAno sin吼砰一%2 2-12·1式中的‰为空气折射率;eo为光纤的孔径角。5山东大学硕士学位论文2,1.2布拉格光栅的工作机理及其制作光纤光栅是利用光敏光纤的光敏效应,使单模光纤纤芯折射率在芯区长度上产生周期性改变而制成的一种新型光纤光了器件¨9 2“。即当激光通过增敏过的光纤时,光纤纤芯的折射率将随激光光强的空问分布发生相应的变化,变化的大小与光强成线性关系,并可永久的保存下来。不同的曝光条件、不同类型的光纤可产生多种不同折射率分布的光纤光栅。折射率变化部分酬2.2光纤柑拉格光栅基本结构 幽2.3光纤布拉格光栅折射率分布最常见的一种光纤光栅即布拉格光栅,它是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。当光波传输通过光纤布拉格光栅时,满足布拉格光栅波长条件的光波将被反射回来,这样入射光波就会分为两部分透射光波和反射光波,如图2 2所示。所以光纤布拉格光栅为反射光栅,布拉格条件【21021为h 227hA 22其中A。为光栅反射中心波长,怫,为导模有效折射率。所谓光敏性是指物质的物理或化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而占,则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生的永久性改变。紫外光敏性光纤光栅的产生的重要原因.即当紫外光通过光敏光纤时,光纤纤芯的折射率将随紫外光光强的空间分布发生相应的变化,变化的大小与光强成线性关系,并可永久的保存下来。若没有对光纤进行处理,直接用紫外光照射,则光纤的折射率增加仅为104数量级便已经饱和,这样就光纤光栅难于实用化。虽然普通通信光纤本身具有一定的光敏性,但光敏性很低,在这种光纤中写入的光栅的反射率很低,因此为制作出优质的光纤光栅,就需要提高光纤光敏性。在广大科技工作者的努力下,提出了以下几种光纤增敏技术山东大学硕士学位论文1在光纤中掺入Ge4、Sb3、Pr3Sn4、Er3等具有较强光敏性的离子。研究表明,Sb/Ge共掺光纤有较好的光敏性折射率调制量为2.7X 10一和很高的温度稳定性瞄,241。当温度高达900“C时光栅的性能仍然稳定。2在光纤中高掺锗、硼/锗共掺及掺杂稀土元素如钽、铈、锡、铕等。高掺锗光纤上写出的光栅稳定性好,折射率调制量可达lO.4,无需退火处理;但高掺锗会提高纤芯折射率,增大数值孔径,因而增加光纤损耗及连接损耗,还具有较大的非线性。硼/锗共掺的折射率调制量可达10‘3以上。锡/锗共掺的折射率调制量最大可达10一,在高温下温度稳定性要比硼储共掺的光纤好B卯。3低温高压载氢技术。载氢的基本原理是将普通光纤置于高压氢气中一段时间,待氢气分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯后,再用特定波长的紫外光照射载氢光纤刻写光栅。刻写过程结束后,进行高温退火处理以保证光纤光栅实际应用时的稳定性。经过载氢处理后,普通光纤纤芯的折射率调制量可从10。5提高到10-2 1261。目前常用致密模型解释光纤光敏性机理,该模型认为,在紫外光照射下,光纤吸收光子能量导致的局部加热、光诱导缺陷中心的转换等均能改变光纤中的应力分布和密度分布,而应力分布和密度分布的变化显然会引起折射率的改变‘271。通常所说的IIA型光栅,其成栅机理与光纤基质材料的光致密效应有关,很好的支持了致密模型。经过近三十年的发展,人们对光纤光栅制作的研究已取得飞跃发展,其制作也逐渐成熟,目前常用的光栅的写入技术大体可分为内部写入法和外部写入法。内部写入法又称驻波干涉法,该方法利用光纤中沿相反方向传播的两列光波相干叠加后形成的驻波干涉条纹强度的空间分布引起光纤纤芯折射率的周期性分布‘271,用此方法形成的光纤光栅的布拉格波长与入射光的波长相同,故写入效率低。外部写入法又分为振幅掩模法、相位掩模法、逐点写入法、组合写入法等。振幅掩模法紫外入射光经振幅掩模后由聚焦透镜成像于待写光敏光纤上对光纤曝光,形成光纤光栅【28】。相位掩模法该制作方法的核心部件相位掩模是一种特殊设计的光学衍射元7山东大学硕士学位论文件,正入射的紫外光经过相位掩模后零级衍射受到抑制,士1级衍射相互作用形成的近场干涉条纹对紧贴其后的光敏光纤纤芯曝光,形成周期为1/2相位掩模周期的光纤光栅。斜入射的紫外光经过相位掩模后1级衍射受到抑制,0级和一1级衍射光相互作用形成的近场干涉条纹对紧贴其后的光敏光纤纤芯曝光,形成周期等于相位掩模周期的光纤光栅。无论是正入射还是斜入射,形成的光纤光栅的布拉格波长与入射光的波长无关【29】。此法工艺简单、重复性好、成品率高、便于大规模生产,但是一种相位掩模只能制作一种光栅,光栅周期不能随意改变,缺乏灵活性。逐点写入法将写入光源的光聚焦在纤芯的某点进行曝光,待曝光完成后再对下一点进行曝光,不断重复这一过程直到写完所有的光栅条纹为止。优点是灵活性高,光栅周期容易控制,对光源的相干性没有要求;缺点是曝光时间长,受纳米级平移精度的难控制和光点几何尺寸的限制,光栅周期不能太dd30l。在上述光栅制作方法中,目前广为采用的是相位掩模法,而且相位掩模法主要用于制作光纤布拉格光栅,有接触式和非接触式两种成熟的制作技术。其刻制原理如图2.4所示。紫外激光光束.1级衍射 1级衍射图2.4相位掩模法刻制光纤布拉格光栅原理图2.1.3光纤布拉格光栅的基本参数a反射率FBG反射光谱中反射峰值的功率与入射光功率的比值;b中心波长FBG反射光谱中最大反射率对应峰值波长k;C3dB带宽FBG反射光谱中反射峰值功率下降3dB对应的波长范围‰;d边模抑制比FBG主峰的反射率与最高次峰的反射率的比值;8
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