纸上光纤温度传感器

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1简介

光纤温度传感器作为一种新型温度传感器，具有测量精度高、抗电磁干扰、安全防爆、耐火绝缘等诸多优点，在许多特殊场合得到了广泛应用。因此，光纤温度传感器的研究和开发一直是光纤传感器领域的热点和难点之一。特别是在电力系统中，发电、输电和配电系统都伴随着恶劣的磁场和温度环境(如高辐射、高电压等。)，所以由绝缘材料制成的光纤传感器对电力系统的参数测量和监控起着重要的作用。许多研究机构都致力于开发实用的光功率传感器，有些已经试验成功。LUXTRON公司已成功开发出用于大规模监测变压器绕组热点温度的光纤传感器，该系统在-30 ~ 200 ℃范围内测量精度为±2℃，利用该传感器，实现了变压器在研发、寿命估算和动态负荷温度管理过程中温度场的检测和测量。为了进一步提高精度，本文提出了一种精确的温度传感技术，并针对大型变压器多点温度监测的需要，研制了多通道光纤温度传感器。

2基本原则

图1为光纤温度传感器原理图，它由宽光谱光源、耦合器、高消光比偏振光纤、传输光纤(UNCED)、温度和光功率计传感头组成。其中，传输光纤为保偏光纤，主要用于连接偏置器件和传感器。传感头为一小段光纤，光纤传输与光纤传感头的应力主轴之间成45°角(图65，438+0放大部分)。在第一个传感器的另一端，有全反射镀介电膜。在光传输过程中，偏振模耦合过程如图2所示，Y轴表示慢轴，X轴表示快轴，箭头代表偏振方向。宽光谱光源通过耦合和偏振器偏振后的光沿光纤传输，其截面在图2中为1。光纤传输链路与传感器头点相连，两个保偏光纤应力轴成45°角，光纤传感将首先在两个偏振本征模之间进行，截面如图2中的2。反射光沿同一路线返回，再次到达该点，每根偏振模光纤在传输时还会激起另外两个正交的偏振模，其截面如图2-3所示。四种不同的偏振模式相位:YY'X，YY'Y，YX'X，YX'Y继续向光纤传输，到达偏振器后，只有与偏振器方向平行的偏振模式YX'Y才能通过YY'Y并最终到达光焦度汁，截止如图2和图4所示。的相位差

△ β为两根主光纤传输偏振轴的偏差常数，L为第一个保偏光纤传感器的长度，δ偏振只产生于第一个光纤传感器。输出信号干扰比

其中，K为到达探测器的光强因子，γ (δ)为宽光谱光源相干函数。对于保偏光纤，如pandas或tie型，是设置在涂层结构中以实现偏振应力的保持。研究表明:△ β -200 ~ +400 ℃的温度随线性数的增加而降低，线性系数约为10-3级，为负号，而光纤长度随温度的变化呈线性关系，温度系数约为10-6级，可以忽略不计。因此，δ可以写成

其中a0，a1是模型系数，可通过标定实验获得；环境温度传感器。从(3)我们可以看出，通过测量输出光的强度可以识别出对光纤温度敏感的干扰，还可以通过改变光纤的长度来调整测量范围和灵敏度。

3实验研究

基于图1所示的结构，实验系统设置。光源为平均波长为65438±0300nm的SLD宽带光源，光谱宽度为30nm；传输光纤为熊猫型保偏光纤；传感头随机接入长度为11.3 mm .光功率计干扰输出功率测量，实际温度由温度计测量，测量数据可由计算机实时记录。在-45 ~ +65 ℃时，输出功率和温度曲线如图3所示。

信号干扰的幅度变化是由于相干函数γ (δ)对δ的温度依赖性所引起的，为了进行简单的拟合过程，假设γ (δ)是线性变化，根据式(3)，可能有以下目标函数

以测试数据为样本(4)为目标，拟合图3中的曲线，模型系数如表1所列。c1代表γ (δ)和温度；a1是传感头的温度系数；c2，c3是偏差值。从图3可以看出，测量曲线和拟合曲线在峰值附近重合得很好，误差是γ (δ)线性模型引起的误差。

为了验证原型传感器的稳定性，将传感头置于冰水混合形成的恒定0 ℃环境中，测量输出变化。从图3可以看出，在0 ℃时，输出功率约为324μW，接近最大温度灵敏度系数46.71μW / ℃。图4为时间和光功率输出曲线，测量时间约为30 min，采样间隔为65438±0s。统计表明，光功率的标准偏差为0.45μW，对应的温度变化为0.0096 ℃。

4通道以上温度传感器

在大型电力变压器中，需要监测所有可能的热点温度，因此多通道温度传感器系统是必要的。此外，由于变压器中的光纤部件都放置在热油中，所以传感器必须满足高压绝缘、抗250 ℃以上高温、热油的要求。

4.1传感器程序

8通道光纤温度传感系统如图5所示，光源采用高功率掺铒光纤光源，其输出功率大于65438±00mw，平均波长为65438±0545nm，光谱宽度为365438±0nm。1 × 9单模光纤功分器将被分成9等份，其中一个通道监测光源的变化；其他8个作为8通道温度传感光源，每个通道采用图1所示的结构。光检测器接收来自传感器8的第一次反射光信号，检测器9的输出通过A / D转换器数字化。首先，微处理器根据模型解算出温度值，然后送到显示模块进行显示，同时通过RS232串口与计算机进行实时通信。传感部分由偏振器、2米长的保偏光纤传输和传感头组成，其中偏振器的消光比高于28分贝，插入损耗小于0.8分贝。传感部分和光源/检测部分8通过100 m单模光缆连接芯线实现远程测量。

4.2传感头生产和包装过程

在应用中，光纤和传感头被放置在变压器的热油中。因此熊猫保偏光纤选用硅胶封装，确保耐250 ℃以上的高温。这个镜头的保偏光纤长度为1.9 mm，损耗为1.1 dB / km，直径为250μm。图6为传感头及其封装示意图。图6 (A)为每路8通道传感，由FC连接器、光纤偏振器、2米长的熊猫型保偏光纤和约0.5毫米长的光纤传感头组成。石英光纤传感器头毛细y形密封，后部封装如图6 (B)所示。图6 (C)显示了直径为125微米的裸光纤传感头和沉积在末端的反射光学膜。使用内径为365，438+ 09μm，直径为436微米的毛细管来保护光纤和传感头，它的外表涂有20μ m厚的PMMA薄膜。它们确保传感器头处于恶劣环境中，具有良好的电绝缘性和耐用性。

4.3线性传感器头模型

在式(4)中，需要计算5个参数，温度计算过程复杂。通过选择探针长度和精确的切割过程，传感器响应之间接近线性关系。线性化后，图7 (a)给出了传感头8的响应曲线。因此，温度传感器可以通过多项式拟合得到。3次多项式拟合，对目标函数进行拟合

T = b0 + b1x + b2x2 + b3x3 (5)

其中b0 ~ b3是需要进行模型校准的系数。图7 (b)为拟合后的温度典型误差曲线，在40 ~ 220 ℃之间的最大偏差为0.37 ℃，图7 (c)是根据式(5)模型计算出的温度值，可以看出它们表现出良好的线性关系。

4.4样机校准和测试的结果

为了验证光纤温度传感器样机的测量精度，在中国长城理工学院进行了校准试验，该单位在国家一级温度测量单位进行了大规模，高精度的温度测量能力。测量温度范围是从0 ~ 200 ℃分为20 ℃左右的区间，共11个测量点。典型的测试误差如图8所示，8路传感器测量误差在0.5 ℃范围内。

5结论

本文对一种实用的光纤温度传感器及相关技术进行了详细介绍。研制出可用于电力变压器绕组温度监测的多通道温度传感器。采用特殊的镀膜、封装和制作工艺研制的小尺寸光纤温度传感头，满足了抗恶劣环境指标和实际应用的要求。

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