[发明专利]一种分布式光纤传感器

说明书

本发明公开了一种分布式光纤传感器，包括光源模块，该光源模块由可调谐激光器、声光调制器和射频调制器组成；一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环和光纤光栅传感单元组成，所述的光纤环至少包括由光纤连接的光纤耦合器、掺铒光纤放大器和光纤环形器；连接件将所述的声光调制器的输出端和所述的光纤耦合器的第一端口相连；所述的光纤耦合器的第三端口接光电探测器的输入端，该光电探测器的输出端经高速数据采集卡与信号处理及显示系统相连，所述的高速数据采集卡的同步触发端口与所述的射频调制器的第二输出端口相连；连接件包括一根单模光纤和一根多模光纤。本发明能够改进现有技术的不足，提高了对温度和应变量的检测精度。

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，尤其是一种分布式光纤传感器。

背景技术

电力变压器在电力系统中具有重要地位，其安全运行直接影响着供电的可靠性与安全性。统计显示，绝缘损坏是变压器故障最主要的原因，绕组是故障率最高的部位。绕组的温度和变形检测的精确度和实时性对变压器的安全运行具有重要意义。

目前对变压器的温度检测方法有顶层油温法、荧光光纤测温法和光纤光栅测温法等。顶层油温法测量准确度较低，测量范围较小；荧光光纤测温精度较高，但是属于点式测温，对不同部位的测量需要增加传感器数量，测量范围有限；光纤光栅测温虽可以进行准分布式测量，本质仍是点式测温。一根光纤上的光栅数量有限，难以进行长距离的测量，无法反映绕组温度真实分布。

目前，绕组变形离线诊断的主要方法有短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应分析法。但离线检测难以满足电气设备在线监测与状态评估的发展趋势，并且存在灵敏性较差，难以识别绕组变形方式等缺陷。而变压器绕组带电检测方法还处于研究阶段，且抗干扰能力弱，重复性差，受现场电磁环境因素影响较大。

光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步替代传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、湿度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如：散射、偏振、强度改变等等。通过检测光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。

分布式光纤传感技术凭借分布式测量方式、测量距离长、具有抗电磁干扰和高绝缘强度的优势被广泛应用于建筑、桥梁、边坡等大型基体的状态监测。在电气领域中也应用于海底电缆、架空输电线路等电气设备的温度、应变的测量，具有非常广阔的应用前景。目前基于分布式光纤传感技术的变压器绕组温度、应变的检测鲜有报道。

光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。

近年来，布里渊光时域分析仪作为分布式光纤传感技术领域典型代表受到了广泛的关注，与其他光纤传感仪器相比，布里渊光时域分析仪具有高空间分辨率、超远距离传感以及动态测量等优点，可以同时对温度和微应变等物理量进行高精度测量。由于光纤既作为传感器件又作为信号传输信道，以光信号作为传输信号，因此可以有效降低结构成本。

现有的分布式光纤布里渊应变和温度传感器的测量方法是利用受激布里渊散射现象。现有的传感器需要两个相反方向的激光器通过同一个光纤环。一个为连续激光器，另一个为脉冲激光器。入射光纤的激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制(折射率光栅)，产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移VB为：

VB＝2nv/λ

其中n为入射光波长λ处得折射率，v为光纤中声速。

在光纤中的布里渊散射光频移具有应变和温度效应VB具有应变和温度效应，