基于光電纜的分布式溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：本文提出增加一根光纖光柵與光電纜繞制在一起，用于監(jiān)測(cè)電纜中的實(shí)時(shí)溫度。采用有限元分析方法，建立了光電纜溫度場(chǎng)模型。使用可調(diào)諧脈沖激光為光源，在一根光纖上刻制多個(gè)相同中心波長的布拉格光柵，即采用全同光柵作為系統(tǒng)的溫度傳感器，當(dāng)光電纜線路中溫度發(fā)生異常時(shí)，反射回來的光柵中心波長發(fā)生偏移，通過檢測(cè)反射光中心波長發(fā)生的偏移量可以確定光柵溫度變化的大小。不同位置的光柵返回光信號(hào)所需的時(shí)間不同，通過檢測(cè)和計(jì)算光返回的不同時(shí)間，可以計(jì)算出發(fā)生溫度變化的光柵位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光柵的溫度敏感性可以達(dá)到11.4 pm/℃，光柵的測(cè)量溫度與實(shí)際溫度的誤差在3%范圍內(nèi)。

0 引 言

光電纜(Optical Power Cable, OPC)是同時(shí)、同路、同走向傳輸電能和光信息的一體化傳輸介質(zhì)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)。由于光電纜常年置于地下，其潛在的老化和缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，有可能因?yàn)殡娎|過熱或者短路而導(dǎo)致火災(zāi)。并且在高壓傳輸環(huán)境中存在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等因素，這對(duì)傳統(tǒng)電類溫度傳感器有著嚴(yán)重的干擾。

光纖光柵(Fiber Bragg Grating , FBG)傳感器除了具有一般光纖傳感器耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有波長編碼，抗干擾能力強(qiáng)等特性， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溫度的快速準(zhǔn)確測(cè)量。傳統(tǒng)的分布式光纖光柵的測(cè)溫方法大多是利用寬帶光源，通過光柵中心波長的變化來檢測(cè)出返回的傳感信息，因此光柵的數(shù)量會(huì)受到寬帶光源本身帶寬的限制;并且由于功率會(huì)因瑞利散射等因素而衰減，信噪比低，所以寬帶光源的傳輸距離也會(huì)受到限制。

本文提出了一種低成本、實(shí)用性強(qiáng)的方案，系統(tǒng)中采用可調(diào)諧脈沖光源，它具有功率大、能量集中等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以使傳輸距離大大增加，而且還突破了寬帶光源的帶寬限制，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器的大范圍組網(wǎng)。與其它的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖光柵所在位置的溫度變化，而且還能準(zhǔn)確定位每個(gè)光纖光柵所在的位置。在光電纜生產(chǎn)加工的時(shí)候直接把光纖光柵加入到光纜中，可以方便的對(duì)光電纜的運(yùn)行狀況做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，光纖光柵與光電纜同步傳輸?shù)姆桨冈谖磥砉怆娋W(wǎng)的發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。

1 光電纜的溫度場(chǎng)分析

利用有限元軟件Ansys 對(duì)光電纜的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。有限元的基本思想是將連續(xù)結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并且在每個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連接的*體;同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一個(gè)單元中假設(shè)一個(gè)近似差值函數(shù)，以表示單元場(chǎng)中函數(shù)的分布規(guī)律;并利用某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程，將一個(gè)連續(xù)域中無限自由度的問題轉(zhuǎn)化為離散域中自由度的問題。可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)來確定單元上以至*體上的場(chǎng)函數(shù)，從而對(duì)復(fù)雜區(qū)域和復(fù)雜邊界問題的求解帶來極大的適應(yīng)性和靈活性，具有較高的計(jì)算精度。因此本文采用有限元法分析光電纜溫度場(chǎng)分布。

1.1 光電纜結(jié)構(gòu)

光電纜是將通信光纜與高壓電纜放置在一起，同時(shí)傳輸電能和信息的一體化傳輸介質(zhì)。本文提出的光電纜模型是由中心為一根光纖光柵，四周由三根電纜和一根光纜構(gòu)成。其中三根電纜的每個(gè)電纜芯截面為半徑2 cm、圓心角為90 °的扇形，光纜芯截面為直徑為2 cm 的圓形，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光電纜結(jié)構(gòu)圖

1.2 溫度場(chǎng)中導(dǎo)熱微分方程

笛卡爾坐標(biāo)系中溫度場(chǎng)中用來描述三維導(dǎo)熱微分方程的一般形式為：

式中：ρ 、c、λ 和Φ 分別為微元體的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及單位時(shí)間單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，t為時(shí)間。

1.3 左、右和下邊界條件

設(shè)電纜位于無限大的土壤中，用柱坐標(biāo)對(duì)場(chǎng)域進(jìn)行表達(dá)，則：

式中：T1、T2 分別是電纜表皮溫度和土壤溫度，r1、r2 分別為電纜直徑和土壤外徑，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，q 為體積發(fā)熱量。

1.4 上邊界條件

表層土壤和空氣的換熱屬于自然對(duì)流換熱，換熱系數(shù)：

式中：d 為土壤溫度，Nu = C(Gr Pr)n，Gr為格拉曉夫數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，查表可得參數(shù)C和n 的值。根據(jù)對(duì)流換熱牛頓公式得出土壤表層溫度梯度：

式中：T1、T2 分別為土壤表層和空氣的溫度，α為對(duì)流換熱系數(shù)，λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù)。求出土壤表層溫度梯度后可求出土壤表層溫度，因?yàn)殡娎|剖面是對(duì)稱的，所以可結(jié)合熱傳導(dǎo)方程和邊界條件對(duì)電纜截面進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。