基于DSP的光纤光栅开关柜温度监测系统.doc

学院 电信学院 专业 电路与系统 学号 姓名 题次 一 二 三 四 五 总分 评卷人 分数 评分 基于DSP的光纤光栅开关柜温度监测系统 一、概述 开关柜是一种成套开关设备和控制设备，它作为动力中心和主配电装置。主要用作对电力线路，用电设备的控制、监视、测量和保护。常设在变电站，配电室等处。开关柜内的电缆接头、10kv、35kv高压开关柜动静触头及电气设备的连接头是易出故障的薄弱环节，原因是该部位接触不良，接触电阻较大，在大电流情况下该处热功率很大，其结果是接头严重发热，加剧接触面氧化，使得接触电阻进一步增大，形成恶性循环，发展到一定阶段后，则会造成严重的故障，破坏供电的安全可靠。 本文研究了光纤光栅测温原理，提出了基于DSP的光纤光栅测温法的开关柜温度在线监控系统总体设计方案。该方案可有效克服红外辐射测温法应用于开关柜温度测量时的局限性以及无线传感器测温法存在的供电难题。而采用光纤光栅测温，则可将光纤绕在抽头上，实时监测其温度，在演变成事故前，及早发现并采取处理措施。光纤光栅温度传感器具有防燃、防爆、防腐蚀、耐高温、抗电磁干扰等优点，是目前最先进的测温装置。在此基础上，本文详细介绍了基于DSP的光纤光栅开关柜温度监测系统硬件设计过程，根据系统功能完成了相应的系统软件的开发。 二、系统硬件设计 2.1系统方案设计 该系统的设计框图如图2.1所示。宽带光源发出宽带光经耦合器进入光纤光栅温度传感器FBG1、FBG2...（因为该系统采用可调谐F-P腔法进行信号的解调，所以在光纤上可以串联四个或四个以上的不同中心频率的光纤光栅温度传感器），FBG1等温度传感器因所测温度的不同，反射回不同波长的光波，通过可调谐F-P腔进入光电探测器，将光信号转化为模拟电信号，然后将模拟信号输入DSP芯片TMS320f2812中的A/D转换模块实现模拟信号转换为数字信号。 TMS320f2812将得到的返回波长的数字信号进行分析处理，将最终的结果通过LCD屏显示出来。DSP芯片通过RS232接口可实现与上位机之间的连接，在Windows XP系统上采用Visual Basic6.0可视化程序设计语言进行开发，对各个功能进行模块化设计，对系统运行结果及分析进行显示，还可以通过上位机设置温度上限，当开关柜温度达到上限值是发出报警声。RS485实现数据的远程输送。 图2.1 系统结构框图 2.2光纤光栅温度传感器 2.2.1光纤光栅温度传感器应用原理 光纤Bragg光栅是利用光纤材料的光敏性，采用紫外曝光等方式在光纤纤芯形成空间相位光栅。光纤光栅中心波长与有效折射率和光栅周期满足如下关系： 可见光纤光栅的反射波长主要取决于光栅周期和有效折射率。当外界环境温度或应力发生变化会引起光栅周期和有效折射率变化，从而引起反射波长的偏移，这就是光纤光栅温度传感器的基本原理。在测量环境温度的过程中，不需要应力变化对光纤光栅造成影响，所以要避免应力对光纤光栅的影响，就要对其进行保护性的封装之后，才能用于工程检测。通常采用不锈钢管对光纤光栅温度传感器进行封装。 2.2.2光纤光栅温度传感器的数学模型 设光栅原来的周期为，热膨胀系数为，热光系数为。热光效应是指材料的温度发生变化时，材料的折射率发生改变的现象，通常热光系数用来描述热光效应的强弱，热光系数定义为: (2-1) 若为某一温度时的折射率，则任意温度的折射率为： (2-2) 实验表明，在一定温度范围内，热光系数为常数。 对光栅Bragg光栅的反射方程两边求全微分可得到： (2-3) 但这样的计算比较麻烦，对每一个波长都要计算一次，为简化计算可以利用近似计算来估计的大小。对于纤芯膜而言，有效折射率和纤芯的折射率比较相近，因此，可以利用纤芯材料的热光系数来代替用有效折射率计算热光系数，即 (2-4) 于是可得 (2-5) 由式可知，光纤Bragg光栅的反射波长漂移和温度的变化呈线性关系，数据处理更加方便。但是当温度的变化范围比较大的时候，波长漂移和温度变化不完全