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基于ARM的光纤光栅高压电缆温度监控系统的研究

作　者: 苏玉玲
导　师: 张燕君
学　校: 燕山大学
专　业: 物理电子学
关键词: 光纤光栅高压电缆温度监控电缆温度场嵌入式
分类号: TM247
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在电力行业中,高压电缆承载着高压且分布广泛,由于高压电缆投资非常昂贵,因此要求电力电缆至少要能够工作25至30年。但是,电缆埋入地下后,就会受到电、热以及机械力的作用,这些作用会降低甚至损害电缆的绝缘性,极易引起火灾,一旦发生火灾,不但对电力部分造成极大影响,而且会给国家带来了严重损失。光纤光栅传感器由于具有本身不带电,传感信号可以通过光纤传播,抗电磁干扰,容易组成传感网络实现大范围分布式测量等特点,所以特别适合于高压电缆的温度监控。首先,在深入了解国内外光纤光栅传感的发展现状基础上,分析了光纤光栅传感的特点,把握了光纤传感在未来电力电缆测温方面的发展趋势和优势。通过深入调研光纤光栅在国内外的研究现状和关注光纤光栅的发展动态,加深了对光纤光栅传感技术的理解,明确了课题的研究方向。其次,阐述了高压电缆的一些基本特性,并采用有限元的分析方法对高压电缆的温度场和环境进行了深入分析。针对电缆测温的特点,设计了一种光纤光栅的电缆测温系统,并完成了相关光路的整合搭建、配套电路板的绘制加工和波长解调算法的设计以及上位机图形化的界面显示工作。最后,进行了大量的实验研究,通过数据分析把光栅的特性参数确定出来后,再将这些参数输入到光纤光栅的电缆测温监控软件中,通过监控软件实现对高压电缆的温度实时监控。实验表明,此光纤光栅电缆温度监控系统的精度可达1℃,长期运行比较稳定,具备一定的实用价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 高压电缆在线温度监控的研究现状  10-14
    1.2.1 感温电缆温度监测系统  11
    1.2.2 热敏电阻温度检测系统  11-12
    1.2.3 红外温度检测系统  12
    1.2.4 光纤分布式温度监测系统  12-14
  1.3 光纤光栅的发展动态及研究意义  14-16
    1.3.1 国内外的发展概况  14-15
    1.3.2 分布式光纤光栅的传感技术  15
    1.3.3 光纤光栅传感技术的独特优势  15-16
  1.4 本文的主要研究内容及结构  16-18
第2章高压电缆温度场分析光纤光栅传感原理  18-28
  2.1 电缆的种类和结构  18-20
    2.1.1 绝缘材料及其温升特性与损坏机理  19-20
    2.1.2 地下电缆的铺设形式  20
  2.2 高压电缆的温度场模型建立与分析  20-23
    2.2.1 温度场的数值计算  20-21
    2.2.2 电缆温度场理论分析  21-23
  2.3 光纤光栅的传感理论和基本结构  23-27
    2.3.1 耦合模理论  23-25
    2.3.2 光栅的基本结构和光学性质  25-26
    2.3.3 温度对Bragg 波长的影响  26
    2.3.4 应力对Bragg 波长的影响  26-27
    2.3.5 光纤光栅的交叉敏感特性  27
  2.4 本章小结  27-28
第3章分布式光纤光栅传感器的解调技术  28-36
  3.1 单光纤光栅传感信号的解调技术  28-32
    3.1.1 光谱仪解调法  28-29
    3.1.2 非平衡M-Z 干涉仪解调法  29-30
    3.1.3 边缘滤波法  30-31
    3.1.4 匹配光纤光栅滤波法  31-32
  3.2 多光纤光栅分布式传感信号的解调技术  32-35
    3.2.1 可调窄带光源检测法  32
    3.2.2 连续波调频技术  32-33
    3.2.3 可调制激光器解调系统  33-34
    3.2.4 可调制光纤 Fabry-Perot 滤波器解调法  34-35
  3.3 本章小结  35-36
第4章系统设计  36-64
  4.1 系统方案设计  36-38
  4.2 系统光路部分设计  38-42
    4.2.1 宽带光源的选择  38-39
    4.2.2 可调FFP-TF 滤波器的选择  39-40
    4.2.3 光电探测器的选择  40-42
  4.3 系统硬件电路设计  42-53
    4.3.1 嵌入式系统简介  42-43
    4.3.2 光电转换模块  43-45
    4.3.3 可调谐法布里-珀罗腔控制器的设计  45-49
    4.3.4 数据采集与处理模块  49-51
    4.3.5 系统噪声分析  51-53
  4.4 系统软件设计  53-63
    4.4.1 光纤光栅波长解调算法  53-57
    4.4.2 数据传输串口及通讯算法  57-59
    4.4.3 上位机监控软件的设计  59-63
  4.5 本章小结  63-64
第5章实验结果与数据分析  64-76
  5.1 实验方案的系统组成  64-67
  5.2 光栅温度标定与波长解调实验  67-72
  5.3 系统精度与稳定性实验分析  72-75
  5.4 本章小结  75-76
结论  76-78
参考文献  78-84
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  84-86
致谢  86-87
作者简介  87

基于ARM的光纤光栅高压电缆温度监控系统的研究

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