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- 光纖傳感器全面剖析-電力系統(tǒng)的應用
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/1/30
電力系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡上存在著各種各樣的隱患，因此，對系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡進行分布式監(jiān)測顯得尤為重要。
1、在高壓電纜溫度和應變測量中的應用。目前，國外(主要是英國、日本等)已利用激光喇曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。聯(lián)系到我國南方地區(qū)去年所遭受到的雪災來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設傳感光纜，對電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力等參量進行實時測量，就能夠做到及時排險，從而盡可能減少經(jīng)濟損失�？梢姡饫w傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應用前景。在理想情況下，光纖應被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測量電纜的實際溫度。對于直埋動力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準確地反映電纜負載的變化，但是對電纜埋設處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。
2、在電功率傳感器中的應用電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏�，電功率測量是電力計量的一項重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁測量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題，因而人們一直在致力于尋找測量電功率的新方法�？梢哉f光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問題帶來了福音。光纖電功率傳感器的主要特點是：由于電功率傳感同時涉及電壓、電流2個電量，因而通常需要同時考慮電光、磁光效應，同時利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對復雜；光纖電功率傳感器的光傳感信號中有時同時包含電壓、電流信號，因此其信號檢測與處理方法也將比較復雜。
3、在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測中的應用電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境也很復雜，其中溫度和應力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測光纖斷點的同時也對光纜所處溫度和應力情況進行監(jiān)測，可見對光纜的故障預警及維護意義深遠。通過測量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強度，可得到光纖的溫度和應變信息，且傳感距離較遠，所以有深遠的工程研究價值。基于布里淵光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，采用相干檢測技術(shù)，系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1 基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理
BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號，其信號強度非常微弱，但可以采用相干檢測技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統(tǒng)簡單，實現(xiàn)方便，而且可同時監(jiān)測光纖斷點、損耗、溫度和應變。傳光光纖傳感器在醫(yī)學方面的應用在醫(yī)學中的應用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應用。此外，它還可以應用于測量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。
1、壓力測量。目前臨床上應用的壓力傳感器主要用來測量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來測量血壓的壓力傳感器示意見圖1。其中對壓力敏感的部分是在探針導管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時也將反射光傳送出來。當薄膜上有壓力作用時。薄膜發(fā)生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變，從光纖傳來的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
圖1 光纖體壓計探針
2、血流速度測量多普勒型光纖速度傳感器測量皮下組織血流速度的示意見圖2此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。
光纖傳感器全面剖析
圖2 光纖體壓計探針
發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖被送到表皮組織。對于不動的組織，例如血管壁，所反射的光不產(chǎn)生頻移；而對于皮層毛細血管里流速為 的紅細胞，反射光要產(chǎn)生頻移，其頻率變化為△f；發(fā)生頻移的反射光強度與紅細胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細胞的運動速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后，先在光檢測器上進行混頻，然后進人信號處理儀，從而得到紅細胞的運動速度和濃度。
3、pH值測量
用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖3所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強度隨波長的分布光譜來進行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中.膜盒內(nèi)裝有試劑，當把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導致試劑吸收某種波長的光.用光譜分析儀測出此種變化，即可求得血液或組織的pH值。
光纖傳感器全面剖析
圖3 測定pH值的光纖光譜儀
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