抗恶劣环境的保偏光纤温度传感器

      1 引言

    光纤温度传感器作为一种新型的温度传感器，具有测量精度高、抗电磁干扰、安全防爆、绝缘耐火等诸多优点，在许多特殊场合得到了广泛应用。因此，有关光纤温度传感器的研究和开发一直是光纤传感领域的热点和难点之一。特别是在电力系统中，发电、输电和电力分配系统都伴随恶劣的电磁和温度环境(如强辐射、高电压等)，因此由绝缘材料制成的光纤传感器对电力系统的参数测量和监测起着重要的作用。国外许多研究机构都致力于开发实用的电力应用光纤传感器，有些已经进行了成功的试用。LUXTRON公司已经成功开发出用于大型变压器绕组热点监测的光纤温度传感器，该系统在-30～200℃内的测量精度为±2℃，利用该传感器，实现了变压器在研发、寿命估计和动态负载管理过程中的温度检测和温度场测量。为了进一步提高精度，本文提出一种精确的温度传感技术，并针对大型变压器多点温度监测的需求，研制了多通道光纤温度传感器。

    2 基本原理

    图1为光纤温度传感器的原理图，它由宽谱光源、耦合器、高消光比的保偏光纤偏振器、传输光纤(环)、温度传感头和光功率计组成。其中，传输光纤为保偏光纤，主要用于连接起偏器和传感头。传感头为一小段保偏光纤，传输保偏光纤与传感头保偏光纤的应力主轴成45°夹角(如图1的放大部分)。在传感头的另一端，镀有全反射介质膜。在光传输的过程中，偏振模式的耦合过程如图2，Y轴表示慢轴，X轴表示快轴，箭头代表偏振方向。宽谱光源发出的光经过耦合器和起偏器后成为偏振光，并沿着保偏光纤传输，如图2中的截面1。在传输光纤与传感头的连结点处，由于两保偏光纤应力主轴成45°夹角，光将在传感头中激起两个偏振本征模式，如图2中的截面2。反射光沿着原路返回，再次到达结合点时，每个偏振模式在传输保偏光纤中又激起另外两个正交偏振模式，如图2中的截面3。四个相位不同的偏振模式：YY′X，YY′Y，YX′X，YX′Y继续在保偏光纤中传输，在到达起偏器时，只有与起偏器通光方向平行的偏振模式YY′Y和YX′Y可以通过，最终到达光功率汁，如图2中的截而4。其相位差为

    △ β为保偏光纤两个主偏振轴的传输常数差，L为保偏光纤传感头的长度，δ仅在保偏光纤传感头中产生。输出的干涉信号为

    式中，K为与到达探测器的光强有关的系数，γ(δ)是宽谱光源的相干函数。对于保偏光纤，如熊猫型或领结型，是通过在涂覆层中设置应力结构来实现偏振保持的。研究表明：△β在-200～+400℃随着温度的增加而线性减少，其线性系数的数量级约为10-3，符号为负，而保偏光纤的长度随温度变化成线性关系，温度系数约为10-6量级，可以忽略。因此，δ可写为

    式中a0，a1是模型系数，可通过实验标定得到；T为传感器所处环境温度。从式(3)可以看出，通过测量输出干涉光的强度可以确定光纤敏感的温度，而且可通过改变保偏光纤的长度来调节测量范围和灵敏度。

    3 实验研究

    基于图1所示结构，搭建了实验系统。光源为平均波长1300 nm的SLD宽带光源，谱宽为30 nm；传输光纤环是熊猫型的保偏光纤；传感头的长度随机取为11.3 mm。用光功率计测量干涉输出功率，实际温度由温度计测量，测得数据可通过计算机实时记录。在-45～+65℃，输出功率和温度关系曲线如图3。

    干涉信号的幅度变化是因为相干函数γ(δ)中δ的温度相关性引起的，为了使拟合过程简单，假定γ(δ)是线性变化，根据式(3)，可有如下的目标函数

    以测试数据为样本、以式(4)为目标，拟合曲线如图3，模型系数如表1所列。c1代表了γ(δ)和温度的关系；a1是传感头的温度系数；c2，c3是偏差值。从图3可看出，测量曲线和拟合曲线很好地重合，在峰值附近的误差是由γ(δ)的线性模型误差引起的。

    为了验证传感器样机的稳定性，将传感头置于冰水混合物形成的恒定0℃环境中，测量输出的变化。从图3中可以看出在0℃，其输出功率大约为324μW，温度的灵敏度接近于最大，系数为46.71μW／℃。图4为时间与光功率的输出曲线，测量时间约为30 min，采样间隔为1 s。统计表明，光功率标准偏差为0.45μW，对应的温度变化为0.0096℃。

    4 多通道温度传感器

    在大型电力变压器中，需要监测所有可能的热点温度，因此多通道温度传感器系统是必须的。另外，由于光纤部分被安置在变压器热油中，故必须使传感器满足高电压绝缘，抗250℃以上高温、热油的要求。

    4.1 传感器方案

    8通道光纤温度传感系统如图5所示，光源采用了大功率的掺铒光纤光源，其输出功率大于10 mW，平均波长为1545 nm，谱宽为31 nm。1×9单模光纤分路器将光功率分成9等份，其中一个通道用来监控光源的变化；其他8路作为8路温度传感通道的光源，每一通道都采用图1所示结构。从传感头反射的8路光信号由光电探测器接收，9个探测器的输出通过A／D转换数字化。微处理器首先根据模型解算出温度值，然后将其送到显示模块进行显示，同时通过串口RS232与计算机进行实时通信。传感部分由起偏器、2 m长的保偏传输光纤和传感头组成，其中起偏器的消光比高于28 dB，插入损耗小于0.8 dB。传感部分和光源／探测部分通过100 m单模8芯光缆连接，实现远程测量。

    4.2 传感头的工艺制作和封装

    在应用中，保偏光纤和传感头被置于变压器的热油中。因此选用硅胶封装的熊猫型保偏光纤以保证耐250℃以上的高温。这种保偏光纤的拍长为1.9 mm，损耗为1.1 dB／km，直径为250μm。图6为传感头和其封装图。图6(A)为8路传感部分，每一路都由FC连接器、保偏光纤起偏器、2 m长的熊猫型保偏光纤和大约0.5 mm长的保偏光纤传感头组成。传感头用石英光纤毛细管密封，尾部封装如图6(B)所示。图6(C)显示了直径为125 μm裸纤传感头和沉积在光纤末端的反射薄膜。使用内径为319μm，外径436 μm的毛细管来保护光纤和传感头，其外表面涂有20 μm厚的PMMA薄膜。这些都确保了传感头在恶劣环境下具有很好的电绝缘性和耐用性。

    4.3 传感头的线性化模型

    在式(4)中，需要计算5个参数，其温度计算过程是复杂的。通过探头长度的准确选择和精确的切割过程，传感响应接近于线性关系。经过线性化处理后，图7(a)给出了8路传感头的响应曲线。因此，传感的温度可以通过多项式拟合获得。采用了3次多项式拟合，拟合目标函数为

    T=b0+b1x+b2x2+b3x3 (5)

    式中b0～b3是需要标定的模型系数。图7(b)为拟合后典型的温度误差曲线，在40～220℃内最大偏差是0.37℃，图7(c)是根据式(5)所示模型计算后的温度值，可以看出它们呈良好的线性关系。

    4.4 样机标定测试结果

    为了验证光纤温度传感器样机的精确性，在中国长城计量测试技术研究所进行了标定测试，该单位为国家一级温度计量单位，具备进行大范围、高精度的温度计量能力。测量温度范围是从0～200℃分成大约20℃的间隔，共11个测温点。典型的测试误差如图8所示，8路传感器的测量误差均在±0.5℃的范围内。

    5 结论

    本文对一种实用的保偏光纤温度传感器及其相关技术进行了详细的阐述。研制出了可用于电力变压器绕组温度监测的多路温度传感器。利用特制的涂覆、封装和制作工艺研制出的微小尺寸光纤温度传感头，满足了抗恶劣环境和实际应用指标的要求。