【正文】 層油溫控制冷卻 器的啟、停,片式、管式散熱器的冷卻器包括風(fēng)扇電機(jī)和油泵電機(jī)的控制。當(dāng)變壓器頂層油溫達(dá)到55℃時，投入風(fēng)扇，當(dāng)油面溫度達(dá)到45℃時，退出風(fēng)扇。油中溶解性氣體分析技術(shù)。幾種典型的油中溶解氣體，如HCO、CHC2HC2H4和C2H2，常被用作分析的特征氣體。 　局部放電在線監(jiān)測技術(shù)。PD水平及其增長速率的明顯變化，能夠指示變壓器內(nèi)部正在發(fā)生的變化或反映絕緣中由于某些缺陷狀態(tài)而產(chǎn)生的固體絕緣的空洞、金屬粒子和氣泡等。振動分析法就是一種廣泛用于監(jiān)測這種變壓器故障的有效方法。 紅外測溫技術(shù)。當(dāng)變壓器引線接觸不良、過負(fù)荷運行等情況時都會引起導(dǎo)電回路局部過熱，鐵芯多點接地也會引起鐵芯過熱。頻率響應(yīng)分析法是一種用于判斷變壓器繞組或引線結(jié)構(gòu)是否偏移的有效方法。 繞組溫度指示。目前已開發(fā)出一種用于大型變壓器繞組溫度監(jiān)測的新技術(shù)，即將一條光纖嵌入變壓器繞組以便直接測量繞組的實時溫度，從而改進(jìn)變壓器的預(yù)測建模技術(shù)，并達(dá)到實時監(jiān)測變壓器繞組溫度狀態(tài)的目的。大部分電廠和變電站采用的基于電信號傳感器的測溫系統(tǒng)，如電阻溫度計，熱電偶等，這類電信號的傳感器易受電磁干擾，測量效果不是很理想。另外該方法還需要知道被測物體的發(fā)射率，要保證被測物體的輻射充分抵達(dá)紅外探測器，還要盡量消除背景噪聲。 電力變壓器內(nèi)部屬于高電壓、強(qiáng)電磁場環(huán)境，若采用常規(guī)的電信號傳感器來測量變壓器內(nèi)部的溫度（特別是繞組的熱點溫度），如電信號傳感器測量、光纖測溫儀測量和紅外溫度傳感器測量這三種方法都沒有和變壓器繞組真正接觸，因此測得的溫度不一定是繞組的溫度，將難以滿足要求。由光纖光柵組成的傳感器與傳統(tǒng)的電傳感器相比具有以下優(yōu)點。光纖傳感器所用材料主要是石英光纖自身就是絕緣體，結(jié)構(gòu)簡單。 (2)測量范圍大，靈敏度高，線性度好，頻率響應(yīng)范圍寬，測量精度高。(3)由光來傳輸信號，抗電磁干擾能力強(qiáng)，避免了由電引起的石油易燃易爆等問題。光纖傳感器的傳感頭，重量小于1 公斤。 另外，光纖光柵傳感器相對于其他傳感器還具有抗電磁干擾性強(qiáng)、可應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中、可實現(xiàn)傳輸?shù)蛽p耗的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，并且光纖光柵溫度傳感器還可以粘貼在變壓器繞組上來測量繞組溫度，這樣不但保證測得的溫度是繞組的溫度，還可以解決埋設(shè)傳感器技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴的問題，同時提高靈敏度和測量精度。這種光時域反射技術(shù)是用來對光纖通信中光纖電纜故障檢測而創(chuàng)立的。對于較長距離的分布測溫應(yīng)用，基于散射機(jī)理的分布傳感系統(tǒng)顯示出無比的優(yōu)越性。當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中時，通過測后向散射光強(qiáng)隨時間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)的過程中形成的。由式(4—1)可以確定散射所發(fā)生的位置，通過對散射信號強(qiáng)度的分析后來確定此位置處光纖的物理特性。系統(tǒng)的基本工作過程是將窄的高強(qiáng)度光脈沖入射光纖后，測量該脈沖后向散射信號的時間函數(shù)。測量位置可由脈沖從入射端到該點，再由該點返回所用的時間討算出來。顯然，要想在分布式光纖傳感器中使用光學(xué)反射方法進(jìn)行測量，必須具備以下兩個條件：(1)是被測量的函數(shù)；(2)能從所有其它環(huán)境影響參數(shù)分離出來?；诖嗽?，人們通過利用各種物理效應(yīng)，將溫度、壓力、電場、磁場等待測的物理量調(diào)制到后向散射光上，通過計時和解調(diào)后向散射光，人們就既可知道此物力量的強(qiáng)度大小，又可知道此物理量的空間分布。光纖中最強(qiáng)的散射是Rayleigh散射。實驗和理論都發(fā)現(xiàn)玻璃(它是組成光纖的主要成分)的Rayleigh散射系數(shù)的溫度靈敏度極其微弱。用OTDR技術(shù)可以確定光纖處的損耗、光纖故障點、斷點位置，對測量點定位，因此也可以稱為光纖雷達(dá)。OTDR技術(shù)作為分布式傳感的基礎(chǔ)，目前在大多數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本課題所研究的分布式溫度傳感系統(tǒng)中也正是基于OTDR技術(shù)來實現(xiàn)分布式傳感測量的。本節(jié)介紹了Raman散射，接著對傳感光纖中Raman散射進(jìn)行了理論分析。 拉曼散射的基本原理 在任何分子介質(zhì)中，自發(fā)拉曼散射將一小部分(一般約為)入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。彈性碰撞過程中，光子與分子間并不交換能量，因此只是改變光子的運動方向并不改變激發(fā)光子的波長(即光子的能量)；在非彈性碰撞過程中，光子與分子之間的相互作用存在著能量交換，光子可以釋放或吸收聲子，在頻域上，表現(xiàn)為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。注入光纖的激光頻率為，光子的能量為，當(dāng)分子從能級巨被激光光子激發(fā)到能級為的虛態(tài)，又回到能級E1：或分子從能級E2被激光光子激發(fā)到能級為的虛態(tài)，又回到能級E2，散射出頻率為的光子，這一過程稱為瑞利散射。由于在一般情況下絕大多數(shù)分子均處于基態(tài)(即E1能級)，只有少數(shù)分子才可能處于受激態(tài)(即E2能級，服從玻爾茲曼分布)，故在自發(fā)拉曼散射中，發(fā)生低頻移拉曼散射(斯托克斯散射)的幾率要比發(fā)生高頻移拉曼散射(反斯托克斯散射)幾率高倍。 拉曼散射示意圖對于由二氧化硅分子組成的光纖，實驗發(fā)現(xiàn)：在光纖的散射信號中，除了與入射光頻率相同的瑞利(Rayleigh)散射外，還有一些其它頻率分量的散射。 纖散射光譜圖微弱的自發(fā)拉曼散射現(xiàn)象用拉曼散射的經(jīng)典理論可定性的解釋為：光纖的成分是石英即二氧化硅分子，而二氧化硅分子是由硅和氧原子組成的，它們在分子內(nèi)部按一定的方式處于運動狀態(tài)，二氧化硅分子內(nèi)部粒子間的這種相對運動導(dǎo)致分子間感生電偶極距隨時間的周期性調(diào)制，從而對入射到光纖中的光產(chǎn)生散射作用；對于單色光入射，將使散射光的頻率相對于入射光而言發(fā)生一定的移動，頻率移動量的大小正好等于上述調(diào)制頻率。從經(jīng)典理論看，拉曼散射可看作泵浦光的電磁波使光纖介子分子或原子內(nèi)的電子相對原子核發(fā)生微小的位移或振動，產(chǎn)生感應(yīng)電極化。設(shè)拉曼介質(zhì)由每單位體積Ⅳ個相互獨立的諧振子組成，對應(yīng)于各個分子，其運動方程為 （4—4）式中 F(z，t)——外場作用力X（z,t)——分子相對于勢能最低點的偏離、m、——分別為分子的振動頻率、質(zhì)量和阻尼系數(shù)介質(zhì)分子極化率是x的函數(shù)，可用級數(shù)表示（4—5）取n階近似，則介質(zhì)的介電常數(shù)為 （4—6）頻率為，電場E(z，t)的靜電儲能密度為 （4—7）因而作用在每個分子上的力為 （4—8）上述分析表明，頻率為的分子振動會引起介電常數(shù)在處出現(xiàn)調(diào)制，這導(dǎo)致對輻射場的調(diào)制，從而產(chǎn)生頻率偏移為珊?？梢宰C明，在頻率為的外場作用下，非線性介質(zhì)的簡諧振子，會出現(xiàn)新的頻率為的極化強(qiáng)度分量，振蕩的極化強(qiáng)度將發(fā)生輻射，從而產(chǎn)生頻率為的電磁波，即為各階斯托克斯或反斯托克斯散射。當(dāng)分子始態(tài)處于不同能態(tài)時，吸收外場光子后產(chǎn)生的輻射躍遷后所處的終態(tài)也是不同的。自發(fā)拉曼散射的斯托克斯過程中，諧振分子的始態(tài)為基態(tài)低能級，終態(tài)為激發(fā)能級，而反斯托克斯過程則相反，始態(tài)為激發(fā)態(tài)能級，終態(tài)為基態(tài)能級。在拉曼散射過程中，斯托克斯光強(qiáng)度正比于處于基態(tài)的二氧化硅分子密度，反斯托克斯光強(qiáng)度正比于激發(fā)態(tài)的二氧化硅分子密度。D．LLong通過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)得出反斯托克斯、斯托克斯散射光強(qiáng)分別為 （4—13） （4—14）式中與光纖所處環(huán)境溫度無關(guān)，取決于光纖結(jié)構(gòu)和物理特性、入射光強(qiáng)等。設(shè)單位長度光纖的反斯托克斯光、斯托克斯光散射損耗(散射系數(shù))分別為和，則長度為的光纖上的反斯托克斯、斯托克斯散射光強(qiáng)之比仍滿足式(4—15)，即 （4—16）考慮到光在光纖中傳輸時存在著諸如光源功率不穩(wěn)、光纖的傳輸損耗、光纖彎曲造成的傳輸損耗增加等非溫度因素對反斯托克斯光強(qiáng)的影響，在分布式光纖溫度傳感器中，取式（4—15）反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)的比值作溫度的傳感信號，而不是單純的取反斯托克斯光強(qiáng)作溫敏信號。將式(4—13)和式(4—14)分別對溫度求微商，得 (4—17) (4—18)式(4—17)和式(4—18)說明斯托克斯光對溫度的敏感性與反斯托克斯光的大致相當(dāng)。 受激拉曼散射在研究拉曼散射時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)照射到介質(zhì)上的光功率提高到一定值時，介質(zhì)的散射過程具有受激性質(zhì)，即出現(xiàn)受激拉曼散射。根據(jù)實驗，總結(jié)出受激拉曼散射具有不同于自發(fā)拉曼散射的明顯特點，表現(xiàn)在：(1)受激拉曼散射具有極好的方向性。受激拉曼散射的光功率可達(dá)到與入射光功率相比擬的程度，即入射光幾乎全部轉(zhuǎn)換成受激拉曼散射功率；而自發(fā)拉曼散射功率通常比入射光小亂7個量級，且與入射光功率呈線性關(guān)系：(3)受激拉曼散射具有明顯的閾值?！⑷牍獠ㄔ诠饫w輸入端即z=0處的電場強(qiáng)度、——分別為注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的動量在受激拉曼散射中的反斯托克斯光與斯托克斯光功率之比是式（4—21）的平方，兩者之比與光纖所處環(huán)境的溫度無關(guān)。假定單模的激光器在光纖始端z=0處注入單橫模的光纖中。 、分別為 （4—24） （4—25）式中 ——z=0處泵浦功率——z=0處斯托克斯光功率——分別是光纖在泵浦光、斯托克斯光波長上的衰減系數(shù)，且表示為q——有效的斯托克斯模數(shù)，、——分別對應(yīng)泵浦和斯托克斯光波數(shù)——光纖中光的速度(c真空中光速，啊光纖芯折射率)，A——光纖有效截面積L——光纖長度——實驗測得的拉曼功率增益系數(shù)h——普朗克常數(shù)根據(jù)上述理論推導(dǎo)可以得到以下結(jié)論：(1) 當(dāng)時 （4—26） （4—27）這說明，此時斯托克斯光子的轉(zhuǎn)換可以忽略，而泵浦激光功率沿光纖傳輸逐漸損耗，衰減常數(shù)為。(3)當(dāng)時。即閾值功率隱含在下式中(430)時對應(yīng)自發(fā)拉曼散射，時對應(yīng)受激拉曼散射。根據(jù)Smith理論，多模光纖的受激闕值應(yīng)根據(jù)模式特性計算，一般僅需對單模光纖為基礎(chǔ)計算的閾值加以一個積分因子修正，大多數(shù)多模光纖的修正因子為整數(shù)，故以式(430)計算出來的作為控制多模光纖產(chǎn)生受激散射的閾值功率更保險。因此分布式光纖溫度傳感器不能工作在受激Raman散射條件下。第五章 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成及特點 系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo)測溫范圍：55℃~ +125℃； 所有監(jiān)測點測量時間： 1s； 測溫精度：℃； 測溫分辨率：℃ 。 系統(tǒng)技術(shù)特點分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。當(dāng)激光器發(fā)出一束激光脈沖打入光纖中產(chǎn)生拉曼散射，光纖中各點的溫度調(diào)制了后向散射光的強(qiáng)度，經(jīng)波分復(fù)用系統(tǒng)將斯托克斯光和反斯托克斯光分開，再由光電轉(zhuǎn)換模塊和信號處理模塊對這兩個信號接收和放大處理，并轉(zhuǎn)換成光纜各點的溫度信息并輸出。 分布式光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)成框圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計思路外來輸入信號經(jīng)溫度傳感器( PT100、熱電偶、光纖傳感器等)轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號范圍, 然后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號， 經(jīng)總線傳輸至單片機(jī)控制處理，單片機(jī)也可對模/數(shù)轉(zhuǎn)換的速率進(jìn)行控制， 單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后可暫存于擴(kuò)展的RAM中，也可以經(jīng)串行接口發(fā)送至計算機(jī)進(jìn)行存儲和處理，同時單片機(jī)外接鍵盤和液晶顯示以方便人機(jī)交流控制。2)時間常數(shù)：即光電元件的反應(yīng)速度，當(dāng)有階躍信號輸入時。4)響應(yīng)度：反映光電器件對光信號的轉(zhuǎn)換能力的一個參數(shù)，主要參看其能探測的最小光信號的大小，表述為輸出電壓或電流的大小相對于輸出光強(qiáng)的比值。總和上述幾點，我們最常用的即光電倍增管和雪崩光電二極管(APD)。雪崩二極管是我們探測微弱光非常常用的器件。利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子一空穴對，這就是倍增效應(yīng)。所以，雪崩二極管具有響應(yīng)時間短，響應(yīng)頻率極高以及能達(dá)到一千倍的增益。1)雪崩增益M雪崩增益表示為：式中，為反向飽和亮電流，為反向飽和暗電流。由上式可以表明，加在APD上的反向電壓不斷增大的接近時，其雪崩增益M就會迅速增大。2)噪聲每個元件在工作過程中都會產(chǎn)生噪聲,雪崩二極管中,聲的主要原因就是由雪崩效應(yīng)引起的散粒噪聲和熱噪聲。雪崩二極管負(fù)載電阻的熱噪聲為：所以,崩二極管的總噪聲(即電流均方值)為:上式表明，雪崩二極管的噪聲與其加載的反向工作電壓有著很大的關(guān)系。因為反向電壓高增益也會增大，所以在具體使用時，就要在增益和噪聲之間相互平衡選擇。C30902B主要參數(shù)：1)反向工作電壓:237V2)反向極限電壓:247V3)反向暗電流:4)響應(yīng)度:()5)總噪聲:圖 C30902B 光譜響應(yīng)曲線幾乎所有的傳感器都會受到溫度的影響，雪崩二極管也不例外?？紤]到雪崩二極管的特點和本應(yīng)用的需求。雪崩二極管檢測到光線后，產(chǎn)生的光電流信號會比較微弱，這樣很容易受到噪聲的干擾甚至被淹沒，所以，我們必須采取一定的措施，一是要對微弱信號進(jìn)行放大，二是要保證信噪比，我們分別用兩個電路來完成這兩個要求。因為放大器的工作指標(biāo)對后級影響很大，甚至決定整個系統(tǒng)的性能，所以，前置放大器必須保證精度、靈敏度、穩(wěn)定度?？紤]到雪崩二極管輸出信號的特點，采取普通芯片做成的放大電路可能會引起阻抗失配，從而削弱輸入的