本發(fā)明涉及利用光學(xué)手段對(duì)輸電線路設(shè)備進(jìn)行污染物測(cè)量監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

輸電線路表面很容易受安裝地區(qū)環(huán)境污染物的影響，以致絕緣子表面積累的污染物受潮時(shí)引起絕緣擊穿閃絡(luò)，絕緣閃絡(luò)則可能造成事故，影響輸電線路的安全。為確保安全可靠供電，電力部門必須按預(yù)定周期對(duì)絕緣子串進(jìn)行清掃，而清掃周期間隔取決于污染物的鹽密值。為了確定預(yù)防維護(hù)的合理周期，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此需要建立輸電線路鹽密監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便對(duì)絕緣狀況實(shí)施監(jiān)測(cè)，避免由于環(huán)境污染造成的電網(wǎng)污閃事故。

在各種鹽密傳感技術(shù)中，光纖鹽密傳感技術(shù)越來越受到關(guān)注，這是因?yàn)橄鄬?duì)于其它鹽密傳感技術(shù)而言，光纖鹽密傳感技術(shù)具有大量而突出的優(yōu)點(diǎn)，例如，傳感元件無需電子單元、防燃防爆防腐蝕、靈敏度高、柔性易彎曲、防電磁干擾、可在高溫高壓下工作、傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸并且信號(hào)損耗小等。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，空氣質(zhì)量下降，防污閃工作還需要做很大的努力。

現(xiàn)有的輸電線路鹽度測(cè)量系統(tǒng)雖然已存有多種設(shè)計(jì)方案，但都存在各種不足，例如：有的方案(例如專利CN103645157B)利用一根呈現(xiàn)倒U型光纖，在倒U型光纖頂部剝?nèi)ネ馄ぃ⑵渫扛矊觿內(nèi)?，利用形成的裸光纖來檢測(cè)的，這種方案看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上操作起來存在不能保證批量制作時(shí)產(chǎn)品性能的一致性，且不易安裝固定，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)小等問題；又如有的方案(例如專利CN102768183B)采用布拉格光柵來監(jiān)測(cè)輸電線路鹽度，但這種方案需要專用的波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備，其設(shè)備價(jià)格昂貴，使得方案本身的實(shí)用性大打折扣；又如有的方案(例如專利申請(qǐng)CN101793659A)雖提出的也是基于光纖傳感的鹽密監(jiān)測(cè)方案，但其對(duì)傳感用的光纖有特別要求，其傳感光纖的通用性并不好；又再如有的方案(例如專利CN101101265B)提出采用多個(gè)光探測(cè)器組來監(jiān)測(cè)輸變電設(shè)備的鹽密度，但這種方案的核心還是基于電子式傳感器，該方案的抗電磁干擾性不佳，特別是針對(duì)高壓輸變電設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性還有待考量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的鹽密測(cè)量系統(tǒng)和方法的簡(jiǎn)易性、通用性及穩(wěn)定性不足的問題。

本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)，包括：激光器，用于發(fā)射探測(cè)光；光纖準(zhǔn)直器傳感探頭，與待測(cè)介質(zhì)接觸；光纖耦合器，與所述光纖準(zhǔn)直傳感頭耦合，用于將所述探測(cè)光經(jīng)光纖傳入或傳出所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭；光電探頭，與所述光纖耦合器耦合，用于接收自所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭反射回來的光數(shù)據(jù)；以及處理單元，用于處理所述光數(shù)據(jù)以獲取所述待測(cè)介質(zhì)的鹽密。

一種基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)，包括：激光器，用于發(fā)射探測(cè)光；一條鹽密傳感探測(cè)通路，依次包括第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、以及光纖準(zhǔn)直器傳感探頭，所述探測(cè)光進(jìn)入所述鹽密傳感探測(cè)通路，所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭用于測(cè)量待測(cè)介質(zhì)鹽密；一條標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，依次包括第一光纖耦合器、第三光纖耦合器、以及光纖傳感頭，所述探測(cè)光進(jìn)入所述標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，所述光纖傳感頭置于密封的空氣盒中；一個(gè)第一光電探頭，和所述第二光纖耦合器連接以接收所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭返回的數(shù)據(jù)；一個(gè)第二光電探頭，和所述第三光纖耦合器連接以接收所述光纖傳感頭返回的數(shù)據(jù)；處理單元，用于分析處理所述第一、第二光電探頭收集的數(shù)據(jù)以獲取所述待測(cè)介質(zhì)的鹽密。

應(yīng)用基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)的鹽密測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟S1，將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭與待測(cè)介質(zhì)接觸，打開激光器；

步驟S2，測(cè)得第一光電探頭和第二光電探頭的光強(qiáng)差ΔI，并將所述光強(qiáng)差ΔI

代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]$

其中，K為常數(shù)，由所述第一、第二、第三光纖耦合器的耦合系數(shù)決定，n_sensor是所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭的折射率，n₀是空氣折射率，計(jì)算得出n_x以獲取所述待測(cè)介質(zhì)的鹽密。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測(cè)量系統(tǒng)及方法通用性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)，易于大范圍安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，抗電磁干擾能力強(qiáng)。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是反射光強(qiáng)與鹽密的關(guān)系曲線圖。

圖3是反射光強(qiáng)與滴數(shù)的關(guān)系曲線圖。

圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施方式。相反地，提供這些實(shí)施方式的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

實(shí)施例1

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測(cè)量系統(tǒng)100包括：一個(gè)激光器101、光纖耦合器102、光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，光電探頭104，處理單元105。

激光器101發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器102進(jìn)入光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103探入待測(cè)介質(zhì)106后，在待測(cè)介質(zhì)106和光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103的界面上有光束反射進(jìn)入光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103，然后經(jīng)過光纖、光纖耦合器102進(jìn)入光電探頭104，最后由處理單元105進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而根據(jù)得到的光強(qiáng)值來獲取對(duì)應(yīng)的待測(cè)介質(zhì)106的鹽密值。

在光纖準(zhǔn)直器傳感探頭103的端面上，回波損耗將隨分界面上物質(zhì)折射率的不同而變化，而且，當(dāng)分界面越大，反射回的傳感信號(hào)光強(qiáng)越大，系統(tǒng)的信噪比越高，越利于遠(yuǎn)程長(zhǎng)距離傳感。這為測(cè)量鹽密值提供了理論基礎(chǔ)。以下提供兩個(gè)測(cè)試?yán)?/p>

一、首先用電子稱稱取適量的氯化鈉，放置入洗凈的燒杯中，加入適量的去離子水配置不同鹽密度的樣品。將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭作為鹽密傳感探頭，放于配置好的氯化鈉樣品中(探頭不與其它物體接觸)。實(shí)驗(yàn)分別依次對(duì)不同鹽度樣品進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)記錄相應(yīng)的反射光強(qiáng)，得出鹽度光強(qiáng)度之間的關(guān)系(注：鹽密測(cè)量可用鹽度測(cè)量來表示)。以測(cè)量的反射光強(qiáng)為縱坐標(biāo)，鹽度為橫坐標(biāo)，作出對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線如圖2所示。

可以看出測(cè)得的反射光強(qiáng)與鹽度之間存在著單調(diào)的一一對(duì)應(yīng)的依賴關(guān)系，且線性度很好，R值達(dá)到0.99左右(R在這里代表擬合度R-square，是指由圖2中的測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出的式子能多大程度上“真實(shí)地”反應(yīng)出測(cè)試數(shù)據(jù)的規(guī)律。與“真實(shí)的被測(cè)量的物理規(guī)律”間會(huì)存在一定的偏差。擬合度R越高，表明式子和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間吻合度越高)。

因此，本發(fā)明第一實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)能夠通過反射光強(qiáng)獲取鹽密值。

二、用氯化鈉模擬空氣中的導(dǎo)電物質(zhì)，通過反射光強(qiáng)來檢測(cè)光纖準(zhǔn)直器傳感探頭端面的結(jié)晶固體的微量鹽含量。用移液槍吸取濃度為2％的NaCl溶液，依次滴加在準(zhǔn)直器探頭的端面上，可有效地使溶質(zhì)的質(zhì)量成整數(shù)倍上升，減少誤差。光強(qiáng)在不同液滴數(shù)下的變化請(qǐng)參閱圖3，縱坐標(biāo)表示反射光強(qiáng)，橫坐標(biāo)表示滴數(shù)。由圖3可以看出隨著風(fēng)干時(shí)間推移，光強(qiáng)讀數(shù)穩(wěn)定在一定值。由此可見，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭所記錄讀數(shù)與光纖準(zhǔn)直器傳感探頭端面的氯化鈉結(jié)晶體的質(zhì)量有正相關(guān)的關(guān)系。

因此，本發(fā)明第一實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)除了能夠通過反射光強(qiáng)獲取鹽密值，還能夠獲取鹽質(zhì)量。

實(shí)施例2

請(qǐng)參閱圖4，本發(fā)明第二實(shí)施例提供的基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路鹽密測(cè)量系統(tǒng)200包括：一個(gè)激光器20、第一光纖耦合器21、第二光纖耦合器22、第三光纖耦合器23、單模光纖傳感頭26、光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28、第一光電探頭29、第二光電探頭30以及處理單元31，包括數(shù)據(jù)采集單元311和處理電路模塊312。

激光器20發(fā)出的激光波長(zhǎng)可為1550nm，但不限于此。

第一光纖耦合器21、第二光纖耦合器22、以及光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28形成一路鹽密傳感探測(cè)通路，光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28用于測(cè)量待測(cè)介質(zhì)鹽密。

第一光纖耦合器21、第三光纖耦合器23、以及單模光纖傳感頭26形成一條標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，單模光纖傳感頭26置入密封的空氣盒14中作為參考。

第一光電探頭29和鹽密傳感探測(cè)通路連接、第二光電探頭30和標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路連接，并且均將數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集單元311，由處理電路模塊312分析處理。

優(yōu)選地，所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28的端面280與入射光束垂直。

優(yōu)選地，所述第一、第二、第三光纖耦合器21、22、23的分光比為50:50。

從激光器20發(fā)出的激光束(光強(qiáng)為I₀)首先被第一光纖耦合器21分成B1和B2兩路，一部分光B1經(jīng)過第二光纖耦合器22進(jìn)入鹽密傳感探測(cè)通路，光信號(hào)通過光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28進(jìn)入待測(cè)介質(zhì)15中，出射光遇到光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28與待測(cè)介質(zhì)15的分界接觸面，于是部分光被反射回第二光纖耦合器22，形成的光束B1’被第一光電探頭29接收。

另一部分光B2經(jīng)過第三光纖耦合器23進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路，標(biāo)準(zhǔn)校正傳感通路采用固定的單模光纖傳感頭26，進(jìn)入單模光纖傳感頭26的光在傳感頭與空氣的接觸界面被部分反射回第三光纖耦合器23，形成的光束B2’被第二光電探頭30接收。

第二光纖耦合器22除了連接光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28之外，另一條分出的光路上具有一個(gè)第一光纖輸出端口25，第三光纖耦合器23除了連接單模光纖傳感頭26之外，另一條分出的光路上具有一個(gè)第二光纖輸出端口27，優(yōu)選地，為了消除這兩個(gè)光纖輸出端口的回波損耗，采用斜切端口纏繞后處理。

由菲涅爾定律可知，不同折射率分界面對(duì)光有反射作用。當(dāng)光線(記入射光強(qiáng)為I_in)垂直入射時(shí)，反射光強(qiáng)I_r為：

$I_r=I_{in}{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(1\right)$

n_sensor是傳感器探頭的折射率、n_x是待測(cè)介質(zhì)折射率。

在本實(shí)施例中，計(jì)及所涉及的若干光纖耦合器的光功率分配和損耗后，第一光電探頭29接收光強(qiáng)I₁為：

$I_1=I_{r1}\·{\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\β}}_1^{\′}{\mathrm{\β}}_1{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\right)}^2---\left(2\right)$

其中n_sensor和n_x分別為光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28與待測(cè)介15的折射率,β₁、β₁'，β₂、β₂'和β₃、β₃'分別為第二光纖耦合器22、第三光纖耦合器23、第一光纖耦合器21的兩輸出端口分別與同一輸入端口的光強(qiáng)分光比，其中已包含了各自光纖耦合器的附加損耗。

光電探頭30接收光強(qiáng)為：

$I_2=I_{r2}\·{\mathrm{\β}}_2={\mathrm{\β}}_3^{\′}{\mathrm{\β}}_2^{\′}{\mathrm{\β}}_2{I}_0{\left(\frac{n_{sensor}-n_0}{n_{sensor}+n_0}\right)}^2---\left(3\right)$

兩個(gè)光電探頭的光強(qiáng)差為：

$\mathrm{\Δ}I\left(dB\right)=I_1\left(dBm\right)-I_2\left(dBm\right)=10\lg \frac{I_1\left(uW\right)}{I_2\left(uW\right)}---\left(4\right)$

將(2)和(3)式代入(4)式，可以得到：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0})}^2\]---\left(5\right)$

其中為一個(gè)常數(shù)，由各光纖耦合器耦合系數(shù)決定，n_sensor是光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28的折射率、空氣折射率n₀均是已知的常量。

把光纖準(zhǔn)直器傳感探頭28放置于空氣中時(shí)，有n_x＝n₀，于是根據(jù)(5)式可以直接測(cè)量得出常數(shù)

對(duì)于不同鹽密含量的待測(cè)介質(zhì)15，其等效鹽密值不同，對(duì)應(yīng)的等效(平均)折射率n_x也將不同，從(5)式可以得出反射光強(qiáng)差ΔI因而也隨之發(fā)生變化。由此可以測(cè)量出與反射光強(qiáng)差相關(guān)聯(lián)的鹽密參量。

通過(5)式可以知道測(cè)量結(jié)果跟光源光強(qiáng)I₀無關(guān)，即應(yīng)用本發(fā)明第二實(shí)施例提供的鹽密測(cè)量系統(tǒng)不但可以測(cè)量鹽密值，還可以消除環(huán)境變化對(duì)光源造成的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量值的影響。

經(jīng)過測(cè)試，在相同鹽度條件下，采用光纖準(zhǔn)直器傳感探頭和普通光纖傳感頭(例如單模光纖傳感頭)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用光纖準(zhǔn)直器傳感探頭測(cè)量得出的反射光強(qiáng)度是采用普通光纖探頭測(cè)量得出的反射光強(qiáng)度的數(shù)倍，且二者光強(qiáng)差隨著測(cè)量鹽密度的升高而增加。這意味著在相同光源及外界環(huán)境條件下，采用光纖準(zhǔn)直器做傳感探頭能使得鹽密測(cè)量系統(tǒng)在相同環(huán)境噪聲下，回射信號(hào)強(qiáng)度有較大增強(qiáng)，使得系統(tǒng)的有效信噪比有較大提高，從而可以延長(zhǎng)光纖傳感距離。

本發(fā)明第二實(shí)施例提供的鹽密測(cè)量系統(tǒng)200適合用來測(cè)量輸電線路設(shè)備的鹽度，實(shí)用性強(qiáng)，該系統(tǒng)測(cè)量靈敏度較高、操作方便，易于大范圍安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，抗電磁干擾能力強(qiáng)，還具有實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例3

本發(fā)明第三實(shí)施例提供一種應(yīng)用基于光纖準(zhǔn)直器的輸電線路設(shè)備鹽密測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其通過測(cè)量光纖準(zhǔn)直器傳感探頭和待測(cè)介質(zhì)的分界面上物質(zhì)折射率的不同而引起回波損耗變化而測(cè)量待測(cè)介質(zhì)鹽密，包括以下步驟：

步驟S1，將光纖準(zhǔn)直器傳感探頭與待測(cè)介質(zhì)接觸，打開激光器；

步驟S2，測(cè)得第一光電探頭和第二光電探頭的光強(qiáng)差ΔI，并將所述光強(qiáng)差ΔI代入下式：

$\mathrm{\Δ}I=K+10\lg \[{\left(\frac{n_{sensor}-n_x}{n_{sensor}+n_x}\×\frac{n_{sensor}+n_0}{n_{sensor}-n_0}\right)}^2\]$

其中，K為常數(shù)，由所述第一、第二、第三光纖耦合器的耦合系數(shù)決定，n_sensor是所述光纖準(zhǔn)直器傳感探頭的折射率，n₀是空氣折射率，計(jì)算得出n_x以獲取所述待測(cè)介質(zhì)的鹽密。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。