劉　嘉，閔　力，王　蒙，趙慶超

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東濟(jì)南　250103)

0　引言

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)控制的根本目標(biāo)和進(jìn)行電力市場交易的重要保障。電力系統(tǒng)發(fā)生事故原因中有相當(dāng)一部分與過熱問題有關(guān)，因此電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測問題己經(jīng)成為電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備安全運(yùn)行所急需解決的實(shí)際問題，是提高電氣設(shè)備可靠性的迫切需要，對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

電力系統(tǒng)的測溫環(huán)境具有高電壓、大電流、強(qiáng)電磁干擾和空間狹小等特點(diǎn)，這就需要溫度傳感器具有可靠性高、絕緣性能好、抗電磁干擾、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)。光纖式溫度在線監(jiān)測裝置，一般是采用光纖傳導(dǎo)信號(hào)，不受高壓和電磁場的干擾，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測溫。

2　工作原理

DFB激光器具有一種特性，在其驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，激光器溫度與發(fā)出的激光信號(hào)的波長有一定的比例關(guān)系。該光纖光柵解調(diào)儀就是利用 DFB激光器的這種特性，通過控制DFB激光器驅(qū)動(dòng)電路的掃描電壓，改變激光器的溫度，從而在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定波長的激光信號(hào)，將此信號(hào)送給光纖光柵傳感器，然后再通過單片機(jī)對光纖傳感器的反射光信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，獲得傳感器反射信號(hào)的波長變化數(shù)據(jù)，解調(diào)出傳感器感應(yīng)的物理量變化值。

解調(diào)儀的光路原理圖見圖1。

圖1　光路原理圖

驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng) DFB光源發(fā)出規(guī)定范圍波長的光信號(hào)，經(jīng)光耦合器傳到光纖傳感器，傳感器返回與測量物理量相對應(yīng)波長的光信號(hào) ，再經(jīng)光耦合器送到光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集處理電路進(jìn)行處理計(jì)算出波長值。光纖光柵溫度傳感器受溫度變化引起的發(fā)射波長的移動(dòng)可表示為：

式中：ξ為光纖的熱光系數(shù)，描述光纖折射率隨溫度的變化；α為光纖的熱膨脹系數(shù)，描述光柵的柵距隨溫度發(fā)生的變化。

從式中可以看出，Δλ與ΔT之間呈線性關(guān)系，通過測量光纖光柵反射波長的移動(dòng)，便可以確定溫度T.

在系統(tǒng)中，用上升的掃描電壓控制激光器的溫度，激光器在不同的溫度下將產(chǎn)生不同波長的光信號(hào)。光纖光柵傳感器在一定的環(huán)境溫度T中，僅僅對一種波長的光反射最強(qiáng)。光的波長用λ表示，這樣我們就可以建立一個(gè)溫度和波長的對應(yīng)關(guān)系式T=f(λ)，只要知道了波長，就能計(jì)算出傳感器所測得溫度。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，系統(tǒng)主要由以STM32F107VCT6為控制中心的主控板、DFB激光器電路、1分16光耦合器多個(gè)光纖光柵傳感器、光電轉(zhuǎn)換電路和上位機(jī)組成。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控板是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，“指揮”著其他各個(gè)部分的正常運(yùn)行。DFB激光器在驅(qū)動(dòng)電路的作用下將產(chǎn)生一定范圍波長的光源。1分16光耦合器負(fù)責(zé)將一路光源分為16路，供多個(gè)光纖光柵傳感器使用。光纖光柵傳感器用于直接測量溫度，在不同的溫度環(huán)境中，傳感器將反射不同波長的光。光電轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)進(jìn)行放大處理。上位機(jī)是主要的人機(jī)交互接口，主控板通過RS485或RS232通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。操作人員不但可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控多路傳感器測量的溫度，而且可以通過上位機(jī)設(shè)置解調(diào)儀的各項(xiàng)參數(shù)。

主控板是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要的功能有：產(chǎn)生掃描電壓，采集由多路傳感器反射光轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算，控制LCD顯示，與上位機(jī)通信。具體組成部分如圖3所示。

圖3　主控板結(jié)構(gòu)框圖

圖中的DA輸出用的是STM32F107VCT6自帶的12為DA輸出，DA輸出負(fù)責(zé)給DFB激光器板產(chǎn)生掃描電壓。

AD7606是16位，8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集DAS．AD7606完全滿足電力系統(tǒng)的要求，具有靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。它采用5V單電源供電，可以處理±10 V或±5 V真雙極性輸入信號(hào)、同時(shí)所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐率采樣。AD7606集成16位雙極性同步采樣SAR ADC和片內(nèi)過壓保護(hù)功能，可簡化信號(hào)調(diào)理電路，并減少器件數(shù)量、電路板面積和測量保護(hù)板的成本。高集成度使得每個(gè)AD7606 只需 9 個(gè)低值陶瓷去耦電容就能工作。

STM32F107VCT6本身也具有AD接口，但是此芯片本身AD芯片是12位的，而且AD接口較少。而且AD7606支持多片并聯(lián)到單片機(jī)上，公用大部分?jǐn)?shù)據(jù)管腳。單片機(jī)只需要兩個(gè)不同的管腳接到不同的AD7606上，就可以達(dá)到區(qū)分控制多片AD7606的目的。在內(nèi)置多個(gè)AD7606 器件的系統(tǒng)中，為確保器件之間的性能匹配良好，這些器件在PCB上必須采用對稱布局。對于要求出色絕對精度的高通道數(shù)應(yīng)用，AD7606需要使用外部精密基準(zhǔn)電壓源ADR421，它具有高精度(B級：最大值±1 mV)、低漂移(B級：最大值 3 ppm/℃)、低噪聲(典型值 1.75 μV p-p，0.1～10 Hz)等特性。低噪聲及出色的穩(wěn)定性和精度特性使得ADR421非常適合高精度轉(zhuǎn)換應(yīng)用。這樣的設(shè)計(jì)能夠提高系統(tǒng)的集成度、通道密度和精度。

4　軟件設(shè)計(jì)

如圖4是主控板程序的主要流程圖。主控板有2個(gè)大循環(huán)。

圖4　主控板程序流程圖

第一個(gè)大循環(huán)是STM32F107VCT6控制DA輸出產(chǎn)生逐漸上升的掃描電壓驅(qū)動(dòng)激光器，每次使掃描電壓增加VREF·(1/4096)，然后單片機(jī)通過AD7606采集每一路傳感器的電信號(hào)，然后再讓掃描電壓增加VREF·(1/4096)，如此循環(huán)下去。當(dāng)掃描電壓達(dá)到頂峰時(shí)，讓掃描電壓急速下降到初始值。這樣就會(huì)產(chǎn)生如圖5示波器的顯示截圖。

圖5　掃描電壓示波器圖

圖5中的三角波是掃描電壓，圖中的“幾”字形，也就是被削頂?shù)牟ㄐ问菍?yīng)的采集到的其中一路傳感器的反射光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)。這里有兩點(diǎn)需要說明：第一，在掃描電壓急速下降的過程中，激光器的波長也會(huì)改變，所以也會(huì)有一個(gè)被削頂?shù)牟ㄐ纬霈F(xiàn)，但是由于整個(gè)系統(tǒng)溫度控制造成的延遲，這個(gè)波形很能出現(xiàn)在掃描電壓的上升沿上。為了只在上升沿上采集波形，因此掃描電壓的下降時(shí)間不能過短；第二，是否是削頂波形，完全是由光電轉(zhuǎn)化電路的放大倍數(shù)決定的。當(dāng)放大倍數(shù)大到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)削頂波形，被削頂?shù)牟糠志褪浅龉怆娹D(zhuǎn)換電路供電電壓的部分。

前面已經(jīng)說了，傳感器反射的光的波長與傳感器是有一種對應(yīng)關(guān)系T=f(λ)。反射光的波長很難通過簡單的電路來測出具體的量值，但是驅(qū)動(dòng)激光器的DA輸出掃描電壓的具體數(shù)值我們是知道的。將STM32的DA輸出的12位數(shù)字代碼稱為步長值L，在不同的步長值對應(yīng)激光器產(chǎn)生不同波長的光。這樣就可以建立波長和步長的關(guān)系式。由T=f(λ)和λ=f(L)可以得到溫度和步長的關(guān)系式T=f(L)，確定了步長L，就可以計(jì)算出傳感器的溫度T．

無論是削頂波形還是尖頂波形，都是有最大值的，只是削頂波形的最大值被削掉了，波形的最大值對應(yīng)的DA輸出的值也是就是此時(shí)傳感器測出的溫度對應(yīng)的步長值。之所以將反射光的電信號(hào)放大為削頂波形，完全是為了提高更穩(wěn)定的中心步長值。通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，如果單純的測量尖頂波形的最大值，由于波形上毛刺的存在，每次測出的中心步長值往往相差較大；使用削頂?shù)牟ㄐ?，通過獲取削頂波形的接近頂端的上升沿和下降沿的點(diǎn)來計(jì)算出中心點(diǎn)，通過長時(shí)間測試，這種方法更穩(wěn)定。AD7606與單片機(jī)有3種通信模式：串口通信模式、并口通信模式和并行字節(jié)接口模式。其中，并口通信模式雖然占用單片機(jī)管腳較多，但是通信速度最快?？紤]到STM32F107VCT6的GPIO管腳較多，選用并口通信模式，以提高讀取速度。當(dāng)多片AD7606用并口通信方式并聯(lián)到同一片STM32F107VCT6上時(shí)，絕大多數(shù)管腳的連接方式都是一樣的，不同的AD7606只有片選CS和輸出繁忙BUSY這兩個(gè)管腳需要接到不同的GPIO管腳上。所以用這種并口通信方式多片AD7606并聯(lián)的方法，每多一片AD7606只需多占用2個(gè)GPIO管腳。從這里也可以看出AD7606使用方便這一大優(yōu)點(diǎn)。

以2片AD7606使用上述方法并聯(lián)為例，其讀取數(shù)據(jù)的過程與單片AD7606大體相同，讓2片AD7606同時(shí)開始轉(zhuǎn)換，也就是2片AD7606的16路模擬輸入同時(shí)采集模擬電壓。不同的地方在于：要等待2個(gè)BUSY都為低之后才能讀取數(shù)據(jù)。具體讀取數(shù)據(jù)的過程為：首先僅僅使能第一片，讓第二片無效，讀取前8路數(shù)據(jù)，然后再使能第二片讓第一片無效讀取后8路數(shù)據(jù)。

圖4主控板程序中第二個(gè)大循環(huán)是用于處理從上位機(jī)接收的命令的。通過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所測溫度和步長L之間的關(guān)鍵系用二次多項(xiàng)式T=a·L+b·L+c來描述較為準(zhǔn)確。需要將每一路的二次多項(xiàng)式參數(shù)a、b、c存入Flash中，以便系統(tǒng)在由步長計(jì)算溫度的過程中使用。每一路傳感器的參數(shù)a、b、c都需要通過實(shí)驗(yàn)得到。從上位機(jī)接收的命令絕大多數(shù)是用作將這些參數(shù)寫入Flash．

5　結(jié)果

為了得到二次多項(xiàng)式T=a·L+b·L+c中的3個(gè)參數(shù)，將多個(gè)傳感器放入恒溫水槽中進(jìn)行測試，并保持DFB機(jī)關(guān)器所在的環(huán)境溫度恒定。將恒溫水槽的溫度設(shè)置為一定的溫度，待溫度恒定后，記錄每一路傳感器的步長和恒溫水槽的實(shí)際溫度。然后改變恒溫水槽溫度重復(fù)上述過程。比如，在實(shí)際試驗(yàn)中，將起始溫度設(shè)為30℃，然后每上升10℃記錄一次數(shù)據(jù)，一直上升到80℃。將所有的數(shù)據(jù)輸入Excel文件中，把步長作為Y軸溫度作為X軸生成XY散點(diǎn)圖，并根據(jù)這些散點(diǎn)生成趨勢線。如圖6所示為第四、五、六路傳感器的趨勢線。R平方值是趨勢線擬合程度的指標(biāo)，它的數(shù)值的大小可以反映趨勢線估計(jì)值與對應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高說明趨勢線可靠性就越高。從圖6可以看出三路傳感器步長溫度關(guān)系曲線非常接近，而且R2均大于0.99996，說明趨勢線公式可以很好的反映出步長和溫度的關(guān)系。

圖6　傳感器的趨勢線

雖然有了步長和溫度的二次多項(xiàng)式T=a·L+b·L+c可以計(jì)算出溫度，但是通過測試系統(tǒng)測出的溫度與實(shí)際溫度還是有一定偏差，尤其是在DFB激光器所在溫度環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)。這是由于激光器受環(huán)境溫度變化影響，所發(fā)出的激光的起始波長發(fā)生變化造成的。所以，為了提高測溫的精度，系統(tǒng)還需要一路傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)，稱這路傳感器為補(bǔ)償路。補(bǔ)償路的傳感器始終測量乙炔氣室的反射光的步長，傳感器始終測量乙炔氣室的反射光的波長是不隨環(huán)境溫度變化的。記錄下在標(biāo)準(zhǔn)溫度下乙炔氣室的反射光的步長L0，如果在另外一個(gè)環(huán)境溫度中測出乙炔氣室的反射光的步長不為L0，假如為L1，那就說明環(huán)境溫度對DFB激光器造成了影響，使激光器發(fā)出的激光的起始波長發(fā)生了變化，需要其他所有傳感器的不長減去(L1-L0)，然后在代入標(biāo)準(zhǔn)溫度下的T=a·L+b·L+c得出溫度。

6　結(jié)束語

系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是不必使用價(jià)格高昂的PCI模擬電路采集卡，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本大幅度降低。通過大量試驗(yàn)測試證明，系統(tǒng)的測溫范圍為0～200℃，測溫精度在0.5℃以內(nèi)，完全符合電力設(shè)備溫度監(jiān)控的要求，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王哲，魏玉賓，李淑娟，等．基于C8051F410單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀集成傳感器應(yīng)用．山東科學(xué)，2008，21(6)：68-71．