基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统
阅读说明：本技术 基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统 (Optical cable joint box humidity monitoring method and system based on fiber bragg grating ) 是由 李任新 朱一峰 陈保豪 田霖 张承亮 陆国生 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统,一种电力光缆保护方法,所述方法包括在规划的局域内,选定一根待保护电力光缆,并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒；在每个光缆接头盒中均安装一个传感器,局域内的若干个传感器共同形成实时监测组网；若干个传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接,实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后,传输给远程终端；远程终端实时显示传感器在光缆接头盒内监测的数据信息,该方法从根本上解决了因光缆接头盒长期使用后,密封不良,导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部,造成光纤断裂或者光纤损耗进一步增大,从而严重威胁光缆线路的运行安全的问题。(The invention discloses a fiber grating-based optical cable joint box humidity monitoring method and a fiber grating-based optical cable joint box humidity monitoring system, and a power optical cable protection method comprises the steps of selecting an optical power cable to be protected in a planned local area, and installing a plurality of optical cable joint boxes on the optical power cable at equal distances; a sensor is arranged in each optical cable joint box, and a plurality of sensors in a local area form a real-time monitoring networking together; the monitoring network formed by a plurality of sensors is in communication connection with the real-time analysis device through optical fibers, and the real-time analysis device converts signals monitored by the sensors in real time and transmits the converted signals to the remote terminal; the method fundamentally solves the problem that after the optical cable joint box is used for a long time, due to poor sealing, rainwater or moisture enters the power optical cable joint box, so that optical fibers are broken or the loss of the optical fibers is further increased, and the operation safety of an optical cable line is seriously threatened.)
技术领域
本发明涉及一种电力光缆保护方法，具体为基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。
背景技术
在电力光缆运行过程中，屡次出现电力光缆通信损耗增大，影响线路通信质量的情况，严重威胁到电力光缆的正常寿命。经查，主要原因是现有电力光缆接头盒存在着密封不良的情况，导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部，而光纤一旦遇水或者潮气会产生氢损，导致光纤损害增大。更有甚者，光纤如果长期浸水，其表面会受到损伤从而产生裂纹，使得光纤断裂或者光纤损耗进一步增大，严重威胁光缆线路的运行安全。
为此，本领域的技术人员提出了一种基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统，解决了现有电力光缆接头盒存在着密封不良的情况，导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部，而光纤一旦遇水或者潮气会产生氢损，导致光纤损害增大。更有甚者，光纤如果长期浸水，其表面会受到损伤从而产生裂纹，使得光纤断裂或者光纤损耗进一步增大，严重威胁光缆线路的运行安全的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提出了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法，包括如下步骤：
在规划的局域内，选定一根待保护电力光缆，并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒；
在每个光缆接头盒中均安装一个传感器，局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网；
若干个所述传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接，所述实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后，传输给远程终端；
所述远程终端通过内置软件，实时显示所述传感器在所述光缆接头盒内监测的数据信息。
进一步的，所述光缆接头盒包括以及固定连接在上方，且尺寸相适配的，在所述的底端固定连接有，在所述的内部固定安装有，在所述和的内部共同贯穿一根，所述途经的内部，在所述和之间的边缘处分别开设有和，所述和连通，所述和之间设置有，若干组所述传感器均通过所述中的一根光纤芯形成通讯连接结构。
进一步的，在每个光缆接头盒中均安装一个传感器，局域内的若干个所述传感器共同形成实时监测组网的步骤之后，还包括：
所述光缆接头盒中，温度、湿度的变化，会促使FBG的布拉格反射波长和发生漂移，且变化量分别为和，从而计算出温度、湿度变化值，并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿。
进一步的，所述传感器为光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括“T”字形结构的，在所述的外部涂覆一层，且在的内部设有一，在所述中设有用于对温度、湿度敏感的以及仅对温度敏感的，所述的涂覆层为，所述为改性聚酰亚胺湿敏薄膜，所述和串联在一起。
进一步的，利用所述变化量和，计算出温度、湿度变化值的公式如下：
根据耦合模理论，FBG反射波长满足下式：
（1）
式中，为FBG的有效折射率；为FBG的光栅周期；等式右边的第一项为由相对湿度变化量引起的弹光效应和温度变化量引起的热光效应共同作用的结果；第二项为和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
进一步的，由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束，引起FBG1的轴向应变为自由状态下的轴向应变与约束应变之差，由弹性理论可得：
（2）
（3）
式中、、分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量；、分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径；考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应，FBG1的反射波长的相对变化量可表示为：
(4)
式中、分别为光纤有效弹光系数和热光系数；分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数；、分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数；
对于FBG2，由于，，故：
(5)
求解式（4）与式（5），即可获得相对湿度变化值和温度变化值。
第二方面，本发明提出了一种系统，所述系统用于所述基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法，包括：
传感器，设置有若干，用于实时监测光缆接头盒内的湿度数据，并利用光信号对湿度数据进行传输；
分析装置，与若干个所述传感器通讯连接，采集每个所述传感器传输的光信号，并将光信号转换为湿度信号；
工控主机，对所述分析装置采集的湿度信号进行实时处理。
进一步的，所述传感器为光纤光栅湿度传感器，所述分析装置为光纤光栅网络分析仪，所述工控主机为监控计算机。
有益效果
本发明提供了基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法及系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法，通过在每一个光缆接头盒中安装一个传感器，若干个传感器通过光纤通讯形成监测组网，并实时传输给分析装置，分析装置将光信号转化成电信号，再传递给远程终端，远程终端接收数据信息后，进行分析、处理和显示，该方法从根本上解决了因光缆接头盒长期使用后，密封不良，导致雨水或潮气进入电力光缆接头盒内部，造成光纤断裂或者光纤损耗进一步增大，从而严重威胁光缆线路的运行安全的问题。
相应地，本发明提供的一种基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测系统，也同样具有上述技术效果。
附图说明
图1为本发明监测方法的流程框图；
图2为本发明光缆接头盒的结构示意图；
图3为本发明传感器的结构示意图；
图4为本发明监测系统的结构示意图；
图5为本发明设备状态显示界面图；
图6为本发明传感器温度状态显示界面图；
图7为本发明传感器实时数据追踪界面图；
图8为本发明历史记录查询界面图；
图9为本发明设备管理功能界面图；
图10为本发明传感器管理功能界面图；
图11为本发明用户管理功能界面图。
图中：101、盒体；102、盒盖；103、固定支架；104、光单元接续盘；105、光缆；106、防蚁胶注入孔；107、防蚁胶槽；108、密封垫；201、载体；202、PI涂覆层；203、包层；204、光纤布拉格光栅FBG1；205、光纤布拉格光栅FBG2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法，包括如下步骤：
S1、在规划的局域内，选定一根待保护电力光缆，并在电力光缆上等距离安装若干个光缆接头盒；
S2、在每个光缆接头盒中均安装一个传感器，局域内的若干个传感器共同形成实时监测组网；
S3、光缆接头盒中，温度、湿度的变化，会促使FBG的布拉格反射波长和发生漂移，且变化量分别为和，从而计算出温度、湿度变化值，并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿；
利用变化量和，计算出温度、湿度变化值的公式如下：
根据耦合模理论，FBG反射波长 =1，2满足下式：
（1）
式中，为FBG的有效折射率； =1， 2为FBG的光栅周期；等式右边的第一项为由相对湿度变化量引起的弹光效应和温度变化量引起的热光效应共同作用的结果；第二项为和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
更进一步的，由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束，引起FBG1的轴向应变为自由状态下的轴向应变与约束应变之差，由弹性理论可得：
（2）
（3）
式中、、分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量；、分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径；考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应，FBG1的反射波长的相对变化量可表示为：
（4）
式中、分别为光纤有效弹光系数和热光系数；分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数；、分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数；
对于FBG2，由于，，故：
（5）
求解式（4）与式（5），即可获得相对湿度变化值和温度变化值。
S4、若干个传感器所形成的监测组网通过光纤与实时分析装置通讯连接，实时分析装置将各个传感器实时监测的信号转化后，传输给远程终端；
S5、远程终端通过内置软件，实时显示传感器在光缆接头盒内监测的数据信息。
请参阅图2，光缆接头盒包括101以及固定连接在101上方，且尺寸相适配的102，在101的底端固定连接有103，在101的内部固定安装有104，在101和102的内部共同贯穿一根105，105途经104的内部，在101和102之间的边缘处分别开设有106和107，106和107连通，101和102之间设置有108，若干组传感器均通过105中的一根光纤芯形成通讯连接结构。
请参阅图3，传感器为光纤光栅传感器，光纤光栅传感器包括“T”字形结构的201，在201的外部涂覆一层202，且在201的内部设有一203，在203中设有用于对温度、湿度敏感的204以及仅对温度敏感的205，204的涂覆层为202，202为改性聚酰亚胺湿敏薄膜，204和205串联在一起。
请参阅图4，本发明实施例还提供了一种系统，该系统用于上述基于光纤光栅的光缆接头盒湿度监测方法，包括：
传感器3，设置有若干，用于实时监测光缆接头盒内的湿度数据，并利用光信号对湿度数据进行传输；
分析装置4，与若干个传感器3通讯连接，采集每个传感器3传输的光信号，并将光信号转换为湿度信号；
工控主机5，对分析装置4采集的湿度信号进行实时处理。
其中，传感器3为光纤光栅湿度传感器，分析装置4为光纤光栅网络分析仪，工控主机5为监控计算机。
另外，上述系统还涉及软件部分，软件内置安装在工控主机5中，软件的功能界面请参阅图5-11，该套系统搭配软件使用后，软解功能包括：
1、设备状态显示，主要包括设备数量、在线数量、温度传感器数量以及湿度传感器数量；
2、传感器温湿度状态显示，主要包括通道号、实时波长以及物理值；
3、传感器实时数据追踪，可以直观查看温湿度实时变化；
4、历史记录查询，可以查询传感器的历史温湿度值；
5、设备管理功能，可随着业务量上升随时增加设备；
6、传感器管理功能，可随着业务量上升随时配置新传感器；
7、用户管理功能，可对操作用户分配不同的权限。
通过上述软件功能，可以让用户更加快速且有效的通过传感器来实时监测光缆接头盒的内部情况，实时获取数据信息，以便于及时解决，避免造成损失和危害。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。