光纤测温技术在智能变压器中的应用
孟祥庆
摘 要 信息系统与我们的生产生活越来越密切，人们对信息设备安全稳定运行的要求也不断提高，而合理的机房温度是设备稳定运行的先决条件，因此如何实时掌握机房和设备的温度也成为网络管理者们倍加关注的问题。文章对利用光纤光栅测温技术建设的信息机房温度监测自动报警系统进行了阐述。
关键词 光纤光栅测温；单片机传感器；GSM远程报警
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）211-0082-02
随着信息化技术的不断发展和《中华人民共和国网络安全法》的立法，信息化受到越来越多的关注，信息机房也成为信息安全和网络安全的重要节点。网络设备尤其是交换机、路由器、服务器等设备对机房的温度有较高要求，机房散热不畅或设备温度过高都将造成设备运行不稳定，性能下降，严重时还可导致设备异常关机，造成数据丢失、网络瘫痪、设备损坏等不可挽回的损失。每年全国各地都会发生信息机房因温度过高造成数据丢失、设备损坏的事故。这让政府和企事业单位遭受到了重大的经济损失，造成了严重的社会影响。所以环境温度过高、设备过热一直是企事业单位管理者和网络管理员们担心的问题。
大型信息机房一般使用中央空调进行降温，但小型企事业单位安装中央空调成本过高，只能安装普通空调，另外信息机房如果建设在大型写字楼的楼层中间位置，散热问题将更加复杂。现阶段信息机房一般通过摄像头实现机房环境的远程在线查看，通过网管软件对设备运行状态进行远程监控，但对于信息机房温度预警系统确一直没有良好的监控手段。
1 温度监测及报警系统市场
目前环境测温一般采用红外线测温或者光纤测温。随着光纤成本的降低和技术的普及，光纤依靠它抗电磁干扰、传输损耗低、抗腐蚀和体积轻巧等优点，在工程技术领域得到广泛应用，光纤光栅测温[ 1 ]也逐步取代红外线测温。报警系统主要采用红外声光报警、ZigBee报警、WiFi智能报警、GSM报警，GSM远程报警凭借其稳定性和经济性占领主流市场。
2 系统组成
信息机房温度监测自动报警系统采用光纤光栅测温技术对机房温度和设备温度进行实时多点信息采集，通过光纤光栅传感器将温度信号传递给工控机，当温度过高时工控机开启音箱报警，工作时间值班人员能及时发现异态并做出处理，同时工控机与单片机连接，单片机将过温信号传递给GSM报警模块，实现对过温信息的及时拨打预警电话或发送短消息。
本系统主要由光纤光栅测温模块、监控模块、GSM报警模块3部分组成，其中光纤光栅测温模块由光纤光栅传感器、传输光缆、光纤光栅测温仪组成，监控模块主要是通过工控机对温度状态实时查看，GSM报警模块由单片机和GSM通讯模块组成。
2.1 光纤光栅测温模块
光纤测温技术能够做到对环境温度和设备的多点在线实时监测，系统通过测量设备上的实时数据和预设值进行比对，来防止温度过高的事故发生，真正做到提前预警，防患于未然。
光纤测温技术彻底地解决了设备的实时监测，数据分析，故障预测等问题，实现了信息化设备的在线、实时、多点监测，做到了预防为主，监防并重。为信息化设备安全稳定运行，提供了有力保障。
光纤光栅利用了光纤材料对光的敏感性：即入射光对光纤照射而引起光纤的折射率发生了永久性的变化，用紫外曝光法在单模光纤（SMF）的纖芯内部形成的相位光栅，它的本质就是在光的滤波器，从入射光中选取需要的光波分量。加工后的光纤光栅相当于在光纤的内部形成了一段长度为10mm左右的敏感区，这段敏感区可以准确的监测到温度的变化。
光纤光栅温度传感器是温度监测的核心部分，其温度敏感元件是光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）。光纤布拉格光栅是利用掺杂光纤的光折变效应，通过紫外光照射工艺使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿光纤轴向发生永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅，如图3所示，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，只有满足Bragg条件波长的光才能反射回来，其余波长的光可以无损耗的透过。光纤布拉格光栅的反射中心波长λB随折射率neff和光栅周期Λ的改变而改变：λB=2neff Λ。
当外界温度变化时，热膨胀效应会引起光栅周期Λ变化，热光效应也会引起折射率neff变化，中心波长与温度的关系：？λB /λB=（α+ζ） ？T
式中，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数。通常，在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/℃。
光纤光栅传感器安装在被测点表面，实现信号的多点实时采集；光缆把信号传输到光纤光栅测温仪。光纤光栅测温仪经过分析后通过以太网口向工控机传送信号，工控机实施数据的记录和比对处理，发现异态及时报警。
本系统采用SAS-B 型光纤光栅测温仪进行光信号解调，SAS-B型光纤光栅测温仪性能强、可靠性高，可用于强电磁场环境下的光纤信号解调，可用于建筑物内和设备及线缆的多点温度检测。该系列解调仪可扩容性好，一台主机可从四路扩充到十六路，甚至更多。
2.2 GSM报警模块
本系统将光纤光栅测温仪接入工控机，工控机外置音箱可以在温度过高时及时报警，令机房值班人员及时发现故障。工控机连接STC89LE516RD单片机，单片机和GSM通讯模块之间采用AT指令实现互相之间的通信，单片机接收到光纤光栅传感器的温度过高信号后，通过GSM通信模块拨打预存在单片机存储器内部的电话号码或发短信，这样网络管理人员就能随时获取机房和设备过温预警信息。
GSM报警模块中的通信模块采用的是SIMGOM公司推出的SIM800A模块，GSM800A是一款高性能工业级GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM900和DCS1800MHz。SIM800A具有标准AT命令接口，可以低功耗实现语音、短信、GPRS数据的传输。报警模块采用USB直接供电。该模块自带SIM卡槽，插入移动或联通SIM卡后通过，通过AT命令将网络管理人员手机号码存入电话簿，在温度超过警报阈值后及时拨打电话或发送短消息到预设号码。模块支持RS232串口和TTL串口通信，支持3.4V～4.4V的电压工作范围。
系統进行初始化后执行自检，如果系统发生错误则自动重启，首次设定机房和设备各个监测点的正常温度值范围，并给定报警阈值，然后对采样点进行温度采样，对超出温度报警阈值的启动GSM自动拨打电话或发短消息报警（为防止误报情况发生，系统对超温采集点进行连续三次数据采集确认为过温故障后再进行报警）。
3 系统特点
1）光纤光栅温度传感器安全可靠，前端监测部件无需供电，因此不受电磁干扰。传感器表面使用新型绝缘材料进行封装，光纤光栅测温仪也采用高质量的光通信器件，确保整个系统稳定可靠。
2）本系统可实现实时温度多点在线不间断监测，并且具有温度预警和报警功能，系统发现过温现象，进行多次测量比对，保证了整个测温系统的精度和准确性，同时还备快速响应时间，完全可以满足工程测温精度的要求。
3）本系统可以与工业自动控制系统、安防监控系统、消防报警等系统集成对接，融为功能更加强大的综合系统，可与局域网、广域网、专网连接，实现数据共享，管理简捷。
4 结论
信息机房温度监测自动报警系统使用目前较为先进的光纤光栅测温技术实现对信息机房的温度状态远程监控预警。系统设计合理，施工方便，建设成本和维护成本均较低，很好的解决了由机房和设备温度过高引起的一系列故障和隐患，光纤测温自动报警技术还可以应用在电力、医疗、银行、安防监控、智慧家庭等领域。希望本文能对各个领域工程技术人员有所启迪。
参考文献
[1]邹墨.光纤测温技术在电力系统中的应用[D].福州：福州大学，2013.
[2]常旭东.基于GSM短消息的远程报警和控制系统[J].江西科学，2006，24（2）：191-200.
