一種光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器

李 明，趙恩國(guó)，鐘少龍

● （1.中船重工遠(yuǎn)舟（北京）科技有限公司，北京，100861；2.北京昊寧測(cè)控技術(shù)有限公司，北京，100192；3.上海拜安傳感技術(shù)有限公司，上海，201210）

一種光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器

李 明1，趙恩國(guó)2，鐘少龍3

● （1.中船重工遠(yuǎn)舟（北京）科技有限公司，北京，100861；2.北京昊寧測(cè)控技術(shù)有限公司，北京，100192；3.上海拜安傳感技術(shù)有限公司，上海，201210）

本文針對(duì)目前我國(guó)架空輸電導(dǎo)線缺乏有效的測(cè)力儀器設(shè)備的現(xiàn)狀，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器及其在遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性與優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其量程為0KN～300KN，拉力靈敏系數(shù)為0.1488KN/pm，并且光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量與施加給拉力傳感器兩端的拉力成良好的線性關(guān)系。

光纖光柵；拉力傳感器；拉力靈敏系數(shù)

目前，常用的拉力傳感器多為電阻應(yīng)變式拉力傳感器，雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，但是也具有一定的局限性，例如：抗電磁干擾能力和抗雷擊能力較差、傳輸距離不遠(yuǎn)、需要現(xiàn)場(chǎng)供電、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性不好等，因此，這些傳感器不適于應(yīng)用在架空高壓輸電線拉力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。

近十幾年來(lái)，由于光纖光柵傳感技術(shù)的快速發(fā)展，更由于光纖光柵具有不受電磁干擾、抗雷擊、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電、能在易燃易爆環(huán)境中應(yīng)用、長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在拉力測(cè)量領(lǐng)域中受到越來(lái)越多科技工作者的重視。本文提出并成功研制了一種專用于架空輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)用光纖光柵拉力傳感器，其量程為0KN～300KN，拉力靈敏系數(shù)為 0.1488KN/pm，并且光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量與施加給拉力傳感器兩端的拉力成良好的線性關(guān)系。

1 原理

本文提出的光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器結(jié)構(gòu)采用的圓柱狀結(jié)構(gòu)，其傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 光纖光柵拉力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，由左安裝孔、彈性體、右安裝孔等三部分組成傳感器基體，中間彈性體的結(jié)構(gòu)為圓柱狀，左右安裝孔主要用于與U型金具連接，給中間的彈性體施加拉力；將光纖光柵沿著中心軸線方向通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼在彈性體上，用于測(cè)量彈性體受到兩側(cè)拉力而產(chǎn)生的形變。這樣，施加在傳感器基體兩側(cè)的拉力發(fā)生變化時(shí)，使彈性體產(chǎn)生軸向形變，進(jìn)而使光纖光柵受到拉伸或者壓縮，從而引起光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，通過(guò)探測(cè)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量，即可檢測(cè)到待測(cè)拉力的變化信息。

根據(jù)虎克定律，將傳感器基體兩端收到拉力時(shí)，中間彈性體部分表面各點(diǎn)的軸向應(yīng)變是處處相等的，并與所施加給傳感器基體的拉力成線性關(guān)系，其表達(dá)式為[2]：

式（1）中，ε為拉力方向的線應(yīng)變，F(xiàn)為所施加拉力，E為傳感器基體材料的彈性模量，A為彈性體的橫截面積。

研究表明，溫度不變時(shí)，光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量ΔBλ與其軸向應(yīng)變?chǔ)臿x滿足以下線性關(guān)系[3]：

式中，Pe為光纖的有效彈光系數(shù)，Pe=neff2(P12-ν(P11+P12))/2，其中 P11、P12為彈光系數(shù)，ν為光纖泊松比，對(duì)二氧化硅光纖Pe＝0.22。

當(dāng)光纖光柵可靠牢固的粘接在彈性體上時(shí)，彈性體受到兩側(cè)拉力而產(chǎn)生的形變被傳遞給粘貼在彈性體上的光纖光柵，于是，εax=ε。

因此，將公式（1）代入公式（2）可得，該傳感器的光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量與所施加的壓力之間的關(guān)系為：

由公式（3）轉(zhuǎn)換即可得到公式（4）：

若令：

式中，K為該傳感器的拉力靈敏系數(shù)。由式（5）可知：施加給傳感器基體的拉力F與光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)的變化量ΔBλ成線性關(guān)系，因此，可以通過(guò)測(cè)量光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量來(lái)測(cè)量施加給傳感器基體的拉力值。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了有效減小或者消除光纖光柵拉力傳感器兩端拉力不對(duì)稱導(dǎo)致彎矩、扭矩而引起的拉力測(cè)量誤差，在彈性體沿著中心軸線方向上對(duì)稱粘貼了兩支光纖光柵，其中，光纖光柵1的中心反射波長(zhǎng)為1545.698nm；光纖光柵2的中心反射波長(zhǎng)為 1539.756nm。為了模擬架空輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將光纖光柵拉力傳感器兩端串接U型金具，然后將兩個(gè) U型金具裝夾在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的加載端。裝有U型金具的光纖光柵拉力傳感器如圖2所示。

圖2 裝有U型金具的光纖光柵拉力傳感器

光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、光纖光柵拉力傳感器、U型金具、光纖光柵解調(diào)儀等組成，其系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，由材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的上下夾具分別夾住安裝在光纖光柵拉力傳感器兩端的 U型金具連接件，給光纖光柵拉力傳感器施加拉力，使彈性體產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起粘接在彈性體上的光纖光柵的軸向應(yīng)變，引起光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，其波長(zhǎng)移動(dòng)量由光纖光柵解調(diào)儀測(cè)量得到，這樣便可以確定施加給光纖光柵拉力傳感器的拉力與光纖光柵波長(zhǎng)移動(dòng)量之間的關(guān)系。

圖3 光纖光柵架空輸電拉力傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 結(jié)果分析

在0KN～300KN的拉力范圍內(nèi)，材料拉伸試驗(yàn)機(jī)施加給光纖光柵拉力傳感器的拉力從0KN開(kāi)始，每間隔20KN進(jìn)行力保載一次，直至 300KN，分別通過(guò)材料拉伸試驗(yàn)機(jī)和光纖光柵解調(diào)儀讀取并記錄施加拉力值和兩支光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)值，最后，施加拉力返回零值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1中數(shù)據(jù)，可以分別擬合得到光纖光柵1中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量與傳感器所受拉力之間關(guān)系圖，如圖 4所示；光纖光柵2中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量與傳感器所受拉力之間關(guān)系圖，如圖5所示；光纖光柵1和光纖光柵2中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)量的平均值與傳感器所受拉力之間關(guān)系圖，如圖6所示。

圖4 光纖光柵1波長(zhǎng)移動(dòng)量與傳感器所受拉力之間關(guān)系圖

圖5 光纖光柵2波長(zhǎng)移動(dòng)量與傳感器所受拉力之間關(guān)系

圖6 兩支光纖光柵波長(zhǎng)移動(dòng)量的平均值與傳感器所受拉力之間關(guān)系圖

從表1以及圖4、圖5、圖6中可以得出如下結(jié)論：

1)光纖光柵1和光纖光柵2的波長(zhǎng)移動(dòng)量與傳感器所受拉力之間沒(méi)有良好的線性關(guān)系，并且兩者的拉力靈敏系數(shù)也不一致，這主要是由于光纖光柵拉力傳感器通過(guò) U型金具連接件安裝到材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在拉伸過(guò)程中存在彎矩和扭矩，導(dǎo)致彈性體兩側(cè)的光纖光柵受力不均勻?qū)е碌模?/p>

表1 光纖光柵拉力傳感器拉力實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

2)光纖光柵1和光纖光柵2中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量的平均值與傳感器所受拉力之間具有良好的線性關(guān)系，其拉力靈敏系數(shù)為6.72pm/KN，即0.1488KN/pm，因此，通過(guò)在彈性體上對(duì)稱地粘貼的兩支光纖光柵的方案可以消除在拉伸過(guò)程中拉力偏心帶來(lái)的測(cè)量誤差，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜受力環(huán)境下輸電導(dǎo)線拉力的準(zhǔn)確測(cè)量；

3)卸載后，光纖光柵1和光纖光柵2的中心反射波長(zhǎng)均基本回到初值，光纖光柵1的波長(zhǎng)偏差僅為0.1pm，光纖光柵2的波長(zhǎng)偏差也僅為1.1pm，證明該光纖光柵拉力傳感器具有零漂小、重復(fù)性好的優(yōu)良品質(zhì)。

綜上所述，該光纖光柵架空導(dǎo)線拉力傳感器具有較高拉力測(cè)量分辨率、測(cè)量精度以及良好的重復(fù)性，并且通過(guò)對(duì)稱光纖光柵的布設(shè)方案消除了拉伸過(guò)程中彎矩和扭矩帶來(lái)的測(cè)量誤差，完全可以滿足遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)的需求。

3 結(jié)論

本文以我國(guó)遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)的迫切需求為索引，提出并研制的光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器在拉力測(cè)量量程、分辨率、測(cè)量精度方面完全可以滿足遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)的需求。此外，由于該光纖光柵拉力傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾、無(wú)需供電、可準(zhǔn)分布式測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以，非常適用于野外環(huán)境下遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線的拉力監(jiān)測(cè)。

綜上所述，該光纖光柵架空輸電導(dǎo)線拉力傳感器在野外環(huán)境下遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有良好的推廣前景，可以大大提高遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)絡(luò)抵抗自然災(zāi)害的能力，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)、智能電網(wǎng)提供有力的技術(shù)支撐。

[1]蔣興良. 輸電線路覆冰及防護(hù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002.

[2]劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社，1991.

[3]W. W. Morey, G. Meltz, W. H. Glenn. Fiber optic Bragg grating sensors[J]. SPIE, 1989, 1169:98-107.

An OverheadTransmission Conductor Tension Sensor with Fiber Bragg Grating

LI Ming1, ZHAO En-guo2, ZHONG Shao-long3
(1. CSIC Yuanzhou Science & Technology Co., Ltd, Beijing 100861, China; 2. Beijing Hao-Ning Measurement &Control Co., Ltd, Beijing 100192, China; 3. Shanghai BAIANTEK Co., Ltd, Shanghai 201210, China)

At present, the effective measurement equipment for the tension status of overhead transmission conductor is sorely lacking. An overhead transmission conductor tension sensor with fiber Bragg grating is presented and demonstrated in this paper. Its feasibility and superiority in the field of long-distance transmission line tension monitoring applications are verified. The experimental results show that the range is 0KN ～ 300KN and the tension sensitive coefficients is 0.1488 KN/pm. The center-reflecting wavelength shift of fiber Bragg grating also shows a good linearity with the tension applied to the sensor.

fiber Bragg grating; tension sensor; tension sensitive coefficients

TP212

A

0 引言

我國(guó)是架空輸電線路覆冰災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，進(jìn)入新世紀(jì)后輸電線路冰災(zāi)事故的發(fā)生頻率明顯增加、遭受損失更趨嚴(yán)重。導(dǎo)致線路舞動(dòng)的覆冰一般較薄，舞動(dòng)會(huì)造成閃絡(luò)跳閘，以及導(dǎo)線、金具、絕緣子損壞，甚至桿塔倒塌等嚴(yán)重的機(jī)械損壞[1]。當(dāng)線路覆冰超出設(shè)計(jì)冰厚時(shí)，重冰會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械、電氣故障，如：冰閃、相間及相對(duì)地閃絡(luò)；重冰過(guò)載會(huì)使得導(dǎo)地線斷線、金具及絕緣子破損斷裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成桿塔損壞，甚至倒塌。對(duì)架空輸電導(dǎo)線的拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線應(yīng)力結(jié)構(gòu)變形安全狀態(tài)和導(dǎo)線覆冰厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要方法之一，因此，研制一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)架空輸電導(dǎo)線拉力的傳感儀器是非常必要的。

李明（1964-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣。