基于光纤传感技术的输电杆塔倾斜传感器研究

基于光纤传感技术的输电杆塔倾斜传感器研究
杨俊;张长胜;梁仕斌;张少泉;陈晓云
【摘要】针对输电杆塔的监测研究了一种基于光纤布拉格传感技术的倾角传感器,该传感器内固定有一根等强度悬臂梁,在悬臂梁两侧各粘有一个光纤布拉格光栅(FBG),在其自由端挂有一重物.当传感器倾斜时,重物带动等强度自由端重物产生挠度,使传感器的中心波长发生变化,通过监测中心波长来达到监测杆塔倾斜的目的.实验表明:该光纤布拉格光栅倾角传感器的灵敏度为0.3172nm/°,线性度为1.030％FS,迟滞性误差为0.364％FS,具有零点漂移小的特点.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2018(045)009
【总页数】4页(P683-686)
【关键词】光纤布拉格光栅;倾角传感器;等强度悬臂梁;输电铁塔;静态性能
【作者】杨俊;张长胜;梁仕斌;张少泉;陈晓云
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院;云南电网公司研究生工作站;云南电力试验研究院(集团)有限公司;昆明理工大学信息工程与自动化学院;云南电力试验研究院(集团)有限公司;云南电网公司研究生工作站;云南电网公司研究生工作站
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.1
输电线路是电力系统稳定运行的基础，随着国家经济的发展，输电线路也越来越庞大和复杂，一旦输电杆塔发生事故，不仅将会造成电力系统的不稳定运行，而且当输电杆塔倾斜度过大时会造成意外坍塌，严重时甚至毁坏房屋和危及人民的人身安全[1,2]。

输电线路覆冰或大雪使得输电杆塔两侧受力不均匀，发生杆塔倾斜甚至发生倒塌[3,4]；地下矿床的过度开采导致地基不稳也会造成杆塔的倾斜[5]。

因此加强对输电线路杆塔倾斜的监测对电力系统的稳定安全运行具有重大的意义。

渠海荣和史丽萍使用一种基于牛顿第二定律的加速度传感器的输出电压来确定杆塔倾斜状况[6]。

王德贺和甘凤林使用应变传感器对输电杆塔倾斜进行实验分析，通过监测杆塔本身的应变来判断杆塔是否处于安全状态[7]。

普通的电子测量传感器存在零点漂移、非线性及蠕动等特性，并且容易受到输电线路周围的强电磁环境干扰，使得测量结果不精确[8]。

光纤布拉格光栅(FBG)抗电磁干扰能力强，无需现场供电，使用寿命长，适合在野外恶劣的环境下工作[9]。

笔者研究了一种基于光纤传感技术的倾角传感器，该传感器在封装内固有一根等强度悬臂梁，在悬臂梁的自由端挂有一重物，悬臂梁两侧分别粘有一个FBG。

当传感器发生倾斜时，等强度悬臂梁自由端会被重物带动，因此在等强度悬臂梁自由端产生挠度，使光纤布拉格光栅倾角传感器的中心波长发生变化，光纤解调仪将传感器的波长变化传输到上位机以达到监测输电杆塔倾斜程度的目的。

1 光纤布拉格光栅倾角传感器测量原理
光纤布拉格光栅倾角传感器由外壳、等强度悬臂梁、FBG、限位螺杆及光纤等组成(图1)。

在封装结构中固定一根等强度悬臂杆，在杆的自由端固定一重物，在悬臂杆中段的两侧贴有光纤光栅，光纤光栅可以监测悬臂梁局部的应变。

整体封装结构与需要测量的结构紧密连接。

悬臂两侧
图1 光纤布拉格光栅倾角传感器结构
的FBG通过光纤与解调仪连接。

当倾角为0°时，等强度悬臂梁处于竖直状态；当倾角发生变化时，由于重物原因导致等强度悬臂梁的自由端产生挠度，引起等强度悬臂梁两侧的FBG的中心波长发生变化。

光纤布拉格光栅倾角传感器采用双光栅的方式，实际运行中由于两个光栅分别位于梁的两面，其波长变化相反，当一个增加时另一个减小，所以两个光栅的波长差就可以反映出被测面倾斜角度的大小，其数值相对于初始波长差的正负表征了被测结构是向左还是向右的倾斜(一维)，这种双光栅的方式还能增加传感器的灵敏度。

当被测结构发生倾斜时，倾角传感器中的重物发生转动。

对重物进行受力分析，重物受摆拉力和重力作用，其合外力F为：
F=mgsinθ
(1)
式中 g——重力加速度；
m——重物的质量；
θ——传感器发生倾斜时的角度。

等强度悬臂梁轴向应变ε为：
(2)
式中 h——等强度悬臂梁的厚度；
L——等强度悬臂梁的长度；
Δd——等强度悬臂梁自由端产生的挠度。

当传感器发生倾斜时，等强度悬臂梁自由端产生的挠度满足：
(3)
式中 b——等强度悬臂梁底端的宽度；
E——等强度悬臂梁的弹性模量。

当传感器发生倾斜时，FBG波长的变化满足：
Δλ1=(α1ε+αT1ΔT)λ1
(4)
式中α1——光纤光栅的应变灵敏系数；
αT1——光纤光栅的温度灵敏系数；
λ1——第1个光栅的中心波长；
Δλ1——第1个光栅的中心波长变化量；
ΔT——倾斜时温度的变化量。

由于两根光栅的中心波长相差非常小，在处理过程中可以认为两根光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数相等，而两根光栅在传感器中距离较近，可以近似认为两个光栅温度变化量相同，两个光栅分布在等强度悬臂梁两侧，产生的轴向应变数值相等，符号相反，所以第2个光栅的波长满足：
Δλ2=(-α1ε+αT1ΔT)λ2
(5)
根据以上公式可以得：
(6)
由式(6)可知，当FBG倾角传感器发生倾斜时，通过监测传感器内的两根光栅的中心波长就可以监测输电杆塔的倾斜角度。

2 光纤布拉格光栅倾角测量系统
光纤布拉格光栅倾角测量系统主要由工控机、光纤解调仪、光纤跳线、数字角度水准仪及大理石精密隔振平台等组成。

光纤布拉格光栅角度测量系统的原理是，当光纤布拉格光栅倾角传感器倾斜时，角度的变化会引起传感器内部的重物摆动，使得
等强度悬臂梁两侧的FBG波长发生变化，光纤解调仪内的ASE宽带光源发出宽带光，布拉格光栅的窄带滤波作用会将与中心波长相同的光波反射回光纤解调仪，解调仪将解调后的波长传输到上位机，上位机将波长值经过数学模型计算得出倾角值，以达到光纤光栅倾角测量系统测量倾角的目的。

实验步骤如下：
a.使用水平仪将整个实验平台调整至水平，将光纤布拉格光栅倾角传感器放置于数字角度水准仪，调整至0°，并观察工控机界面两根光栅的波长；
b.使用数字角度水准仪逐步改变角度，在上位机上观察两根光栅的波长值。

3 实验结果分析
本次实验记录倾角值从下降过程的0°到-5.2°和上升过程的0°到5.2°的光栅波长值，实验中保持每个监测点5min的时间。

将实验数据绘制成倾角值θ和波长变化量Δλ的正反行程特性曲线与拟合曲线，如图2、3所示。

可以看出，光纤布拉格光栅倾角传感器倾角与波长差几乎成线性关系，说明拟合程度很好。

正行程的拟合直线为y=0.3173x-0.0007，其中拟合直线的斜率0.317 3nm/°为光纤布拉格光栅倾角传感器正行程的灵敏度。

反行程的拟
合直线为y=0.3172x-0.0019，其中0.317 2nm/°为光纤布拉格光栅倾角传感器反行程的灵敏度，即传感器的正反行程灵敏度分别为0.317 3、0.317 2nm/°。

图2 正行程特性曲线
图3 反行程特性曲线
光纤布拉格光栅倾角传感器校准曲线和拟合直线最大偏差ΔLmax与满量程输出百分比称为线性度[10]。

从图2、3可以看出倾角传感器在实验中正行程的最大偏差
值为0.036nm，反行程的最大偏差为0.034nm，因此传感器的正反行程线性度分别为：
(7)
(8)
迟滞特性是指传感器在测量范围内，正行程与反行程中的输入与输出特性不重合的程度[11]。

在图2、3中，光纤布拉格光栅倾角传感器正反行程最大偏差为
0.012nm，所以迟滞误差为：
(9)
由静态性能得，光纤布拉格光栅倾角传感器实验最大偏差为0.036nm，即0.12°。

在传感器的实验中，传感器在正反行程中每次到达0°，观察两个光栅的中心波长
可知，该传感器的中心波长基本回到初始值，波长偏差为0.030nm，说明该光纤
布拉格光栅倾角传感器具有零点漂移小的好品质。

4 挂网试运行
光纤布拉格光栅倾角传感器已于2017年10月在云南昭通市某110kV输电杆塔上进行挂网实验。

进行杆塔倾斜角度测量时，将4只倾角传感器以两两正交方式分
别固定于杆塔顶端位置和杆塔2/3平台处。

传感器安装完成后，使用不锈钢扎带
将传感器的尾纤捆绑在杆塔上。

该杆塔2017年11月的变化数据如图4所示。

电网可以根据这些数据分析杆塔的健康状况，从而对输电杆塔进行保护，提高整个电力系统的稳定性。

图4 输电杆塔倾角监测数据
5 结束语
由于输电杆塔的倾斜会影响电力系统的稳定安全，因此笔者研究了一种基于光纤布拉格光栅传感技术的倾角传感器，设计了该传感器的结构，通过该结构的受力变化推算出杆塔的倾角变化。

对该传感器进行了实验和挂网验证，结果表明：传感器的各项性能较好，能提高电力系统的运行稳定性。

参考文献
[1] 陈怡.电力设施保护工作的现状与建议[J].广西电业,2005，7(3):37～39.
[2] 何锃，赵高煜，李上明.大跨越分裂导线的静力求解[J].中国电机工程学报，2001，21(11)：34～37.
[3] 黄新波,李弘博,朱永灿,等.基于时间序列分析与卡尔曼滤波的输电线路覆冰短期预测[J].高电压技术,2017,43(6):1943～1949.
[4] 黄新波，刘家兵，蔡伟，等.电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状[J].电网技术，2008，32(4)：23～28.
[5] 李虎威，李升来，李慧.电力杆塔倾斜预警装置的设计与研究[J].广东电力，2011，24(2)：56～59.
[6] 渠海蓉，史丽萍. 基于电力杆塔远程倾斜监测的设计[J].淮海工学院学报(自然科学版)，2015，24(2)：40～43.
[7] 王德贺，甘凤林. 传感器在预警输电铁塔倾斜应用中的试验分析[J].电网与清洁能源，2014，30(3)：69～72.
[8] 宋继明，宋华松，汪以文，等.特殊地形下杆塔斜率的测量方法[J].电网技术，2010，34(12)：219～222.
[9] 罗建斌，郝艳捧，叶青，等.利用光纤光栅传感器测量输电线路覆冰荷载试验[J].高电压技术，2014，40(2)：405～412.
[10] 李川，李英娜，万舟，等.光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2012.
[11] 王宏亮，宋娟，李明，等.降低迟滞性误差的光纤光栅传感器的研究[J].光电技术运用，2010，25(4)：50～53.。