输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
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光纤光栅具有抗电磁干扰能力强、无需现场 供电、测量距离广、使用寿命长以及能在恶劣环境 下运行等特点，光纤 Bragg 光栅传感器开始运用 到线路覆冰监测。黄新波等设计了 3 组拉力传感 器和倾角传感器实现了全面准确监测输电线路覆 冰情况的目标［7］。罗健斌等利用光纤光栅传感器 进行输电线路覆冰试验，在运行期间表现出很高 的可靠性［8］。
d． 当 拉 力 机 施 加 的 拉 力 到 达 量 程 的 80% 时，设置相同的检测点，使拉力机逐渐递减压力到 每个检测点直至 0，递减实验中每个检测点保持 3min 并记录拉力值和中心波长。 2 FBG 拉力传感器实验数据分析
实验 中，拉 力 机 从 0 到 传 感 器 最 大 量 程 的 20% 、40% 、60% 、80% 施加荷载，再从最大量程的 80% 开始减小荷载直至到 0。当室内温度在 25℃ 时，测得 FBG 拉力传感器正反行程的拉力值与光 栅中心波长的数据，绘制实验所得该光纤 Bragg 光栅拉力传感器的拉力值与之相对应的波长正行 程和反行程特性曲线，拟合曲线如图 2、3 所示。
131
联立式（1） 、（2） 可得：
ΔT = T1 － T0
（3）
ΔT
=
（ q1
+
q2 ） （ S1
+ 2
S2 ）
（4）
因此，通过安装杆塔导线悬挂点的拉力传感
器和倾角传感器，可以测得导线覆冰时的荷载 q1 ， 导线的受力分析如图 1 所示。
图 1 导线受力分析
设导线的计算等效直径为 L，线路覆冰厚度
基金项目： 国家自然科学基金项目（ KKGD201503106） 。 作者简介： 杨俊（1992-） ，硕士研究生，从事基于光纤传感技术的输电线路研究。 通讯作者： 张长胜（1970-） ，副教授，从事光纤 Bragg 光栅传感器的研究，945840115@ qq． com。
第2 期
杨 俊等． 输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
Δλ =
1 E
·
F S
（1
－ Pe）λ
式中 E ———不锈钢件的弹性模量；
Pe———光纤有效弹光系数； S ———FBG 拉力传感器的横截面积；
λ ———FBG 拉力传感器波长。
基于 FBG 的输电线路覆冰拉力传感器测试
系统主要由微机控制万能材料试验机、光纤光栅
解调仪和上位机组成。实验过程中使用金具连接
为 b，则导线覆冰时冰的荷载计算式为：
q1
=
0．
9πg［（ 4
L
+ 2b）2
－ L2］× 10
－3
（5）
综合式（3） ～ （5） 可知，计算出覆冰时，导线
水平风荷载值已知时可以测出导线等值覆冰厚
度。
FBG 拉力传感器由金属外壳、光纤 Bragg 光
栅，不锈钢 件 和 铠 装 光 缆 组 成，其 中 波 长 变 化 量 Δλ 与所加拉力 F 满足以下关系［10］：
关键词 拉力传感器 输电线路覆冰 光纤 Bragg 光栅 静态性能指标 称重法
中图分类号 TH89
文献标识码 A
文章编号 1000-3932( 2019) 02-0130-04
输电线路覆冰一直是我国电力企业关注的问 题，在我国许多地区由于导线覆冰使得输电线路 的负荷增加，造成杆塔倒塌、导线折断等问题，造 成了巨大的经济损失，甚至威胁到人民的生命安 全［1 ～ 3］。因此，加强对输电线路覆冰的监测，对电 力系统的稳定安全运行具有重大的意义。
云南昭通地形复杂，海拔高，多积雪，冬季湿 度大，容易出现输电线路覆冰的现象。国内输电 线的监测方法主要有称重法、视频监测法和弧垂 法［4］。通过拉力传感器 / 称重传感器、导线温度 / 倾角传感器和图像进行监测。普通的电气测量传 感器存在零点漂移、非线性及蠕变等特性，使得测 量结果不稳定，使用寿命短。容易受输电线路周 围强电磁环境的干扰［5，6］。
的拉力传感器对其进行校准实验。通过实验中解调仪的中心波长和实验拉力机产生的拉力值进行线性
拟合，求出 该 光 纤 Bragg 光 栅 传 感 器 的 静 态 性 能 指 标 参 数。结 果 表 明: 光 纤 传 感 器 的 灵 敏 度 为
28． 9N / nm，线性度为 0． 91% FS，迟滞误差为 0． 54% FS，零点漂移小。
～ 40kN 施加荷载；
b． 使得 FBG 拉力传感器处于空载状态并记
录空载时的波长； c． 设置 FBG 拉力传感器的检测点，分别对
其量程 50kN 的 20% 、40% 、60% 、80% ，使拉力机 的拉力值从 0 向设置的检测点递增，实验过程中 在每个检测点保持 3min 并记录拉力值和对应的 中心波长值；
130
化工自动化及仪表
第 46 卷
输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
杨 俊1，2 张长胜1 梁仕斌3
（1． 昆明理工大学信息工程与自动化学院；2． 云南电网有限责任公司电力科学研究院； 3． 云南电力试验研究院（集团）有限公司）
摘 要 为实现基于输电线路覆冰的光纤 Bragg 光栅拉力传感器的性能分析，设计了一个量程为 50kN
为了对输电线路的光纤 Bragg 光栅拉力传感 器性能进行分析，笔者设计测试实验，对云南电网
科技项目“输电线路基于光纤传感技术的多变量
状态监测研究”的光 纤 布 拉 格 光 栅 （ Fiber Bragg
Grating，FBG） 拉力传感器进行测试。
1 FBG 拉力传感器覆冰监测原理
光纤 Bragg 光栅拉力传感器的监测原理是称
T0
= q0 （ S1
+ 2
S2 ）
（1）
式中 q0 ———无覆冰时的导线荷载； T0 ———导线无覆冰时受到的拉力。
当线路覆冰时，直线塔 A 悬挂点垂直方向的
拉力分量 T1 的计算式如下：
T1
=
（ q0
+
q1
+
q2 ） （ S1
+ 2
S2 ）
（2）
式中 q1 ———覆冰时冰的荷载； q2 ———覆冰时风的荷载。
拉力传感器到微机控制万能材料试验机，通过微
机控制万能材料试验机对光纤 Bragg 光栅拉力传
wenku.baidu.com
感器施加拉力负荷，传感器中的光栅发生变化引
起光波长变化，变化后的光波长信号通过光纤传
输到光纤光栅解调仪，由解调仪进行波长解调，并
在上位机显示传感器的中心波长。
实验方案分为 4 个步骤：
a． 对 FBG 拉力传感器进行预荷载一次，从 0
重法，当输电线路覆冰时，线路荷载增加，通过拉
力传感器可以得到导线某个点的拉力值和角度
值，根据输电线路导线本身的物理参数、两级杆塔
之间的档距进行综合分析，计算出线路的等值覆
冰厚度。
假设传感器安装于直线塔 A 上，A 杆塔到 B
杆塔和 C 杆塔的导线长度分别为 S1 和 S2 ，如图 1 所示，当导线处于未覆冰状态时，A 杆塔绝缘子接 近垂直，此时未覆冰悬挂点的力学方程［9］为：
d． 当 拉 力 机 施 加 的 拉 力 到 达 量 程 的 80% 时，设置相同的检测点，使拉力机逐渐递减压力到 每个检测点直至 0，递减实验中每个检测点保持 3min 并记录拉力值和中心波长。 2 FBG 拉力传感器实验数据分析
实验 中，拉 力 机 从 0 到 传 感 器 最 大 量 程 的 20% 、40% 、60% 、80% 施加荷载，再从最大量程的 80% 开始减小荷载直至到 0。当室内温度在 25℃ 时，测得 FBG 拉力传感器正反行程的拉力值与光 栅中心波长的数据，绘制实验所得该光纤 Bragg 光栅拉力传感器的拉力值与之相对应的波长正行 程和反行程特性曲线，拟合曲线如图 2、3 所示。
131
联立式（1） 、（2） 可得：
ΔT = T1 － T0
（3）
ΔT
=
（ q1
+
q2 ） （ S1
+ 2
S2 ）
（4）
因此，通过安装杆塔导线悬挂点的拉力传感
器和倾角传感器，可以测得导线覆冰时的荷载 q1 ， 导线的受力分析如图 1 所示。
图 1 导线受力分析
设导线的计算等效直径为 L，线路覆冰厚度
基金项目： 国家自然科学基金项目（ KKGD201503106） 。 作者简介： 杨俊（1992-） ，硕士研究生，从事基于光纤传感技术的输电线路研究。 通讯作者： 张长胜（1970-） ，副教授，从事光纤 Bragg 光栅传感器的研究，945840115@ qq． com。
第2 期
杨 俊等． 输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
Δλ =
1 E
·
F S
（1
－ Pe）λ
式中 E ———不锈钢件的弹性模量；
Pe———光纤有效弹光系数； S ———FBG 拉力传感器的横截面积；
λ ———FBG 拉力传感器波长。
基于 FBG 的输电线路覆冰拉力传感器测试
系统主要由微机控制万能材料试验机、光纤光栅
解调仪和上位机组成。实验过程中使用金具连接
为 b，则导线覆冰时冰的荷载计算式为：
q1
=
0．
9πg［（ 4
L
+ 2b）2
－ L2］× 10
－3
（5）
综合式（3） ～ （5） 可知，计算出覆冰时，导线
水平风荷载值已知时可以测出导线等值覆冰厚
度。
FBG 拉力传感器由金属外壳、光纤 Bragg 光
栅，不锈钢 件 和 铠 装 光 缆 组 成，其 中 波 长 变 化 量 Δλ 与所加拉力 F 满足以下关系［10］：
关键词 拉力传感器 输电线路覆冰 光纤 Bragg 光栅 静态性能指标 称重法
中图分类号 TH89
文献标识码 A
文章编号 1000-3932( 2019) 02-0130-04
输电线路覆冰一直是我国电力企业关注的问 题，在我国许多地区由于导线覆冰使得输电线路 的负荷增加，造成杆塔倒塌、导线折断等问题，造 成了巨大的经济损失，甚至威胁到人民的生命安 全［1 ～ 3］。因此，加强对输电线路覆冰的监测，对电 力系统的稳定安全运行具有重大的意义。
云南昭通地形复杂，海拔高，多积雪，冬季湿 度大，容易出现输电线路覆冰的现象。国内输电 线的监测方法主要有称重法、视频监测法和弧垂 法［4］。通过拉力传感器 / 称重传感器、导线温度 / 倾角传感器和图像进行监测。普通的电气测量传 感器存在零点漂移、非线性及蠕变等特性，使得测 量结果不稳定，使用寿命短。容易受输电线路周 围强电磁环境的干扰［5，6］。
的拉力传感器对其进行校准实验。通过实验中解调仪的中心波长和实验拉力机产生的拉力值进行线性
拟合，求出 该 光 纤 Bragg 光 栅 传 感 器 的 静 态 性 能 指 标 参 数。结 果 表 明: 光 纤 传 感 器 的 灵 敏 度 为
28． 9N / nm，线性度为 0． 91% FS，迟滞误差为 0． 54% FS，零点漂移小。
～ 40kN 施加荷载；
b． 使得 FBG 拉力传感器处于空载状态并记
录空载时的波长； c． 设置 FBG 拉力传感器的检测点，分别对
其量程 50kN 的 20% 、40% 、60% 、80% ，使拉力机 的拉力值从 0 向设置的检测点递增，实验过程中 在每个检测点保持 3min 并记录拉力值和对应的 中心波长值；
130
化工自动化及仪表
第 46 卷
输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
杨 俊1，2 张长胜1 梁仕斌3
（1． 昆明理工大学信息工程与自动化学院；2． 云南电网有限责任公司电力科学研究院； 3． 云南电力试验研究院（集团）有限公司）
摘 要 为实现基于输电线路覆冰的光纤 Bragg 光栅拉力传感器的性能分析，设计了一个量程为 50kN
为了对输电线路的光纤 Bragg 光栅拉力传感 器性能进行分析，笔者设计测试实验，对云南电网
科技项目“输电线路基于光纤传感技术的多变量
状态监测研究”的光 纤 布 拉 格 光 栅 （ Fiber Bragg
Grating，FBG） 拉力传感器进行测试。
1 FBG 拉力传感器覆冰监测原理
光纤 Bragg 光栅拉力传感器的监测原理是称
T0
= q0 （ S1
+ 2
S2 ）
（1）
式中 q0 ———无覆冰时的导线荷载； T0 ———导线无覆冰时受到的拉力。
当线路覆冰时，直线塔 A 悬挂点垂直方向的
拉力分量 T1 的计算式如下：
T1
=
（ q0
+
q1
+
q2 ） （ S1
+ 2
S2 ）
（2）
式中 q1 ———覆冰时冰的荷载； q2 ———覆冰时风的荷载。
拉力传感器到微机控制万能材料试验机，通过微
机控制万能材料试验机对光纤 Bragg 光栅拉力传
wenku.baidu.com
感器施加拉力负荷，传感器中的光栅发生变化引
起光波长变化，变化后的光波长信号通过光纤传
输到光纤光栅解调仪，由解调仪进行波长解调，并
在上位机显示传感器的中心波长。
实验方案分为 4 个步骤：
a． 对 FBG 拉力传感器进行预荷载一次，从 0
重法，当输电线路覆冰时，线路荷载增加，通过拉
力传感器可以得到导线某个点的拉力值和角度
值，根据输电线路导线本身的物理参数、两级杆塔
之间的档距进行综合分析，计算出线路的等值覆
冰厚度。
假设传感器安装于直线塔 A 上，A 杆塔到 B
杆塔和 C 杆塔的导线长度分别为 S1 和 S2 ，如图 1 所示，当导线处于未覆冰状态时，A 杆塔绝缘子接 近垂直，此时未覆冰悬挂点的力学方程［9］为：