一种光纤光栅架空输电导线拉力传感器

李 明，赵恩国，钟少龙

● （1.中船重工远舟（北京）科技有限公司，北京，100861；2.北京昊宁测控技术有限公司，北京，100192；3.上海拜安传感技术有限公司，上海，201210）

一种光纤光栅架空输电导线拉力传感器

李 明1，赵恩国2，钟少龙3

● （1.中船重工远舟（北京）科技有限公司，北京，100861；2.北京昊宁测控技术有限公司，北京，100192；3.上海拜安传感技术有限公司，上海，201210）

本文针对目前我国架空输电导线缺乏有效的测力仪器设备的现状，提出并实验验证了一种光纤光栅架空输电导线拉力传感器及其在远距离输电导线拉力监测领域中应用的可行性与优越性。实验结果表明：其量程为0KN～300KN，拉力灵敏系数为0.1488KN/pm，并且光纤光栅的中心反射波长移动量与施加给拉力传感器两端的拉力成良好的线性关系。

光纤光栅；拉力传感器；拉力灵敏系数

目前，常用的拉力传感器多为电阻应变式拉力传感器，虽然具有结构简单、测量范围广、成本低等许多优点，但是也具有一定的局限性，例如：抗电磁干扰能力和抗雷击能力较差、传输距离不远、需要现场供电、长期稳定性和可靠性不好等，因此，这些传感器不适于应用在架空高压输电线拉力监测领域中。

近十几年来，由于光纤光栅传感技术的快速发展，更由于光纤光栅具有不受电磁干扰、抗雷击、现场无需供电、能在易燃易爆环境中应用、长期可靠性和稳定性好等诸多优点，在拉力测量领域中受到越来越多科技工作者的重视。本文提出并成功研制了一种专用于架空输电导线拉力监测用光纤光栅拉力传感器，其量程为0KN～300KN，拉力灵敏系数为 0.1488KN/pm，并且光纤光栅的中心反射波长移动量与施加给拉力传感器两端的拉力成良好的线性关系。

1 原理

本文提出的光纤光栅架空输电导线拉力传感器结构采用的圆柱状结构，其传感器结构原理示意图如图1所示。

图1 光纤光栅拉力传感器结构示意图

其中，由左安装孔、弹性体、右安装孔等三部分组成传感器基体，中间弹性体的结构为圆柱状，左右安装孔主要用于与U型金具连接，给中间的弹性体施加拉力；将光纤光栅沿着中心轴线方向通过环氧树脂胶粘贴在弹性体上，用于测量弹性体受到两侧拉力而产生的形变。这样，施加在传感器基体两侧的拉力发生变化时，使弹性体产生轴向形变，进而使光纤光栅受到拉伸或者压缩，从而引起光纤光栅的中心反射波长的移动，通过探测光纤光栅的中心反射波长的移动量，即可检测到待测拉力的变化信息。

根据虎克定律，将传感器基体两端收到拉力时，中间弹性体部分表面各点的轴向应变是处处相等的，并与所施加给传感器基体的拉力成线性关系，其表达式为[2]：

式（1）中，ε为拉力方向的线应变，F为所施加拉力，E为传感器基体材料的弹性模量，A为弹性体的横截面积。

研究表明，温度不变时，光纤光栅的中心反射波长的移动量ΔBλ与其轴向应变εax满足以下线性关系[3]：

式中，Pe为光纤的有效弹光系数，Pe=neff2(P12-ν(P11+P12))/2，其中 P11、P12为弹光系数，ν为光纤泊松比，对二氧化硅光纤Pe＝0.22。

当光纤光栅可靠牢固的粘接在弹性体上时，弹性体受到两侧拉力而产生的形变被传递给粘贴在弹性体上的光纤光栅，于是，εax=ε。

因此，将公式（1）代入公式（2）可得，该传感器的光纤光栅的中心反射波长移动量与所施加的压力之间的关系为：

由公式（3）转换即可得到公式（4）：

若令：

式中，K为该传感器的拉力灵敏系数。由式（5）可知：施加给传感器基体的拉力F与光纤光栅的中心反射波长的变化量ΔBλ成线性关系，因此，可以通过测量光纤光栅中心反射波长的移动量来测量施加给传感器基体的拉力值。

2 实验及结果分析

2.1实验系统

为了有效减小或者消除光纤光栅拉力传感器两端拉力不对称导致弯矩、扭矩而引起的拉力测量误差，在弹性体沿着中心轴线方向上对称粘贴了两支光纤光栅，其中，光纤光栅1的中心反射波长为1545.698nm；光纤光栅2的中心反射波长为 1539.756nm。为了模拟架空输电导线拉力监测的现场环境，将光纤光栅拉力传感器两端串接U型金具，然后将两个 U型金具装夹在材料拉伸试验机的加载端。装有U型金具的光纤光栅拉力传感器如图2所示。

图2 装有U型金具的光纤光栅拉力传感器

光纤光栅架空输电导线拉力传感器实验系统主要由材料拉伸试验机、光纤光栅拉力传感器、U型金具、光纤光栅解调仪等组成，其系统实物图如图3所示。实验中，由材料拉伸试验机的上下夹具分别夹住安装在光纤光栅拉力传感器两端的 U型金具连接件，给光纤光栅拉力传感器施加拉力，使弹性体产生形变，进而引起粘接在弹性体上的光纤光栅的轴向应变，引起光纤光栅中心反射波长的移动，其波长移动量由光纤光栅解调仪测量得到，这样便可以确定施加给光纤光栅拉力传感器的拉力与光纤光栅波长移动量之间的关系。

图3 光纤光栅架空输电拉力传感器实验系统实物图

2.2 结果分析

在0KN～300KN的拉力范围内，材料拉伸试验机施加给光纤光栅拉力传感器的拉力从0KN开始，每间隔20KN进行力保载一次，直至 300KN，分别通过材料拉伸试验机和光纤光栅解调仪读取并记录施加拉力值和两支光纤光栅的中心反射波长值，最后，施加拉力返回零值。实验测得实验数据如表1所示。

由表1中数据，可以分别拟合得到光纤光栅1中心反射波长移动量与传感器所受拉力之间关系图，如图 4所示；光纤光栅2中心反射波长移动量与传感器所受拉力之间关系图，如图5所示；光纤光栅1和光纤光栅2中心反射波长移动量的平均值与传感器所受拉力之间关系图，如图6所示。

图4 光纤光栅1波长移动量与传感器所受拉力之间关系图

图5 光纤光栅2波长移动量与传感器所受拉力之间关系

图6 两支光纤光栅波长移动量的平均值与传感器所受拉力之间关系图

从表1以及图4、图5、图6中可以得出如下结论：

1)光纤光栅1和光纤光栅2的波长移动量与传感器所受拉力之间没有良好的线性关系，并且两者的拉力灵敏系数也不一致，这主要是由于光纤光栅拉力传感器通过 U型金具连接件安装到材料拉伸试验机上，在拉伸过程中存在弯矩和扭矩，导致弹性体两侧的光纤光栅受力不均匀导致的；

表1 光纤光栅拉力传感器拉力实验测试数据

2)光纤光栅1和光纤光栅2中心反射波长的移动量的平均值与传感器所受拉力之间具有良好的线性关系，其拉力灵敏系数为6.72pm/KN，即0.1488KN/pm，因此，通过在弹性体上对称地粘贴的两支光纤光栅的方案可以消除在拉伸过程中拉力偏心带来的测量误差，进而可以实现对复杂受力环境下输电导线拉力的准确测量；

3)卸载后，光纤光栅1和光纤光栅2的中心反射波长均基本回到初值，光纤光栅1的波长偏差仅为0.1pm，光纤光栅2的波长偏差也仅为1.1pm，证明该光纤光栅拉力传感器具有零漂小、重复性好的优良品质。

综上所述，该光纤光栅架空导线拉力传感器具有较高拉力测量分辨率、测量精度以及良好的重复性，并且通过对称光纤光栅的布设方案消除了拉伸过程中弯矩和扭矩带来的测量误差，完全可以满足远距离输电导线拉力监测的需求。

3 结论

本文以我国远距离输电导线拉力监测的迫切需求为索引，提出并研制的光纤光栅架空输电导线拉力传感器在拉力测量量程、分辨率、测量精度方面完全可以满足远距离输电导线拉力监测的需求。此外，由于该光纤光栅拉力传感器还具有结构简单、安装方便、响应速度快、不受电磁干扰、无需供电、可准分布式测量等诸多优点，所以，非常适用于野外环境下远距离输电导线的拉力监测。

综上所述，该光纤光栅架空输电导线拉力传感器在野外环境下远距离输电导线拉力监测领域中具有良好的推广前景，可以大大提高远距离输电网络抵抗自然灾害的能力，为建设坚强、智能电网提供有力的技术支撑。

[1]蒋兴良. 输电线路覆冰及防护[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002.

[2]刘鸿文. 材料力学[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

我国是架空输电线路覆冰灾害严重的国家，进入新世纪后输电线路冰灾事故的发生频率明显增加、遭受损失更趋严重。导致线路舞动的覆冰一般较薄，舞动会造成闪络跳闸，以及导线、金具、绝缘子损坏，甚至杆塔倒塌等严重的机械损坏[1]。当线路覆冰超出设计冰厚时，重冰会导致严重的机械、电气故障，如：冰闪、相间及相对地闪络；重冰过载会使得导地线断线、金具及绝缘子破损断裂，严重时会造成杆塔损坏，甚至倒塌。对架空输电导线的拉力进行监测是实现对导线应力结构变形安全状态和导线覆冰厚度进行监测的主要方法之一，因此，研制一种能够实时监测架空输电导线拉力的传感仪器是非常必要的。

李明（1964-），男，高级工程师。研究方向：船舶电气。