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輸電線路覆冰監測用FBG拉力傾角傳感器的研制

作者:鄔登金鐘黎等時間:2015-11-12 15:48:23 來源:www.vortexsignal.com 閱讀次數:1109次 ]

【文章摘要】

架空輸電線路覆冰嚴重危害電網安全穩定運行。基于現有輸電線路監控系統需要現場電源，易受電磁干擾等缺點以及光纖布喇格光柵（ Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器具有抗電磁場干擾、靈敏度高、體積小等優點，開發了一套基于FBG 傳感技術的輸電線路覆冰在線監測系統。為了提高已有的FBG 柱式稱重傳感器性能，更好地監測導線覆冰情況，研制了用于耐張塔處的FBG 雙閉環U 型拉力傳感器，可以測量導線覆冰厚度、張力、弧垂等多項重要參數。所研制的FBG 雙閉環U 型拉力傳感器由FBG 傳感器和彈性體兩部分組成。在該傳感器中，通過設計雙閉環 U 型結構形成了高精度抗偏載能力強的拉力傳感單元；彈性體受力后，在U 型槽上下表面可相應地產生拉、壓的主應變，兩FBG 波長值相減即能消除 FBG 應變與溫度的交叉敏感問題，且不用額外補償措施。實驗室試驗結果表明，所研制的光纖光柵傳感器拉力測量單元線性度高，拉力傳感的靈敏度為 0.0413pm/N，分辨率為 24.21N，非線性誤差為1.7%，精確度為2.37%，相對以往的FBG 柱式稱重傳感器，非線性誤差降低了40%，精確度提高了1.2 倍，各方面性能均有提高。

【關鍵詞】架空輸電線路；拉力傾角傳感器；雙閉環u 型結構；FBG

0 引言

架空輸電線路覆冰容易造成斷線、絕緣子閃絡、桿塔倒塌等事故，給社會造成了巨大的危害。因此，對架空輸電線路進行覆冰狀態的在線監測，實時獲得輸電線路覆冰狀況，對提高線路的運行可靠性和安全性具有十分重要的意義。FBG 是以光信號為傳輸和變換的載體，利用光纖傳輸信號，相比于傳統的電阻應變片傳感器而言，其具有抗電磁場干擾、靈敏度高、體積小等優點，所以適用于電磁干擾強等惡劣的線路環境。目前經過實驗室的前期研究，已研制出FBG 柱式稱重傳感器，但其測量精度較低，分辨率僅為38.5N，靈敏度為0.142pm/N，非線性誤差為2.9%，精確度為5.24%，。由于溫度與應變同時會對FBG 產生影響，根據控制變量法，需要額外不受力的FBG 做溫度補償，來得到僅僅因應變產生的測量結果。此外，對輸電線路覆冰進行稱重時，需要得到導線軸向張力、弧垂等信息，而在直線塔處測量無法得到以上信息。耐張塔承受較大張力，因此結合傾角傳感器，在耐張塔處安裝FBG 拉力傾角傳感器，通過對輸電線路覆冰情況的實時監測，可以得到導線軸向張力、弧垂等多項信息，從而反映整個耐張段內的線路狀態。本文針對傳統稱重傳感器的不足，進行了相應的改進，結合板環結構和柱式結構的優點，我們設計出一種新的適用于光纖光柵應變片的雙閉環 U 型結構。

1 光纖光柵傳感原理

作為一種窄帶反射濾波無源器件， FBG 有其獨一無二的性能。光纖布喇格光柵具有的彈光效應和熱敏效應分別決定了測量結果受外界應變和溫度共同影響：當其受到外界應變作用時，彈光效應使得光纖布喇格光柵有效折射率發生變化，反射光中心波長便會發生漂移；同理，當外界溫度變化時，其有效折射率在熱敏效應下會隨之變化，反射光中心波長也會發生漂移。光纖光柵反射波中心波長與溫度和應變的關系為：

式中λB 為中心波長；為光纖材料的熱膨脹系數；ξ 為光纖的熱光系數；為光纖的有效彈光系數；為溫度變化；為應變變化。

從式 (1) 可以看出，作為應變傳感器， FBG 線性輸出良好。但由于應變和溫度倆個變量同時對光纖布喇格光柵產生影響，因此在傳感器制作中需要解決這兩者的交叉敏感問題。此外被測溫度應變不受光源的光強波動影響，只與反射波波長有關，當外界因素造成光信號強度發生變化時，不會影響最終的覆冰測量的結果。

2 FBG 拉力傾角傳感器

FBG 拉力傾角傳感器是整個測量系統的關鍵，其主要用于測量耐張塔處所受的張力和傾角，因此它的性能將直接影響整個系統的測量精度。整個傳感器以拉力測量為主，輔以傾角和溫度補償來提高測量精確度。在此著重介紹拉力測量的相關內容。

2.1 拉力傾角傳感器主體結構設計：雙閉環 U 型彈性體

當覆冰變化造成的傳感器處拉力的改變時，拉力傾角傳感器的拉力傳感單元便可測量出相應的改變的大小，拉力傳感器的彈性體使用了合金鋼35CrMnSiA，這種材料具有彈性極限高、彈性后效小、彈性滯后小，耐沖擊和抗疲勞性好，熱膨脹系數小等優點，適合于制作大量程、高精度拉力傳感器。實驗中，基于球型掛頭的結構是一個扇面，當拉力傳感單元的受力后，其應變是不均勻的，會受到偏載影響，因此所研制的拉力傳感器對其抗偏載能力要求較高。傳統大量程稱重傳感器結構主要有柱形，板環形，S 形三種。板環形和 S 形兩種結構適合體積較小的應變片，不適合體積過大的光纖光柵應變片，因此無法使用；而抗偏載能力差的圓柱形結構更是無法測得精確結果。設計出的雙閉環 U 型結構，結合了柱式結構和板環結構的優點，在適用于體積較大的光纖光柵應變片的同時，可以提高拉力測量的精度和其抗偏載能力，如圖1 所示，光纖光柵應變片分別安裝在U 型槽的上下表面。

圖1 彈性體的結構

圖2 彈性體結構剖視圖

彈性體結構如圖1 所示，其中，創新點就是結構的設計：在設計中，通過對彈性體結構巧妙的的設計，使此彈性體結構的受力面積達到可變化的效果，使其達到了變量程的目的。U 型槽倆側的腹板之間的金屬橫梁發揮了極其重要的作用。金屬橫梁將U 型槽與其倆側腹板連接在一起。當彈性體倆端剛受到拉力時，球型掛頭首先受力形變帶動u 型槽發生形變，根據胡克定律和楊氏模量，發生彈性形變時，有

其中，L 為彈性形變量，S 為受力面積。

由于u 型槽體橫截面積較小，受到拉

力發生形變時，根據公式可知形變量較大，則u 型槽內的拉力傳感單元可以更加靈敏的感受到形變，當拉力達到一定程度時（金屬橫梁有效形變的臨界點，取決于金屬橫梁所用材料），金屬橫梁便會帶動倆側腹板一起發生形變。實驗室中，金屬橫梁所用材料為中碳鋼，當拉力小于5KN 時，僅僅U 型槽體發生形變，當拉力達到5KN 時，金屬橫梁達到有效形變臨界點，從而帶動u 型槽倆側腹板發生形變，此時，彈性體倆端受到的拉力由整個U 型槽體及倆側腹板承受，受力橫截面積S 增大，相同形變情況下，可承受較大的拉力。因此該彈性體達到受拉力小于5KN 時應變較大，拉力大于5KN 時，應變相對變小，達到了變量程的效果。該效果符合實際應用，在正常年份，不會出現雪災等情況，則輸電線受到的拉力較小，較高的靈敏度可得到更精確的數據，以此為參考，可用來確定對輸電線進行維修檢查的頻率等；在雪災年份，該測量裝置作用是當輸電線路承載量達到閾值時，發出提醒。該測量系統變量程過程曲線如下圖所示：

圖3 形變量與拉力的關系

2.2 光纖光柵拉力傾角傳感器性能驗證

當截面積為112mm2 時，傳統柱式結構的慣性矩為 1052.064mm4，而雙閉環U 型結構彈性體的慣性矩為 7189.33mm4，大大提高了抗彎能力。同時，相比于傳統柱式結構，在雙閉環U 型彈性體中，光纖光柵應變片安裝處的受力應變分布更加均勻，因而測量的精確度大大提高。在球形頭上 330°的范圍進行偏載拉力模擬時，通過有限元計算軟件的計算，得到柱式和雙閉環 U 型彈性體的相應位置的應變結果對比如圖4 所示。

圖 4 偏載情況下彈性體應變仿真結果對比

由圖 4 可知，當受力不均勻時，柱式結構受拉面應變平均值為 2076.29με，受壓面應變平均值為 1599.61με，雙閉環 U 型結構受拉面應變平均值為 1871.50με，受壓面應變平均值為1811.61με，而理論結果為1840με( 圖4 中黑色虛線)，雙閉環U 型結構受拉面與受壓面應變均值更為接近，計算可知柱式結構平均應變值與理論值最大誤差達到 13.4%，而雙閉環U 型結構與理論結果的最大誤差僅為 2.0%，抗偏載能力大大提高。當發生偏載時，彈性體U 型槽上下表面應變偏移量大小相等，方向相反，因此可以使用求均值的方法處理兩個應變片的應變結果，從而減小偶然誤差帶來的偏差，根據應變定義我們可以得到被測拉力與應變的關系：

（ 3）

式中F 為傳感單元所受拉力，A 為受力截面面積，E 為彈性體楊氏模量， ε1 和ε2 分別為彈性體U 型槽上下表面的應變值。在溫度相同時，光纖光柵拉力測量應變與波長變化成正比關系，將式(1) 帶入式(3)，設光纖光柵應變片的應變傳遞系數為 K，我們可以得到拉力變化與 FBG 波長變化的關系：

（ 4）

λ1 ，λ2 分別為U 型槽上下表面安裝的FBG 應變片中心波長。由于實驗室所使用的應變片的規格相同，光纖光柵的中心波長都處于 1550nm 波段，在誤差允許范圍內，可認為Pe1 =Pe2，，式(4) 可以化簡為：

其中為拉力傳感系數，實驗中開發的拉力傳感單元中 A=112mm2， E = 1 9 4 G p a ， λ 1 = 1 5 4 4 . 6 9 9 n m ， Pe1=0.22，K=0.75, 帶入數據計算得到。由公式（1）計算可知，當倆波長變化量FBG1，FBG2 相減時，便可以消除FBG 應變與溫度的交叉敏感問題，從而不需要額外補償措施。從式(5) 可以看出，波長變化與彈性體所受拉力成線性關系，因此通過測量 FBG 反射波中心波長的變化便可以得知導線懸掛處拉力的線性變化。同時，再通過該傳感器的溫度補償和傾角補償，可進一步減小誤差，提高覆冰監測的精確度。