输电线路覆冰监测用fbg拉力倾角传感器的研制

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1、输电线路覆冰监测用FBG拉力倾角传感器的研制邬登金钟黎阮晨张媛刘冬微刘牛华北电力大学北京102206【文章】架空输电线路覆冰严重危害电X安全稳定运行。基于现有输电线路监控系统需要现场电源，易受电磁干扰等缺点以及光纤布喇格光栅（FiberBraggGrating，FBG）传感器具有抗电磁场干扰、灵敏度高、体积小等优点，开发了一套基于FBG传感技术的输电线路覆冰在线监测系统。为了提高已有的FBG柱式称重传感器性能，更好地监测导线覆冰情况，研制了用于耐张塔处的FBG双闭环U型拉力传感器，可以测量导线覆冰厚度、张力、弧垂等多项重要参数。所研制的FBG双闭环U型拉力传感器由FB

2、G传感器和弹性体两部分组成。在该传感器中，通过设计双闭环U型结构形成了高精度抗偏载能力强的拉力传感单元；弹性体受力后，在U型槽上下表面可相应地产生拉、压的主应变，两FBG波长值相减即能消除FBG应变与温度的交叉敏感问题，且不用额外补偿措施。实验室试验结果表明，所研制的光纤光栅传感器拉力测量单元线性度高，拉力传感的灵敏度为0.0413pm/N，分辨率为24.21N，非线性误差为1.7%，精确度为2.37%，相对以往的FBG柱式称重传感器，非线性误差降低了40%，精确度提高了1.2倍，各方面性能均有提高。【关键词】架空输电线路；拉力倾角传感器；双闭环u型结构；FBG0引言

3、架空输电线路覆冰容易造成断线、绝缘子闪络、杆塔倒塌等事故，给社会造成了巨大的危害。因此，对架空输电线路进行覆冰状态的在线监测，实时获得输电线路覆冰状况，对提高线路的运行可靠性和安全性具有十分重要的意义。FBG是以光信号为传输和变换的载体，利用光纤传输信号，相比于传统的电阻应变片传感器而言，其具有抗电磁场干扰、灵敏度高、体积小等优点，所以适用于电磁干扰强等恶劣的线路环境。目前经过实验室的前期研究，已研制出FBG柱式称重传感器，但其测量精度较低，分辨率仅为38.5N，灵敏度为0.142pm/N，非线性误差为2.9%，精确度为5.24%，。由于温度与应变同时会对FBG产生影

4、响，根据控制变量法，需要额外不受力的FBG做温度补偿，来得到仅仅因应变产生的测量结果。此外，对输电线路覆冰进行称重时，需要得到导线轴向张力、弧垂等信息，而在直线塔处测量无法得到以上信息。耐张塔承受较大张力，因此结合倾角传感器，在耐张塔处安装FBG拉力倾角传感器，通过对输电线路覆冰情况的实时监测，可以得到导线轴向张力、弧垂等多项信息，从而反映整个耐张段内的线路状态。本文针对传统称重传感器的不足，进行了相应的改进，结合板环结构和柱式结构的优点，我们设计出一种新的适用于光纤光栅应变片的双闭环U型结构。1光纤光栅传感原理作为一种窄带反射滤波无源器件，FBG有其独一无二的性能。

5、光纤布喇格光栅具有的弹光效应和热敏效应分别决定了测量结果受外界应变和温度共同影响：当其受到外界应变作用时，弹光效应使得光纤布喇格光栅有效折射率发生变化，反射光中心波长便会发生漂移；同理，当外界温度变化时，其有效折射率在热敏效应下会随之变化，反射光中心波长也会发生漂移。光纤光栅反射波中心波长与温度和应变的关系为：式中λB为中心波长；为光纤材料的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；为光纤的有效弹光系数；为温度变化；为应变变化。从式(1)可以看出，作为应变传感器，FBG线性输出良好。但由于应变和温度俩个变量同时对光纤布喇格光栅产生影响，因此在传感器制作中需要解决这两者的交叉敏感

6、问题。此外被测温度应变不受光源的光强波动影响，只与反射波波长有关，当外界因素造成光信号强度发生变化时，不会影响最终的覆冰测量的结果。2FBG拉力倾角传感器FBG拉力倾角传感器是整个测量系统的关键，其主要用于测量耐张塔处所受的张力和倾角，因此它的性能将直接影响整个系统的测量精度。整个传感器以拉力测量为主，辅以倾角和温度补偿来提高测量精确度。在此着重介绍拉力测量的相关内容。2.1拉力倾角传感器主体结构设计：双闭环U型弹性体当覆冰变化造成的传感器处拉力的改变时，拉力倾角传感器的拉力传感单元便可测量出相应的改变的大小，拉力传感器的弹性体使用了合金钢35CrMnSiA，这种材料

7、具有弹性极限高、弹性后效小、弹性滞后小，耐冲击和抗疲劳性好，热膨胀系数小等优点，适合于制作大量程、高精度拉力传感器。实验中，基于球型挂头的结构是一个扇面，当拉力传感单元的受力后，其应变是不均匀的，会受到偏载影响，因此所研制的拉力传感器对其抗偏载能力要求较高。传统大量程称重传感器结构主要有柱形，板环形，S形三种。板环形和S形两种结构适合体积较小的应变片，不适合体积过大的光纤光栅应变片，因此无法使用；而抗偏载能力差的圆柱形结构更是无法测得精确结果。设计出的双闭环U型结构，结合了柱式结构和板环结构的优点，在适用于体积较大的光纤光栅应变片的同时，可以提高拉力