CN106092043A - 一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，包括从上到下依次连接的第一连接件(1)、光纤布拉格光栅(2)、第二连接件(3)、拉伸弹簧(4)和第三连接件(5)，所述的第一连接件(1)还固定连接基准平面上的参考点，所述的第三连接件(5)还固定连接变电站的沉降物。与现有技术相比，本发明通过该光纤沉降传感器可以准确地将沉降位移量转换为作用在光纤布拉格光栅上的拉应力，进一步转换为光纤中传输的光学参量，最后对传输光谱的解得到准确的沉降位移量，提高工作人员的工作效率，实时获取大量的沉降数据；监测的时间短，不受恶劣环境的影响，从而准确度得到极大提高。

Description

一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其是涉及一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器。

背景技术

变电站是电网的重要组成部分，它在电力系统中起变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的作用。变电站内的建筑物是保障电网安全的电力基础设施，由于变电站大多建设在偏远的地区，那里的地质条件和气候条件经常会引起变电站的地基沉降。变电站基础建筑物在施工期间以及后期运营期间的安全问题日益突出。目前，对变电站地基沉降的监测方法主要是采用水准监测法。这种方法是通过人工定期巡视检查安装在现场沉降监测点的沉降桩头，利用精密水准仪观测各个沉降观测点与基准点之间的变化来判断地基沉降量。但是由于这种监测方法的工作量极其繁重，而测得的数据量相反却较少，监测的耗时较长，且容易受到环境因素的影响，使得判断的准确性不佳。

光纤传感器是基于光纤独特的光学特性和传感特性来探测工程中各种物理参量。它相对于传统方法具有更高的灵敏度，不易受电磁干扰，绝缘性好，耐腐蚀，工作寿命长，集物理参量信息的获取与传输一体，以及结构简单、体积小、重量轻、耗电少等优点。可以用于测量应变、温度、压力、位移等物理参量。

现有技术主要的沉降监测方法有:简单目测法,沉降计算法,变形转换法。现有的沉降测量装置直接测量固定杆标记与沉降建筑之间的相对位移大小，从而获得地基沉降值的方法。在水下抛石堆载地基处理过程中，固定杆有可能被堆载物撞击而发生形变，会直接影响到测量结果的准确性。而且这种监测方法工作量极其繁重，而测得的数据量相反却较少，监测的耗时较长，且容易受到环境因素的影响，使得测量的准确性不佳。

中国专利201610142384.X公开了一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，由一根具有楔形表面的钢棒和一个等腰悬臂梁构成，光纤布拉格光栅分别粘贴在悬臂梁上。传感器滑动壳固定在变电站的设备上，斜面钢棒固定到基准平面上，作为位移参考点。钢棒与滑动壳会根据沉降状况发生相对位移，位移量通过钢棒楔形表面和顶珠的作用转换成悬臂梁的弹性形变，传递到悬臂梁光栅来检测应变变化量大小。该专利中的压应力是沿垂直于轴向传递到光纤布拉格光栅上的，由于光纤布拉格光栅垂直于轴向应变的分辨率率低和应变量小，经试验发现，其沉降传感器的测量量程最大为100mm左右，灵敏度为150-160pm/mm左右，沉降位移分辨率为1.2-1.3mm，因此，容易导致光纤布拉格光栅断裂，在稳定性和实用寿命上存在不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，包括从上到下依次连接的第一连接件、光纤布拉格光栅、第二连接件、拉伸弹簧和第三连接件，所述的第一连接件还固定连接基准平面上的参考点，所述的第三连接件还固定连接变电站的沉降物；

当变电站的沉降物发生沉降时，第三连接件将沉降位移量传递给拉伸弹簧，拉伸弹簧将相应的沉降位移量转换为对应的拉力，并通过第二连接件将拉力转换成对光纤布拉格光栅的轴向拉应力，使光纤布拉格光栅的布拉格波长发生应变调制，实现沉降位移量的测量。沉降物为变电站的建筑设备或电气设备等。

光纤布拉格光栅是根据掺杂光纤的紫外光敏特性的原理，使用周期性的强紫外光激光照射掺杂的光纤，使光纤纤芯形成折射率沿轴向周期性分布，从而形成一个反射式光纤光栅。只有满足布拉格条件的光波才能够被光栅反射，其布拉格条件如公式(1)：

λ_B＝2n_effΛ (1)

其中，λ_B是光纤布拉格光栅的反射波长，n_eff表示光纤纤芯的有效折射率，Λ为光纤布拉格光栅中光栅的折射率调制周期或者栅距。光纤布拉格光栅反射的中心波长λ_B只取决于n_eff和Λ，当二者发生变化，中心波长λ_B的变化表征为：

Δλ_B/λ_B＝Δn_eff/n_eff+ΔΛ/Λ (2)

当FBG所处环境温度恒定，只在外力场的作用下，产生应变变化量Δε，则也将发生漂移，漂移量与应力变化关系式(3)为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε (3)

其中，P_e表示光纤布拉格光栅材料的有效弹光系数。

实验测试过程如下，宽带光源用于产生宽带出射光，经过3dB耦合器后，有部分出射光耦合进入纤布拉格光栅，纤布拉格光栅产生的反射光会再次进入3dB耦合器，同样会有部分反射光耦合进入光谱仪，通过光谱分析仪对纤布拉格光栅的反射光谱分析和存储。纤布拉格光栅固定在应力测试仪的平台上，应力测试仪可以设置拉应力数值并对纤布拉格光栅产生相应的拉应力。

所述的第一连接件包括第一基片、第一盖片和第一连接臂，所述的第一基片上设有竖向的第一沟槽，所述的光纤布拉格光栅的顶部的连接光纤放置在第一沟槽内，并由第一盖片压紧固定，所述的第一连接臂安装在第一基片上，并与参考点固定连接。

所述的第一连接臂为直角形臂，其水平端与参考点固定连接，竖直端安装在第一基片上。

所述的第二连接件包括第二基片、第二盖片和第二连接架，所述的第二基片上设有竖向的第二沟槽，所述的光纤布拉格光栅的底部的连接光纤放置在第二沟槽内，并由第二盖片压紧固定，所述的第二连接架安装在第二基片上，并与拉伸弹簧连接。

所述的第二连接架为安装在第二基片底端中心位置的三角架a，所述的拉伸弹簧顶部的挂钩与三角架a相连接。三角架a优选等腰三角形架。

所述的第三连接件为一直角形臂，其水平端固定连接沉降物，竖直端上设有三角架b，所述的拉伸弹簧底部的挂钩与三角架b相连接。

所述的拉伸弹簧的弹簧刚度小于0.001kg/mm。

所述的光纤布拉格光栅为波长在1550nm的光纤布拉格光栅。

本发明的工作原理为：

当发生沉降时，在下沉的作用力下，高精度拉伸弹簧受到拉伸作用，发生大小相等的位移变化，从而带动与其相连的光纤布拉格光栅受到拉伸(压缩)，使布拉格波长发生漂移。光纤光栅沉降传感器测量原理是基于被测量变化引起的光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的漂移量来测量沉降量，不受环境的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，使用光纤布拉格光栅传感器对变电站内的建筑物地基、变电站主设备的地基进行沉降检测和监测。将变电站基础沉降位移表征为相对于参考点的下层位移，然后将变电站基础沉降位移转换成应力后施加到光纤布拉格光栅上，从而使其布拉格波长受到应变调制，进而对变电站的基础沉降位移量进行实时在线测量。所以本发明可以极大地提高工作人员的工作效率，实时获取大量的沉降数据，监测的时间短，不受恶劣环境影响，准确度得到极大提高。

(2)经试验发现，光纤光栅能承受更大的沿轴向的拉应力，因而，与一般的通过沿垂直于轴向传递到光纤布拉格光栅上传递压应力相比，本发明具有更好的传感特性，拉应力的应力传递方式能够极大地提高光纤布拉格光栅的测量范围、测量灵敏度，相应地提高了光纤布拉格光栅的稳定性和实用性。经试验发现，本发明的光纤光栅布拉格光栅沉降测量量程最大为300mm左右，灵敏度为17～18pm/mm，沉降位移分辨率为0.7～0.8mm。相比于背景技术中的专利201610142384.X，本发明的沉降传感器的量程提高了3倍，灵敏度和分辨率提高了大约10倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的第一连接件的结构示意图；

图3为本发明的第二连接件的结构示意图；

图4为本发明的第三连接件的结构示意图；

图中，1-第一连接件，2-光纤布拉格光栅，3-第二连接件，4-拉伸弹簧，5-第三连接件，11-第一基片，12-第一盖片，13-第一连接臂，31-第二基片，32-第二盖片，33-第二连接架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其结构如图1所示，包括从上到下依次连接的第一连接件1、光纤布拉格光栅2、第二连接件3、拉伸弹簧4和第三连接件5，第一连接件1还固定连接基准平面上的参考点，第三连接件5还固定连接变电站的沉降物。拉伸弹簧4的弹簧刚度小于0.001kg/mm。光纤布拉格光栅2为波长在1550nm的光纤布拉格光栅2。

如图2所示，第一连接件1包括第一基片11、第一盖片12和第一连接臂13，第一基片11上设有竖向的第一沟槽，光纤布拉格光栅2的顶部的连接光纤放置在第一沟槽内，并由第一盖片12压紧固定，第一连接臂13安装在第一基片11上，并与参考点固定连接，第一连接臂13为直角形臂，其水平端与参考点固定连接，竖直端安装在第一基片11上。

如图3所示，第二连接件3包括第二基片31、第二盖片32和第二连接架33，第二基片31上设有竖向的第二沟槽，光纤布拉格光栅2的底部的连接光纤放置在第二沟槽内，并由第二盖片32压紧固定，第二连接架33安装在第二基片31上，并与拉伸弹簧4连接，第二连接架33为安装在第二基片31底端中心位置的三角架a，拉伸弹簧4顶部的挂钩与三角架a相连接。三角架a优选等腰三角形架。

如图4所示，第三连接件5为一直角形臂，其水平端固定连接沉降物，竖直端上设有三角架b，拉伸弹簧4底部的挂钩与三角架b相连接。

当变电站的沉降物发生沉降时，第三连接件5将沉降位移量传递给拉伸弹簧4，拉伸弹簧4将相应的沉降位移量转换为对应的拉力，并通过第二连接件3将拉力转换成对光纤布拉格光栅2的轴向拉应力，使光纤布拉格光栅2的布拉格波长发生应变调制，实现沉降位移量的测量。沉降物为变电站的建筑设备或电气设备等。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，包括从上到下依次连接的第一连接件(1)、光纤布拉格光栅(2)、第二连接件(3)、拉伸弹簧(4)和第三连接件(5)，所述的第一连接件(1)还固定连接基准平面上的参考点，所述的第三连接件(5)还固定连接变电站的沉降物；

当变电站的沉降物发生沉降时，第三连接件(5)将沉降位移量传递给拉伸弹簧(4)，拉伸弹簧(4)将相应的沉降位移量转换为对应的拉力，并通过第二连接件(3)将拉力转换成对光纤布拉格光栅(2)的轴向拉应力，使光纤布拉格光栅(2)的布拉格波长发生应变调制，实现沉降位移量的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的第一连接件(1)包括第一基片(11)、第一盖片(12)和第一连接臂(13)，所述的第一基片(11)上设有竖向的第一沟槽，所述的光纤布拉格光栅(2)的顶部的连接光纤放置在第一沟槽内，并由第一盖片(12)压紧固定，所述的第一连接臂(13)安装在第一基片(11)上，并与参考点固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的第一连接臂(13)为直角形臂，其水平端与参考点固定连接，竖直端安装在第一基片(11)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的第二连接件(3)包括第二基片(31)、第二盖片(32)和第二连接架(33)，所述的第二基片(31)上设有竖向的第二沟槽，所述的光纤布拉格光栅(2)的底部的连接光纤放置在第二沟槽内，并由第二盖片(32)压紧固定，所述的第二连接架(33)安装在第二基片(31)上，并与拉伸弹簧(4)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的第二连接架(33)为安装在第二基片(31)底端中心位置的三角架a，所述的拉伸弹簧(4)顶部的挂钩与三角架a相连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的第三连接件(5)为一直角形臂，其水平端固定连接沉降物，竖直端上设有三角架b，所述的拉伸弹簧(4)底部的挂钩与三角架b相连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的拉伸弹簧(4)的弹簧刚度小于0.001kg/mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅(2)为波长在1550nm的光纤布拉格光栅(2)。