CN111678628A - 一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统 - Google Patents

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CN111678628A CN202010550692.2A CN202010550692A CN111678628A CN 111678628 A CN111678628 A CN 111678628A CN 202010550692 A CN202010550692 A CN 202010550692A CN 111678628 A CN111678628 A CN 111678628A
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张治国
王潇潇
颜哲昊
李路明
肖子洋
陈兴
陈硕
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Global Energy Interconnection Research Institute
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Abstract

本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统，包括：光纤布拉格光栅传感器、光纤光栅解调仪和OPGW光缆；光纤布拉格光栅传感器，包括：光纤光栅FBG1、光纤光栅FBG2和三角形悬臂梁，光纤光栅FBG1位于粘贴于所述三角形悬臂梁的外侧，光纤光栅FBG2粘贴位于所述三角形悬臂梁的内侧，光纤布拉格光栅传感器，固定于OPGW光缆上；光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出光纤布拉格光栅传感器产生压变应力后的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,对覆冰厚度进行实时监测。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体而言，涉及一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统。
背景技术
随着电力行业对输电线路安全稳定运行状态要求的不断提升，气象因素、季节影响、高度影响、地理环境影响、线路走向的影响以及导线本身的影响均会导致输电线路导线上覆冰。导线覆冰在风作用下会发生舞动、脱冰跳跃事故以及绝缘子串冰闪事故。当线路上出现大量覆冰时，出现过载现象导致架空输电线路机械和电气方面的故障，杆塔两侧的不平衡张力加剧，当大于导线承受的最大张力就会出现导线断落、杆塔倒塌的现象，不但给电网维修人员造成了很多的不便和困难，还会严重威胁到电力行业的运行安全。大量的覆冰甚至会发生电流的闪络而发生火灾。因此，架空输电线路上覆冰导致的事故是我们难以估量的。
目前，输电线路上覆冰的监测已经是最棘手的重点问题，架空输电线路覆冰的监测系统的需求量与日俱增。现有输电线路覆冰在线监测系统大多数是由电子式装置组成，由于外界条件的影响，现有的传统电子传感器在我国还存在一些薄弱之处。在强电磁场条件下，电子传感器容易受到电磁干扰而且远距离传输的信号不稳定、使用寿命短等问题。
因此，急需一种使用寿命长、灵敏度高、抗电磁干扰的传感器，对OPGW光缆覆冰的厚度进行实时监测。
发明内容
本发明的目的在于为了能够解决上述提到的至少一个技术问题，提供一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统。具体方案如下：
包括：光纤布拉格光栅传感器、光纤光栅解调仪和OPGW光缆；
所述光纤布拉格光栅传感器，包括：光纤光栅FBG1、光纤光栅FBG2和三角形悬臂梁，所述光纤光栅FBG1粘贴于所述三角形悬臂梁的外侧，所述光纤光栅FBG2粘贴于所述三角形悬臂梁的内侧，所述光纤布拉格光栅传感器，固定于OPGW光缆上，用于测量因覆冰后产生的应力；
所述光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测。
可选的，所述三角形悬臂梁，包括：
第一端部，所述第一端部包括第一圆孔；
第二端部，所述第二端部圆弧直径大于所述第一端部圆弧直径，所述第二端部包括第二圆孔，所述第二圆孔与所述第一圆孔直径相同；
侧壁，所述侧壁连接所述第一端部和第二端部同侧；所述侧壁与所述第一端部、第二端部围成一个梯形孔。
可选的，所述光纤光栅FBG1粘贴于所述侧壁的外侧；所述光纤光栅FBG2粘贴于所述梯形孔的靠近所述第二端部的内侧。
可选的，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测，包括：
当OPGW光缆上附有覆冰时，使得三角形所述悬臂梁产生应力；
通过所述光纤光栅解调仪解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值；
通过所述波长值计算出复合波长偏移量，获得覆冰厚度与所述复合波长偏移量的关系，计算出覆冰厚度。
可选的，所述覆冰厚度满足如下计算公式：
y＝kΔλ
其中，y是覆冰厚度，k是常数，Δλ是复合波长偏移量。
可选的，所述通过所述波长值计算出所述复合波长偏移量，包括：
将光纤光栅FBG1在光纤布拉格光栅传感器产生应力前后的波长值做差，得到光纤光栅FBG1波长偏移量；
将光纤光栅FBG2在光纤布拉格光栅传感器产生应力前后的波长值做差，得到光纤光栅FBG2波长偏移量；
将光纤光栅FBG2波长偏移量与光纤光栅FBG1波长偏移量做差，得到复合偏移量。
可选的，所述应力和所述复合波长偏移量之间的关系计算式如下：
ΔλB1＝KT1ΔT+Kε1ε (1)
ΔλB2＝KT2ΔT+Kε2ε (2)
(2)-(1)
Δλ＝ΔλB2-ΔλB1＝2Kε2ε
其中，ΔλB1是光纤光栅FBG1波长偏移量，ΔλB2是光纤光栅FBG2波长偏移量，Δλ是复合波长偏移量，KT1是温度系数，KT2是温度系数，KT1＝KT2，ΔT是温度变化量，Kε1是压变系数，Kε2是压变系数，Kε1＝-Kε2，ε是压变。
可选的，所述复合波长偏移量为1-2nm。
可选的，还包括：U型挂板和嵌环；
所述U型挂板,一端与三角形悬臂梁的一端相连，另一端与杆塔相连；
所述嵌环，一端与三角形悬臂梁的另一端相连，另一端与胶丝相连。
可选的，所述U型挂板，包括：
在U型开口处有贯穿于U型开口的螺钉，通过所述螺钉将所述U型挂板固定于杆塔上。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明采用的一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统，包括：光纤布拉格光栅传感器、光纤光栅解调仪和OPGW光缆；所述光纤布拉格光栅传感器，用于测量因覆冰后产生的应力；所述光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测。
本发明不仅可以消除温度对于光纤光栅波长偏移量的影响，还能使应变对于光纤光栅波长偏移量的影响提升一倍。
本发明采用的光纤光栅传感技术具有体积小、灵敏度高。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种光纤光栅测量覆冰的系统示意图；
图3示出了根据本发明实施例的光纤布拉格光栅原理示意图；
图4示出了根据本发明实施例的三角形悬臂梁粘贴FBG位置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
实施例1
为解决上述难题，本发明提出一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统，实现了在线对OPGW光缆覆冰的厚度实时监测。
如图1所示，是基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统示意图，该监测系统，包括OPGW光缆，光纤布拉格光栅传感器，以及光纤光栅解调仪，光纤布拉格光栅传感器可以测到覆冰厚度引起的波长偏移量，从而可以实现实时对光缆覆冰厚度的测量。如图2所示是光纤光栅测量覆冰的系统示意图，本发明光缆连接处的PD挂板采用三角形结构的悬臂梁22，三角形悬臂梁22两端分别与嵌环23的一端和U型挂板21的一端相连，U型挂板21在U型开口处有贯穿于U型开口的螺钉，通过螺钉将所述U型挂板21的另一端固定于杆塔上，嵌环23的另一端与胶丝24相连，胶丝24与嵌环23相连的一端26通过嵌环23向下呈现自然垂坠状，胶丝24的内部裹挟着内胶丝25。
由于三角形悬臂梁上面粘贴于光纤光栅，当OPGW光缆上附有覆冰时，将对三角形悬臂梁22的结构产生一定的拉力，使得三角形悬臂梁22产生一定的应变，同时两个光纤光栅的波长也分别会有相应的偏移量，通过光纤光栅解调仪解分别调出此时的波长值，再将两波长变化量即两波长偏移量做差得到复合波长偏移量,通过推算出覆冰厚度和复合波长偏移量的关系。
其中，光纤光栅，即FBG，全称为Fiber Bragg Grating，也称光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。OPGW光缆，是Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire的缩写，也称光纤复合架空地线。把光纤放置在架空高压输电线的地线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信双重功能，一般称作OPGW光缆。
所述光纤布拉格光栅传感器，包括：光纤光栅FBG1、光纤光栅FBG2和三角形悬臂梁，所述光纤光栅FBG1粘贴于所述三角形悬臂梁的外侧，所述光纤光栅FBG2粘贴于所述三角形悬臂梁的内侧，所述光纤布拉格光栅传感器，固定于OPGW光缆上，用于测量因覆冰后产生的应力；
如图3所示，一束光被传播到光纤布拉格光栅(FBG)的时候，当反射窄带光的中心波长满足布拉格方程时，光波产生光栅布拉格反射即只能反射一种特定波长的光，这个波长称为布拉格中心波长，而其它光波将被透过光栅沿原方向继续传播。
基于本发明的实施方式，当光缆附有覆冰时，三角形悬臂梁产生应力，光纤布拉格光栅解调仪发出的光被传播到光纤布拉格光栅FBG1的反射光和光纤布拉格光栅FBG2时产生的反射光，分别使各自布拉格中心波长发生偏移，经过多次的仿真和实验结果，找到复合波长偏移量最明显位置，即光纤布拉格光栅传感器中的三角形悬臂梁粘贴两个光纤光栅的最佳位置，此时，光纤布拉格光栅FBG1产生拉伸，其上的布拉格中心波长偏移量增大，光纤布拉格光栅FBG2产生压缩，其上的布拉格中心波长偏移量减小。分别对两个变化后的波长偏移量做差，做差结果即本发明双光栅的波长偏移量，即复合波长偏移量，该波长偏移量能够测量因覆冰产生的压变。在忽略温度变化的前提下，得出波长偏移量与压变呈线性关系，进一步得出覆冰厚度与压变呈线性关系，最终得出波长偏移量与覆冰厚度之间呈线性关系，以此实现光纤布拉格传感器对覆冰厚度的实时监测。
三角形悬臂梁的具体结构，如图4所示，三角形悬臂梁包括：第一端部41，所述第一端部41包括第一圆孔411；第二端部42，所述第二端部42圆弧直径大于所述第一端部41圆弧直径，所述第二端部42包括第二圆孔421，所述第二圆孔421与所述第一圆孔411直径相同；侧壁43；所述侧壁43连接所述第一端部41和第二端部42的上侧；所述侧壁43与所述第一端部41、第二端部42围成一个梯形孔44。
其中，三角形悬臂梁，外型近似于三角形，第一端部41小于第二端部42，第一端部41和第二端部42外侧都呈现圆弧状。从图4位置看，侧壁43包括上侧壁和下侧壁，上侧壁和下侧壁都呈长方体结构，上侧壁连接第一端部和第二端部的上侧，下侧壁连接第一端部和第二端部的下侧，上侧壁、下侧壁、第一端部和第二端部围成一个梯形孔。光纤光栅FBG2粘贴位于所述梯形孔的靠近所述第二端部的内侧，光纤光栅FBG1粘贴于所述侧壁的外侧。其中，上侧壁、下侧壁、第一端部和第二端部一体成型。
所述光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测。
其中，当光缆上附有覆冰后，光纤布拉格光栅传感器就产生应力，光纤光栅解调仪射到光纤光栅FBG上的光的波长会发生改变，光纤布拉格光栅传感器将此时的波长反馈给光纤光栅解调仪，由光纤光栅解调仪解调出此时的波长值，再由计算机利用变化前后的波长值，计算出波长的变化量即波长偏移量，也就是说，在每一个光纤光栅上，每一个压变将会对应产生一个波长偏移量。例如，
Δλ1＝KT1ΔT+Kε1ε1
Δλ2＝KT1ΔT+Kε2ε2
Δλ3＝KT1ΔT+Kε3ε3
……
Δλn＝KT1ΔT+Kεnεn
最终，在极短时间内温度可忽略的情况下，压变与波长偏移量呈线性关系。
覆冰厚度的计算公式如下：
y＝kΔλ
其中，y是覆冰厚度，k是常数，Δλ是复合波长偏移量。
光纤光栅的反射中心波长的变化同时与应力以及外界温度有关，当外界温度不发生变化时，光纤光栅由轴向产生应力，应力中的压变和波长偏移量有很好的线性关系；当光纤光栅不受应变影响时，光纤光栅由外界温度变化产生的波长偏移量和温度有很好的线性关系。
图4中标出光纤布拉格光栅的位置，经过多次的仿真和实验结果分析，找到复合波长偏移量达到最大的位置最大为1-2nm，并且实现一增一减的效果，即FBG1的波长偏移量增大，FBG2的波长偏移量减小，
例如，当光缆上附有覆冰时，三角形悬臂梁产生应力，那么，光纤光栅FBG1产生拉伸效果，光纤光栅FBG2生压缩效果。
例如，在三角形悬臂梁上面的双光栅结构中，光纤光栅FBG1波长偏移量ΔλB1，光纤光栅FBG1波长偏移量ΔλB2。
ΔλB1＝KT1ΔT+Kε1ε (1)
ΔλB2＝KT2ΔT+Kε2ε (2)
(2)-(1)
Δλ＝ΔλB2-ΔλB1＝2Kε2ε
其中，ΔλB1是光纤光栅FBG1波长偏移量，ΔλB2是光纤光栅FBG2波长偏移量，KT1是温度系数，KT2是温度系数，KT1＝KT2，ΔT是温度变化量，Kε1是压变系数，Kε2是压变系数，Kε1＝-Kε2，ε是压变，Δλ是复合波长偏移量。由于本发明对覆冰厚度的监测是实时的，所以在计算Δλ时，可以认为温度在极短的时间内是不变的，即(1)和(2)中的ΔT是相同的。由此可见，双光栅的方法不仅可以消除温度对于光纤光栅波长偏移量的影响，同时应变对于光纤光栅波长偏移量的影响提升一倍。
本发明采用的一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统，包括：光纤布拉格光栅传感器、光纤光栅解调仪和OPGW光缆；所述光纤布拉格光栅传感器，用于测量因覆冰后产生的应力；所述光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测。
本发明不仅可以消除温度对于光纤光栅波长偏移量的影响，还能使应变对于光纤光栅波长偏移量的影响提升一倍。
本发明采用的光纤光栅传感技术具有体积小、灵敏度高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤布拉格光栅的覆冰实时监测系统，其特征在于，包括：光纤布拉格光栅传感器、光纤光栅解调仪和OPGW光缆；
所述光纤布拉格光栅传感器，包括：光纤光栅FBG1、光纤光栅FBG2和三角形悬臂梁，所述光纤光栅FBG1粘贴于所述三角形悬臂梁的外侧，所述光纤光栅FBG2粘贴于所述三角形悬臂梁的内侧，所述光纤布拉格光栅传感器，固定于OPGW光缆上，用于测量因覆冰后产生的应力；
所述光纤光栅解调仪与所述光纤布拉格光栅传感器相连，用于解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三角形悬臂梁，包括：
第一端部，所述第一端部包括第一圆孔；
第二端部，所述第二端部圆弧直径大于所述第一端部圆弧直径，所述第二端部包括第二圆孔，所述第二圆孔与所述第一圆孔直径相同；
侧壁，所述侧壁连接所述第一端部和第二端部同侧；所述侧壁与所述第一端部、第二端部围成一个梯形孔。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅FBG1粘贴于所述侧壁的外侧；所述光纤光栅FBG2粘贴于所述梯形孔的靠近所述第二端部的内侧。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过所述波长值计算出复合波长偏移量,通过所述复合波长偏移量对覆冰厚度进行实时监测，包括：
当OPGW光缆上附有覆冰时，使得三角形所述悬臂梁产生应力；
通过所述光纤光栅解调仪解调出所述光纤布拉格光栅传感器产生应力后反馈给所述光纤光栅解调仪的波长值；
通过所述波长值计算出复合波长偏移量，获得覆冰厚度与所述复合波长偏移量的关系，计算出覆冰厚度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述覆冰厚度满足如下计算公式：
y＝kΔλ
其中，y是覆冰厚度，k是常数，Δλ是复合波长偏移量。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述通过所述波长值计算出所述复合波长偏移量，包括：
将光纤光栅FBG1在光纤布拉格光栅传感器产生应力前后的波长值做差，得到光纤光栅FBG1波长偏移量；
将光纤光栅FBG2在光纤布拉格光栅传感器产生应力前后的波长值做差，得到光纤光栅FBG2波长偏移量；
将所述光纤光栅FBG2波长偏移量与所述光纤光栅FBG1波长偏移量做差，得到复合偏移量。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应力和所述复合波长偏移量之间的关系计算式如下：
ΔλB1＝KT1ΔT+Kε1ε (1)
ΔλB2＝KT2ΔT+Kε2ε (2)
(2)-(1)
Δλ＝ΔλB2-ΔλB1＝2Kε2ε
其中，ΔλB1是光纤光栅FBG1波长偏移量，ΔλB2是光纤光栅FBG2波长偏移量，Δλ是复合波长偏移量，KT1是温度系数，KT2是温度系数，KT1＝KT2，ΔT是温度变化量，Kε1是压变系数，Kε2是压变系数，Kε1＝-Kε2，ε是压变。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述复合波长偏移量为1-2nm。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：U型挂板和嵌环；
所述U型挂板,一端与三角形悬臂梁的一端相连，另一端与杆塔相连；
所述嵌环，一端与三角形悬臂梁的另一端相连，另一端与胶丝相连。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述U型挂板，包括：
在U型开口处有贯穿于U型开口的螺钉，通过所述螺钉将所述U型挂板固定于杆塔上。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113405898A (zh) * 2021-05-24 2021-09-17 华南理工大学 光纤光栅监测复合绝缘子脆断系统及裂纹识别方法
CN113483678A (zh) * 2021-06-18 2021-10-08 安徽龙联智能光电有限公司 一种绝缘端子的覆冰监测方法
CN115753356A (zh) * 2023-02-13 2023-03-07 西北工业大学 基于光纤传感器测量螺栓应变的测试系统及其方法和应用

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