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华北电力大学 北京 102206
【文章摘要】
架空输电线路覆冰严重危害电网安全稳定运行。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（ Fiber Bragg Grating，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FBG 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；FBG
0 引言
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。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。
2 FBG 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，可以提高拉力测量的精度和其抗偏载能力，如图1 所示，光纤光栅应变片分别安装在U 型槽的上下表面。
图1 弹性体的结构
图2 弹性体结构剖视图
弹性体结构如图1 所示，其中，创新点就是结构的设计：在设计中，通过对弹性体结构巧妙的的设计，使此弹性体结构的受力面积达到可变化的效果，使其达到了变量程的目的。U 型槽俩侧的腹板之间的金属横梁发挥了极其重要的作用。金属横梁将U 型槽与其俩侧腹板连接在一起。当弹性体俩端刚受到拉力时，球型挂头首先受力形变带动u 型槽发生形变，根据胡克定律和杨氏模量，发生弹性形变时，有
其中，L 为弹性形变量，S 为受力面积。
由于u 型槽体横截面积较小，受到拉
实验研究
Experimental Research
电子制作
力发生形变时，根据公式可知形变量较大，则u 型槽内的拉力传感单元可以更加灵敏的感受到形变，当拉力达到一定程度时（金属横梁有效形变的临界点，取决于金属横梁所用材料），金属横梁便会带动俩侧腹板一起发生形变。实验室中，金属横梁所用材料为中碳钢，当拉力小于5KN 时，仅仅U 型槽体发生形变，当拉力达到5KN 时，金属横梁达到有效形变临界点， 从而带动u 型槽俩侧腹板发生形变，此时，弹性体俩端受到的拉力由整个U 型槽体及俩侧腹板承受，受力横截面积S 增大，相同形变情况下，可承受较大的拉力。因此该弹性体达到受拉力小于5KN 时应变较大，拉力大于5KN 时，应变相对变小， 达到了变量程的效果。该效果符合实际应用，在正常年份，不会出现雪灾等情况，则输电线受到的拉力较小，较高的灵敏度可得到更精确的数据，以此为参考，可用来确定对输电线进行维修检查的频率等；在雪灾年份，该测量装置作用是当输电线路承载量达到阈值时，发出提醒。该测量系统变量程过程曲线如下图所示：
图3 形变量与拉力的关系
2.2 光纤光栅拉力倾角传感器性能验证
当截面积为112mm2 时，传统柱式结构的惯性矩为 1052.064mm4，而双闭环U 型结构弹性体的惯性矩为 7189.33mm4，大大提高了抗弯能力。同时，相比于传统柱式结构，在双闭环U 型弹性体中，光纤光栅应变片安装处的受力应变分布更加均匀，因而测量的精确度大大提高。在球形头上 330°的范围进行偏载拉力模拟时， 通过有限元计算软件的计算，得到柱式和双闭环 U 型弹性体的相应位置的应变结果对比如图4 所示。
图 4 偏载情况下弹性体应变仿真结果对比
由图 4 可知，当受力不均匀时，柱式结构受拉面应变平均值为 2076.29με， 受压面应变平均值为 1599.61με， 双闭环 U 型结构受拉面应变平均值为 1871.50με，受压面应变平均值为1811.61με，而理论结果为1840με( 图4 中黑色虚线)，双闭环U 型结构受拉面与受压面应变均值更为接近，计算可知柱式结构平均应变值与理论值最大误差达到 13.4%，而双闭环U 型结构与理论结果的最大误差仅为 2.0%，抗偏载能力大大提高。当发生偏载时，弹性体U 型槽上下表面应变偏移量大小相等，方向相反，因此可以使用求均值的方法处理两个应变片的应变结果，从而减小偶然误差带来的偏差，根据应变定义我们可以得到被测拉力与应变的关系：
（ 3）
式中F 为传感单元所受拉力，A 为受力截面面积，E 为弹性体杨氏模量， ε1 和ε2 分别为弹性体U 型槽上下表面的应变值。在温度相同时，光纤光栅拉力测量应变与波长变化成正比关系，将式(1) 带入式(3)，设光纤光栅应变片的应变传递系数为 K，我们可以得到拉力变化与 FBG 波长变化的关系：
（ 4）
λ1 ，λ2 分别为U 型槽上下表面安装的FBG 应变片中心波长。由于实验室所使用的应变片的规格相同，光纤光栅的中心波长都处于 1550nm 波段，在误差允许范围内，可认为Pe1 =Pe2， ，式(4) 可以化简为：
其中为拉力传感系数，实验中开发的拉力传感单元中 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, 带入数据计算得到。由公式（1）计算可知，当俩波长变化量FBG1，FBG2 相减时，便可以消除FBG 应变与温度的交叉敏感问题， 从而不需要额外补偿措施。从式(5) 可以看出，波长变化与弹性体所受拉力成线性关系，因此通过测量 FBG 反射波中心波长的变化便可以得知导线悬挂处拉力的线性变化。同时，再通过该传感器的温度补偿和倾角补偿，可进一步减小误差，提高覆冰监测的精确度。
3 结论
1) 研制的FBG 双闭环 U 型拉力传感器在受力后，在U 型槽上下表面可相应地产生拉、压的主应变，将计算得到的两FBG 波长值相减，便消除FBG 温度与应变这俩个变量的交叉敏感问题，而不需要额外补偿措施。
2) 研发出的FBG 拉力倾角传感器性能优越，它的灵敏度为 0.0413pm/N，分辨率为 24.21N，测量结果的非线性误差仅为1.7%，精确度达到2.37%。
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