输电导线光纤光栅应力传感器

摘要

本发明涉及的是一种输电导线应力传感器，特别是一种输电架空线路光纤光栅应力传感器，是一种对输电架空线路在线应力监测的传感器。包括光纤光栅、形变体、引出光缆和光缆引出端口，形变体的两端为扁形长方体，在扁形长方体上均开有金具安装孔；形变体的中间部分为圆柱体，在形变体的上部设有光缆引出端口，在形变体的中心线位置开有U型槽；光纤光栅平行粘附在U型槽中，光纤光栅的一端粘附在形变体上，另一端从光缆引出端口通过引出光缆引出，用于连接光纤光栅分析设备。本发明为无源器件，无需供电，有效的避免了在线取电难的问题，完全满足长距离架空线路的使用。通过对光纤光栅的封装和外形设计，更有利于输电架空线路的连接。

权利要求

1.一种输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：包括光纤光栅、形变体、引出光缆和光缆引出端口，形变体的两端为扁形长方体，在扁形长方体上均开有金具安装孔；形变体的中间部分为圆柱体，在形变体的上部设有光缆引出端口，在形变体的中心线位置开有U型槽；光纤光栅平行粘附在U型槽中，光纤光栅的一端粘附在形变体上，另一端从光缆引出端口通过引出光缆引出，用于连接光纤光栅分析设备。

2.权利要求1所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述的形变体采用合金材质。

3.根据权利要求2所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述的合金材质为不锈钢。

4.根据权利要求1所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述金具安装孔的直径为20～40mm，便于传感器连接线路金具。

5.根据权利要求1所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述的U型槽宽0.5mm，深0.5mm。

6.根据权利要求1所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述光纤光栅采用胶粘剂粘附在U型槽中。

7.根据权利要求6所述的输电导线光纤光栅应力传感器，其特征在于：所述胶粘剂采用航空胶。

说明书

输电导线光纤光栅应力传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种输电导线应力传感器，特别是一种输电架空线路光纤光栅应力传感器，是一种对输电架空线路在线应力监测的传感器。

背景技术

[0002] 架空输电线路受覆冰，暴雪等自扰灾害的影响，容易造成线路断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，给社会造成了巨大的经济损失。对架空输电线路进行应力在线监测，一直是纵多设计研究院所为难的问题。目前的在线监测设备在架空线路上很难自取电，并且监测设备传输能力差，只能传输十公里，无法满足架空输电线路的要求。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种输电导线光纤光栅应力传感器，采用光纤光栅原理对输电线路进行应力和覆冰等的监测，通过光纤光栅应力传感器中光栅反射波长的变化得出线路中应力的变化，并可对故障区域进行准备定位并发出报警，在第一时间通知运行部门，真正达到事前预警的效果，解决传统传感器难取电、传输距离短等缺点。

[0004] 输电导线光纤光栅应力传感器是采取以下技术方案实现的：输电导线光纤光栅应力传感器包括光纤光栅、形变体、引出光缆和光缆引出端口，形变体的两端为扁形长方体，在扁形长方体上均开有金具安装孔；形变体的中间部分为圆柱体，在形变体的上部设有光缆引出端口，在形变体的中心线位置开有U型槽；光纤光栅平行粘附在U型槽中，光纤光栅的一端粘附在形变体上，另一端从光缆引出端口通过引出光缆引出，用于连接光纤光栅分析设备。当形变体发生弹性形变时，光纤光栅随之一起发生弹性形变。这样光纤光栅波长值便可以通过光缆直接传输至中继站或接受站中的光纤光栅分析仪，光纤光栅分析仪直接显示出架空线路实时的应力值。

[0005] 所述的形变体采用不锈钢材质或者合金材质。

[0006] 所述金具安装孔的直径为20～40mm，便于传感器连接线路金具。

[0007] 所述的U型槽宽0.5mm，深0.5mm。

[0008] 所述光纤光栅采用胶粘剂粘附在U型槽中。

[0009] 所述粘胶剂可以采用航空胶，将光纤传感器件直接固定于金属构件表面最常规的方式是采用有机类粘接剂进行粘贴，使有机类粘接剂起到对光纤传感器件进行固定与应力传递的双重作用。但经分析发现，由于有机类粘接剂的材料特性与金属材料、光纤器件有极大差异，故难以保证金属/环氧/二氧化硅之间精确、有效的应力传递，且粘接剂本身的蠕变、老化特性还会降低测量稳定性与长期可靠性。同时，有机粘接剂的现场操作技术要求极高，很难保证粘接胶涂覆厚度沿器件的均匀性，容易产生测量结果与金属构件实际应变不一致的现象；且在现场直接操作过程中稍有不慎，就会造成光纤传感器件的破坏，因此有机类粘接剂难以直接应用在应变监测要求较高的领域。为了克服有机胶的缺点，必须通过建立金属构件、粘接层、光纤传感器件的应力传递没模型，深入分析粘接层材料特性对光纤传感器件应力传感性能的影响，从而实现对粘接层材料的优选及对应力传递方式的改进。通过试验我们知道当选用金属作为粘接层时，应变传递效率相对于胶类粘接剂来说有着明显的优势。当铅作为传递层时，应变传递效率高达0.9828，相比常用环氧树脂粘接剂应变传递效率0.88提高了11%。通过试验我们还知道金属封装光纤光栅应变传感器较聚合物封装具有高的应变和温度灵敏度。在钢结构上采用焊接工艺安装金属封装光纤光栅应变传感器可获得较高的疲劳可靠性。

[0010] 所述光纤光栅是光纤纤芯折射率受到永久性周期性的微扰而形成的一种光纤无源器件，光纤沿径向从里向外依次为纤芯、包层和涂覆层，利用的紫外光照射工艺，对光纤纤芯进行照射，改变光纤中锗元素的分布，使得光纤纤芯的一段区域折射率发生周期性变化，从而制成光纤光栅。

[0011] 工作原理：本发明输电导线光纤光栅应力传感器使用时，用引出光缆一端连接光纤光栅，另一端连接线路光纤，通过线路光纤将光纤光栅波长值传输至中继站或机房的光纤光栅分析仪。光纤光栅分析仪是专业的光纤光栅波长接受设备，能自动读出光纤光栅的波长值，通过设计好的计算软件，自动显示输电架空线路光纤光栅应力传感器的应力值。

[0012] 本发明输电导线光纤光栅应力传感器的优点包括：

[0013] 1、本发明为无源器件，无需供电，有效的避免了在线取电难的问题。

[0014] 2、输电架空线路光纤光栅应力传感器的数值传输距离可达到50Km，两端同时测量，可达百公里以上，完全满足长距离架空线路的使用。

[0015] 通过对光纤光栅的封装和外形设计，更有利于输电架空线路的连接。

附图说明

[0016] 以下将结合附图对本发明作进一步说明：

[0017] 图1 是本发明输电导线光纤光栅应力传感器的结构示意图。

[0018] 图2 是光纤光栅波长变化与温度及应力变化关系图。

[0019] 图中：1、金具安装孔，2、光纤光栅，3、光栅点，4、U型槽，5、引出光缆，6、胶粘剂，7、形变体，8、光缆引出端口。

具体实施方式

[0020] 参照附图1，本发明输电导线光纤光栅应力传感器包括光纤光栅2、形变体7、引出光缆5和光缆引出端口8，形变体7的两端为扁形长方体，在扁形长方体上均开有金具安装孔1；形变体7的中间部分为圆柱体，在形变体7的上部设有光缆引出端口8，在形变体7的中心线位置开有U型槽4；光纤光栅2平行粘附在U型槽4中，光纤光栅2的一端粘附在形变体7上，另一端从光缆引出端口8通过引出光缆5引出，用于连接光纤光栅2分析设备。当形变体7发生弹性形变时，光纤光栅2随之一起发生弹性形变。这样光纤光栅2波长值便可以通过光缆直接传输至中继站或接受站中的光纤光栅分析仪，光纤光栅分析仪直接显示出架空线路实时的应力值。

[0021] 所述的形变体7采用不锈钢材质或者合金材质。

[0022] 所述金具安装孔1的直径为20～40mm，便于传感器连接线路金具。

[0023] 所述的U型槽4宽0.5mm，深0.5mm。

[0024] 所述光纤光栅2采用胶粘剂6粘附在U型槽4中。

[0025] 所述粘胶剂6可以采用航空胶。

[0026] 参照附图2，光纤光栅能 将入射光中 某一特定波 长的光部分 或全部反射。当一束宽光谱光λ经过光纤光栅时，被光栅反射回一单色光
，相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长 与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率 有关。当光纤光栅周围的温度或应力发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率 产生变化，从而产生光栅信号的波长漂移 ，通过监测波长 的变化情况，即可获得测点上光纤光栅周围温度或应力的变化状况，波长与应力和温度的对应关系如公式（1）。

[0027] （1）

[0028] 光栅在不受应变的情况下，光纤光栅波长漂移 与温度的关系如公式（2）[0029] （2）

[0030] 其中：α表示光纤的热膨胀系数，一般为0.55×10-6/℃；

[0031] ξ表示光纤光栅的热光系数，常温下约6.3×10-6/℃；

[0032] ΔT 表示温度变化；Δ 表示应力变化。

[0033] 所以，光纤光栅波长的变化与环境温度及应力的变化呈线性变化关系（如图1），分别为10pm/℃，1pm/ ，通过检测光纤光栅波长，就可以测得环境温度或应力情况。

[0034] 本发明输电导线光纤光栅应力传感器使用时，用引出光缆5一端连接光纤光栅2，另一端连接线路光纤，通过线路光纤将光纤光栅2波长值传输至中继站或机房的光纤光栅分析仪。光纤光栅分析仪是专业的光纤光栅波长接受设备，能自动读出光纤光栅的波长值，通过设计好的计算软件，自动显示输电架空线路光纤光栅应力传感器的应力值。