輸電線路微氣象監(jiān)測(cè)溫濕度傳感器研究

楊 俊， 張長(zhǎng)勝， 梁仕斌

(1. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650501；2. 云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行在整個(gè)電力系統(tǒng)有著重要意義。隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸電線路越來越龐大和復(fù)雜[1～2]。在某些特殊的地理?xiàng)l件下會(huì)有一些特殊的氣候環(huán)境，惡劣的氣候環(huán)境會(huì)影響輸電線路的正常運(yùn)行。一旦輸電線路發(fā)生損壞和倒塌將會(huì)造成整個(gè)電網(wǎng)的不穩(wěn)定運(yùn)行，因此輸電線路的微氣象監(jiān)測(cè)是十分有必要的[3～4]。

傳統(tǒng)的電子式溫濕度傳感器運(yùn)用于輸電線路容易受到強(qiáng)電磁的干擾，并且在環(huán)境惡劣的環(huán)境下使用壽命時(shí)間短，測(cè)量精度不高[5]。考慮到光纖Bragg光柵具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，無需現(xiàn)場(chǎng)充電等特點(diǎn)[6]。張向冬等人基于光纖傳感技術(shù)，以改性PI薄膜為濕敏材料研究了一種溫濕度傳感器并進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)[7]。畢衛(wèi)紅等人提出一種基于PVA聚乙烯醇為薄膜的溫濕度傳感器并對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)和傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)[8]。這類傳感器響應(yīng)速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力較差，不適合在野外惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期使用。毛發(fā)式溫濕度傳感器精度高、抗污染能力較強(qiáng)可以適用于較為惡劣的環(huán)境下。

本文中把毛發(fā)束使用連接體與等強(qiáng)度懸臂梁連接，使用毛發(fā)鉤和調(diào)節(jié)螺釘固定在支架上。當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度收縮，毛發(fā)束收縮產(chǎn)生彈性拉力，毛發(fā)束受到彈性拉力產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)量，同時(shí)等強(qiáng)度懸臂梁受到彈性拉力使得其自由端產(chǎn)生撓度，帶動(dòng)等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)稱中心處的光纖Bragg光柵發(fā)生中心波長(zhǎng)的變化，克服了傳統(tǒng)溫濕度傳感器的不足，并兼有溫濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)[9～11]。通過光纖與等強(qiáng)度懸臂梁上粘貼的光柵連接，光纖使用FC跳線與光纖Bragg光柵解調(diào)儀連接，解調(diào)儀將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

常見的光纖光柵溫濕度傳感器是將光纖光柵溫度傳感器和濕度傳感器集成在一起，F(xiàn)BG溫濕度傳感器利用濕敏材料為光纖Bragg光柵的表面涂覆層。此種FBG傳感器主要有一個(gè)對(duì)溫濕度敏感的FBG1組成和僅僅對(duì)溫度敏感的FBG2組成。將濕敏材料涂覆在FBG1的表層，監(jiān)測(cè)溫度變化量和濕度變化量。FBG2無濕敏材料涂覆，只對(duì)溫度變化量敏感，從而將溫度變化量轉(zhuǎn)化為中心波長(zhǎng)變化量，通過公式進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算可以求出溫濕度變化的值。

本文中的傳感器為光纖Bragg光柵毛發(fā)溫濕度傳感器，該傳感器主要由毛發(fā)束、毛發(fā)鉤、光纖Bragg光柵、固定螺絲、等強(qiáng)度懸臂梁組成。發(fā)毛束通過上連接體與等強(qiáng)度懸臂梁連接，通過下連接體與毛發(fā)鉤固定在支架上，等強(qiáng)度懸臂梁通過固定螺絲與支架固定，在等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)稱線中心上下表面粘貼同一型號(hào)的FBG，F(xiàn)BG通過光纖引出信號(hào)，如圖1所示。

圖1 FBG溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)

毛發(fā)型光纖Bragg光柵溫濕度傳感器原理是：當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度降低時(shí)，毛發(fā)束收縮產(chǎn)生變化量 ΔL，毛發(fā)束由于收縮產(chǎn)生彈性拉力F1，毛發(fā)束在受到彈性拉力后產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)量Δx，與此同時(shí)，等強(qiáng)度懸臂梁自由端收到彈性拉力使得自由端產(chǎn)生撓度變化Δd，使得粘貼在對(duì)稱中心的兩個(gè)FBG發(fā)生波長(zhǎng)移位。相對(duì)濕度RH與毛發(fā)收縮量ΔL的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(1)

式中：L為毛發(fā)束的長(zhǎng)度。

毛發(fā)束受到彈性拉力產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量Δx與毛發(fā)束收到的彈性拉力F1的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(2)

式中：n為毛發(fā)束的毛發(fā)數(shù)量；E1為毛發(fā)束的彈性模量；r為一根毛發(fā)的半徑。

等強(qiáng)度懸臂梁自由端受到的力F2與等強(qiáng)度懸臂梁自由端產(chǎn)生的撓度變化Δd的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(3)

環(huán)境濕度降低時(shí)毛發(fā)束產(chǎn)生的收縮量ΔL與等強(qiáng)度懸臂梁自由端受力產(chǎn)生的撓度Δd的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

ΔL=Δd+Δx

(4)

等強(qiáng)度懸臂梁的軸向應(yīng)變?chǔ)う排cΔd數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(5)

等強(qiáng)度懸臂梁自由端所受到的力與毛發(fā)束受到的彈性拉力是相等的，即：

(6)

在監(jiān)測(cè)過程中，溫度變化量為ΔT，光纖Bragg光柵隨等強(qiáng)度懸臂梁形變。等強(qiáng)度懸臂梁自由端形變與溫度引起FBG的中心波長(zhǎng)發(fā)生位移Δλl，數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

Δλl=(SεΔε+STΔT)λl

(7)

式中：Sε為等強(qiáng)度懸臂梁的應(yīng)變系數(shù)；ST為溫度敏感系數(shù)；λl為FBG中心波長(zhǎng)。

為了消除環(huán)境溫度的影響，在等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)稱線中心上下表面粘貼兩個(gè)相同型號(hào)的FBG，兩個(gè)FBG波長(zhǎng)變化量相減：

Δλl′=Δλl1-Δλl2

(8)

式中：Δλl′為兩個(gè)FBG的波長(zhǎng)變化量的差值；Δλl1，Δλl2分別為兩個(gè)FBG波長(zhǎng)變化量。

將兩個(gè)FBG的波長(zhǎng)變化量相加，可以得出環(huán)境溫度的變化量數(shù)學(xué)關(guān)系式：

(9)

將式(3)、(5)代入式(6)可得：

(10)

結(jié)合上式可以計(jì)算出環(huán)境的相對(duì)濕度：

lgRH=

(11)

2 FBG溫濕度傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要由工控機(jī)、光纖Bragg光柵解調(diào)儀、光纖跳線、恒溫恒濕箱等組成，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)原理是當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)引起光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)發(fā)生變化，光纖Bragg光柵解調(diào)儀內(nèi)的ASE寬帶光源發(fā)出寬帶光，將光波反射回解調(diào)儀，解調(diào)儀將反射回來的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)后的波長(zhǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)將波長(zhǎng)經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出溫度變化量和相對(duì)濕度。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

實(shí)驗(yàn)步驟具體如下：步驟一，使用恒溫恒濕箱將溫度設(shè)置在35 ℃保持不變，將濕度分別調(diào)至40%、50%、60%、70%、80%和90%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持恒溫恒濕箱35 ℃不變，將濕度從90%降低到40%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄濕度光柵的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；步驟二，使用恒溫恒濕箱將溫度調(diào)至40 ℃保持不變，將濕度分別調(diào)至40%、50%、60%、70%、80%和90%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持恒溫恒濕箱40 ℃不變，將濕度從90%降低到40%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄濕度光柵的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；步驟三，使用恒溫恒濕箱將濕度調(diào)整至40%RH不變，將溫度分別調(diào)至30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持濕度不變，將溫度下調(diào)至30 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄溫度光柵中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；步驟四，使用恒溫恒濕箱將濕度調(diào)整至60%RH不變，將溫度分別調(diào)至30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持濕度不變，將溫度下調(diào)至30 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄溫度光柵中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

將實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)分別繪制成相對(duì)濕度(%RH)與光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)的擬合曲線如圖3和圖4，溫度與光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)的擬合曲線如圖5和圖6所示。

圖3 溫度一定，濕度光柵隨濕度的正行程變化

圖4 溫度一定，濕度光柵隨濕度的反行程變化

圖5 濕度一定時(shí)，溫度光柵隨濕度的正行程變化情況

圖6 濕度一定時(shí)，溫度光柵隨濕度的反行程變化情況

在圖3和圖4中可以看出溫度保持在35 ℃時(shí)，濕度從40%RH到90%RH，正行程擬合曲線表達(dá)式為y=0.004 8x+1 536.4,反行程擬合曲線為y=0.004 9x+1 536.4，使用恒溫恒濕想上升溫度至40 ℃，濕度從40%RH到90%RH，正行程擬合曲線表達(dá)式為y=0.051x+1 536.4，反行程擬合曲線為y=0.051x+1 536.4。當(dāng)溫度上升后，相對(duì)濕度與光柵的波長(zhǎng)基本成線性關(guān)系，光纖Bragg光柵溫濕度傳感器中濕度光柵波長(zhǎng)隨濕度變化的系數(shù)為0.004 8 nm/%RH，即1%RH的濕度變化產(chǎn)生0.004 8 nm的濕度光柵中心波長(zhǎng)變化。

在圖5和圖6中可以看出濕度保持在40%RH時(shí)，溫度從30 ℃上升到80 ℃，正行程擬合曲線表達(dá)式為y=0.006 2x+1 535.4，反行程擬合曲線為y=0.006 6x+1 535.4。使用恒溫恒濕箱將實(shí)驗(yàn)濕度環(huán)境調(diào)節(jié)至60%RH，正行程擬合曲線表達(dá)式為y=0.006 5x+1 535.4，反行程擬合曲線為y=0.006 1x+1 535.4。當(dāng)相對(duì)濕度上升后，溫度與光柵波長(zhǎng)成線性關(guān)系，光纖Bragg光柵溫濕度傳感器中溫度光柵波長(zhǎng)隨溫度變化的系數(shù)為 0.006 1 nm/℃，即當(dāng)環(huán)境溫度變化1 ℃時(shí)，溫度光柵的中心波長(zhǎng)變化量為0.006 1 nm。

4 掛網(wǎng)試運(yùn)行

光纖Bragg光柵溫濕度傳感器已于2017年10月在云南昭通市某110 kV輸電鐵塔進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行輸電線路微氣象的監(jiān)測(cè)。FBG溫濕度傳感器安裝于輸電桿塔2/3平臺(tái)處。傳感器的安裝完成后，使用不銹鋼扎帶將傳感器的尾纖捆綁在桿塔上。

收集云南電網(wǎng)某110 kV輸電鐵塔2017年11月期間的變化數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。電網(wǎng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析鐵塔周圍的微氣象，由于氣候與氣象條件的不同會(huì)導(dǎo)致線路覆冰密度的不同，以霧凇、積雪、雨凇和結(jié)晶等方式出現(xiàn)，對(duì)輸電線路進(jìn)行保護(hù)和預(yù)防，提高了整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

針對(duì)輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行研究了一種基于光纖Bragg光柵的毛發(fā)束溫濕度傳感器，該傳感器在其封裝內(nèi)使用固定螺絲將等強(qiáng)度懸臂梁與支架固定，毛發(fā)束上端面使用連接體將毛發(fā)束與等強(qiáng)度懸臂梁連接，毛發(fā)束下端使用連接體與毛發(fā)鉤連接，使用調(diào)節(jié)螺釘將毛發(fā)鉤與直接固定，兩個(gè)光纖Bragg光柵粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)稱中心處。當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度收縮，毛發(fā)束收縮產(chǎn)生彈性拉力，毛發(fā)束受到彈性拉力產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)量，同時(shí)等強(qiáng)度懸臂梁受到彈性拉力使得其自由端產(chǎn)生撓度，帶動(dòng)等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)稱中心處的光纖Bragg光柵發(fā)生中心波長(zhǎng)的變化。

對(duì)FBG溫濕度傳感器進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，保持溫度在一個(gè)固定值時(shí)，測(cè)試不同濕度條件下濕度光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)變化。保持濕度在一個(gè)固定值，測(cè)試不同溫度條件下溫度光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)變化。結(jié)果表明：光纖Bragg光柵溫濕度傳感器濕度光柵的靈敏度為0.004 8 nm/%RH，溫度光柵的靈敏度為0.006 1 nm/℃。