基于变电站沉降监测的光纤光栅传感器
胡正文+程冯宇+庞成鑫+桑杰+焦莉平+邵嘉
摘 要： 根据光纤布拉格光栅传感器具有抗干扰强、高灵敏度和工作寿命长等优良的物理特性，针对变电站沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力、工作环境恶劣、积累时间长等突出问题，设计了新型光纤光栅沉降位移传感器，其沉降测量量程最大为300 mm，灵敏度为17.8 pm/mm，沉降位移分辨率为0.784 93 mm。与传统的沉降传感器相比，在测量灵敏度、分辨率和沉降量测量范围上有了极大的提高。综合实验结果，该传感器能实现对变电站地基和电气设备进行大范围、高灵敏度、高分辨率地沉降监测。
关键词： 光纤传感； 沉降传感器； 沉降转换； 变电站监测； 位移检测； 智能电站
中图分类号： TN253?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）01?0143?04
Abstract： Since the fiber Bragg grating sensor has strong anti?interference， high sensitivity， long service life and excellent physical properties， and the settlement deformation monitoring project of substation exists the problems of a lot of manpower consumption， poor working environment and long time accumulation， a new fiber Bragg grating settlement sensor was designed， whose maximum settlement measuring range is 300 mm， the sensitivity is 17.8 pm/mm， and the resolution of settlement displacement is 0.784 93 mm. In comparison with those of the traditional settlement sensors， the measuring sensitivity， resolution and settlement measuring range are improved greatly. According to the experimental results， the sensor can realize the large?scale， high?sensitivity and high?resolution settlement monitoring for the transformer substation foundation and electrical equipment.
Keywords： optical fiber sensing； settlement sensor； settlement conversion； substation monitoring； displacement detection； intelligent power station
0 引 言
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[1?2]。目前，对于变电站的智能化建设主要集中在对变压器、电流电压互感器、GIS、SF6断路器、隔离开关等变电站一次设备和继电保护装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置等二次设备的在线监测与智能控制上，而对于变电站基础建筑的智能化监测方面的建设正处于起步阶段[3]。
变电站内的建筑物是保障电网安全的电力基础设施，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[4]。由于变电站大多建设在偏远的地区，其地质条件和气候条件经常会引起变电站的地基沉降。变电站的地基沉降分为均匀沉降和不均匀沉降，当地基产生均匀沉降时，对地面上的电气设备产生的附加内应力较小，不至于带来较大的危害。但是当地基产生不均匀沉降时，对地面上的电气设备产生的附加内应力巨大，容易造成电气设备的断裂、倾斜甚至坠落，从而造成电气设备事故的发生[5]。
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[6]。但是这种监测方法的工作量繁重、耗时长，而测得的数据量相反却较少，容易受到环境因素的影响，使得判断的准确性不佳，而基于光纤布拉格光栅传感器的变电站沉降监测系统具有检测精度高、可实现实时在线监测与预警等优势[7]。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器是变电站基础沉降监测系统的关键，FBG传感器利用光纤的光学特性和传感特性来探测工程中各种物理量[8]。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，集传感信息的获取与传输一体，方便组成分布式光纤传感等优点[9]。本文采用FBG设计变电站沉降监测的沉降传感器，能够实现对变电站的沉降状况进行实时监测，针对变电站沉降积累时间长、沉降范围大以及工作环境恶劣等特点，FBG沉降传感器能够很好地解决变电站沉降监测的问题。
1 FBG传感原理及传感器设计
1.1 FBG传感基本原理
FBG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[10]。只有满足布拉格条件的光波才能够被光栅反射，其布拉格条件为：
[λB=2neffΛ] （1）
式中：[λB]是FBG的反射波长；[neff]表示光纤纤芯的有效折射率；[Λ]为FBG中光栅的折射率调制周期或者栅距。FBG反射的中心波长[λB]只取决于[neff]和[Λ，]当二者发生变化，中心波长[λB]的变化表征为：
[ΔλBλB=Δneffneff+ΔΛΛ] （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[λB]也将发生漂移，漂移量与应力变化关系为：
[ΔλB=λB（1-Pe）Δε] （3）
式中[Pe]表示FBG材料的有效弹光系数，可以定义为：
[Pe=n2effP2-μ（P1+P2）2] （4）
式中：[P1，][P2]为FBG材料的弹光系数；[μ]为FBG材料的泊松比。
1.2 FBG沉降传感器的设计
FBG沉降传感器的基本原理是将变电站沉降位移量的变化转换为光信号参数的变化。通过FBG沉降传感器可以准确地将沉降位移量转换为作用在FBG上的拉应力，进一步转换为光纤中传输的光学参量，然后对传输光谱进行解调，准确地得到反射光中心波长的变化量，最后通过测量反射光中心波长的变化量，即可得到准确的沉降位移量[11]。
基于变电站沉降测量的FBG传感器，由一个高精密的拉伸弹簧和一个FBG以及连接部件构成，FBG通过连接件一端与参考点相连，另一端与高精密弹簧相连。传感器下端的连接件固定在变电站的设备上，上端的连接件固定到基准平面上，作为位移参考点。参考点和沉降物根据沉降状况发生相对位移，位移量通过连接部件的作用转换成高精密拉伸弹簧的弹性伸长量，弹簧的弹性伸长产生拉应力作用在FBG上。FBG沉降传感器的结构图如图1所示。
拉伸弹簧的最大负荷、弹簧刚度、最大拉伸長度决定了FBG沉降传感器的测量范围、分辨率和精度。最大拉伸长度越大，沉降的测量量程范围越大，弹簧刚度越小，则分辨率越高。弹簧和FBG线性度越稳定，则沉降测量精度越高。但是当沉降的位移量过大时，FBG可能会因为承受过大的应变而发生断裂。因此拉伸弹簧的最大负荷需要根据传感器的性能需求来设计。实验设计中选用的是LeeSpring公司标准定制的高精密拉伸弹簧，型号为LE014B13，最大负荷为0.36 kg，弹簧刚度为0.001 3 kg/mm，最大拉伸长度为339.34 mm。本文设计了量程为300 mm的光纤沉降位移传感器，其测量分辨率达到0.784 93 mm。
1.3 实验平台设计
实验平台结构图如图2所示。各个模块选择如下。宽带光源：由于SLED光源既具备LD光源输出功率高的特点，又具备LED光源宽光谱的特点，且稳定性好，所以系统中的宽带光源采用型号为DL?BX9?CS5169A的SLED光源，中心波长为1 550 nm，功率为17.6 mW，谱宽[12]为78.2 nm。
光谱分析仪：选择日本安立光谱分析仪 MS9740A，波长测试范围为600～1 750 nm，波长精度为±20 pm，最大输入光功率为223 dBm。
3 dB耦合器：Thorlabs公司的型号为TW1550R5A2，工作波长为1 550 nm，双向耦合（任一端都可用作输入端）。
FBG：杭州光佑科技有限公司，中心波长为（1 550±0.2） nm，反射率≥85%，3 dB带宽≤0.3 nm，边模抑制比≥15 dB，栅区长度为12 mm，光纤类型为SMF?28C。
实验过程如下：宽带光源用于产生宽带出射光，经过3 dB耦合器后，有部分出射光耦合进入FBG，FBG产生的反射光会再次进入3 dB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FBG的反射光谱进行分析和存储。FBG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FBG产生相应的拉应力[13?16]。
2 实验结果与讨论
2.2 实验数据分析
实验选用3个FBG分别做10组拉应力实验，三组拉应力的实验分别是第一组：0～5 N，应力间隔0.5 N；第二组：1.1～2.0 N，应力间隔0.1 N；第三组：3.1～4 N，应力间隔0.1 N。具体数据如表1所示。
表1中的数据是温度保持在室温（25 ℃）情况下采集的，FBG的中心放射波长漂移量与轴向应力呈很好的线性关系，通过线性拟合计算出拉力灵敏度系数为1.4 nm/N。同时对Lee Spring公司的标准定制的拉伸弹簧进行了拉伸实验。高精密拉伸弹簧型号为LE014B13，实验测得最大负荷为0.56 kg，弹簧刚度为0.001 3 kg/mm，使用拉伸弹簧模拟变电站地基沉降的过程，对弹簧施加等值的拉力，记录弹簧的拉伸量（即沉降量），具体数据如表2所示。
通过表2的数据分析可知，在弹簧的最大拉伸长度内，拉力与沉降位移量呈非常好的线性关系，经过拟合计算可得沉降量与弹簧的拉力线性系数为78.493 mm/N。
为了提高对沉降位移量的测量精度和分辨率，继续使用三轴位移平台进行拉伸实验测试，其三轴测试平台的位移分辨率可达到20 μm，经过换算，其对应的拉应力的分辨率为0.01 N，该沉降传感器的分辨率可提高10倍，FBG中心波长漂移灵敏度为17.8 pm/mm，实验测得最小沉降位移分辨率为0.784 93 mm，此外最大的沉降测量范围可以达到300 mm。如此高分辨率、高灵敏度FBG沉降传感器完全可以实现对变电站及其电气设备的沉降位移的监测。
3 结 论
本文设计了一种基于高精密的拉伸弹簧的光纤布拉格光纤光栅沉降传感器，实验结果表明，该结构对沉降测量有良好的线性特性、重复性和稳定性，FBG沉降传感器的位移分辨率为0.784 93 mm，灵敏度为17.8 pm/mm，沉降测量范围可达到300 mm，通过定制不同的弹簧的自由拉伸长度和弹簧的刚度可灵活改变传感测量范围和测量精度。该FBG传感器可以用于基于分布式光纤传感网络的变电站基础沉降监测系统，可对变电站沉降实现实时在线监测与预警。
与现有的FBG应力传感器相比，本文设计的FBG沉降传感器更加适合于变电站的沉降监测。部分基于FBG的应力传感器能够在微应变测量领域有很好的灵敏度，但是能够测量的应变量极其微小，不适合用于沉降范围较大的建筑。部分基于液压原理的沉降传感器安装使用复杂、工作寿命短、对工作环境要求高，对变电站沉降积累时间长、工作环境恶劣的特点不适应。综上所述，基于FBG的沉降传感器在变电站和电气设备的沉降监测方面具有重要作用。
注：本文通讯作者为庞成鑫。
参考文献
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摘 要： 根据光纤布拉格光栅传感器具有抗干扰强、高灵敏度和工作寿命长等优良的物理特性，针对变电站沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力、工作环境恶劣、积累时间长等突出问题，设计了新型光纤光栅沉降位移传感器，其沉降测量量程最大为300 mm，灵敏度为17.8 pm/mm，沉降位移分辨率为0.784 93 mm。与传统的沉降传感器相比，在测量灵敏度、分辨率和沉降量测量范围上有了极大的提高。综合实验结果，该传感器能实现对变电站地基和电气设备进行大范围、高灵敏度、高分辨率地沉降监测。
关键词： 光纤传感； 沉降传感器； 沉降转换； 变电站监测； 位移检测； 智能电站
中图分类号： TN253?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）01?0143?04
Abstract： Since the fiber Bragg grating sensor has strong anti?interference， high sensitivity， long service life and excellent physical properties， and the settlement deformation monitoring project of substation exists the problems of a lot of manpower consumption， poor working environment and long time accumulation， a new fiber Bragg grating settlement sensor was designed， whose maximum settlement measuring range is 300 mm， the sensitivity is 17.8 pm/mm， and the resolution of settlement displacement is 0.784 93 mm. In comparison with those of the traditional settlement sensors， the measuring sensitivity， resolution and settlement measuring range are improved greatly. According to the experimental results， the sensor can realize the large?scale， high?sensitivity and high?resolution settlement monitoring for the transformer substation foundation and electrical equipment.
Keywords： optical fiber sensing； settlement sensor； settlement conversion； substation monitoring； displacement detection； intelligent power station
0 引 言
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[1?2]。目前，对于变电站的智能化建设主要集中在对变压器、电流电压互感器、GIS、SF6断路器、隔离开关等变电站一次设备和继电保护装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置等二次设备的在线监测与智能控制上，而对于变电站基础建筑的智能化监测方面的建设正处于起步阶段[3]。
变电站内的建筑物是保障电网安全的电力基础设施，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[4]。由于变电站大多建设在偏远的地区，其地质条件和气候条件经常会引起变电站的地基沉降。变电站的地基沉降分为均匀沉降和不均匀沉降，当地基产生均匀沉降时，对地面上的电气设备产生的附加内应力较小，不至于带来较大的危害。但是当地基产生不均匀沉降时，对地面上的电气设备产生的附加内应力巨大，容易造成电气设备的断裂、倾斜甚至坠落，从而造成电气设备事故的发生[5]。
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[6]。但是这种监测方法的工作量繁重、耗时长，而测得的数据量相反却较少，容易受到环境因素的影响，使得判断的准确性不佳，而基于光纤布拉格光栅传感器的变电站沉降监测系统具有检测精度高、可实现实时在线监测与预警等优势[7]。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器是变电站基础沉降监测系统的关键，FBG传感器利用光纤的光学特性和传感特性来探测工程中各种物理量[8]。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，集传感信息的获取与传输一体，方便组成分布式光纤传感等优点[9]。本文采用FBG设计变电站沉降监测的沉降传感器，能够实现对变电站的沉降状况进行实时监测，针对变电站沉降积累时间长、沉降范围大以及工作环境恶劣等特点，FBG沉降传感器能够很好地解决变电站沉降监测的问题。
1 FBG传感原理及传感器设计
1.1 FBG传感基本原理
FBG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[10]。只有满足布拉格条件的光波才能够被光栅反射，其布拉格条件为：
[λB=2neffΛ] （1）
式中：[λB]是FBG的反射波长；[neff]表示光纤纤芯的有效折射率；[Λ]为FBG中光栅的折射率调制周期或者栅距。FBG反射的中心波长[λB]只取决于[neff]和[Λ，]当二者发生变化，中心波长[λB]的变化表征为：
[ΔλBλB=Δneffneff+ΔΛΛ] （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[λB]也将发生漂移，漂移量与应力变化关系为：
[ΔλB=λB（1-Pe）Δε] （3）
式中[Pe]表示FBG材料的有效弹光系数，可以定义为：
[Pe=n2effP2-μ（P1+P2）2] （4）
式中：[P1，][P2]为FBG材料的弹光系数；[μ]为FBG材料的泊松比。
1.2 FBG沉降传感器的设计
FBG沉降传感器的基本原理是将变电站沉降位移量的变化转换为光信号参数的变化。通过FBG沉降传感器可以准确地将沉降位移量转换为作用在FBG上的拉应力，进一步转换为光纤中传输的光学参量，然后对传输光谱进行解调，准确地得到反射光中心波长的变化量，最后通过测量反射光中心波长的变化量，即可得到准确的沉降位移量[11]。
基于变电站沉降测量的FBG传感器，由一个高精密的拉伸弹簧和一个FBG以及连接部件构成，FBG通过连接件一端与参考点相连，另一端与高精密弹簧相连。传感器下端的连接件固定在变电站的设备上，上端的连接件固定到基准平面上，作为位移参考点。参考点和沉降物根据沉降状况发生相对位移，位移量通过连接部件的作用转换成高精密拉伸弹簧的弹性伸长量，弹簧的弹性伸长产生拉应力作用在FBG上。FBG沉降传感器的结构图如图1所示。
拉伸弹簧的最大负荷、弹簧刚度、最大拉伸長度决定了FBG沉降传感器的测量范围、分辨率和精度。最大拉伸长度越大，沉降的测量量程范围越大，弹簧刚度越小，则分辨率越高。弹簧和FBG线性度越稳定，则沉降测量精度越高。但是当沉降的位移量过大时，FBG可能会因为承受过大的应变而发生断裂。因此拉伸弹簧的最大负荷需要根据传感器的性能需求来设计。实验设计中选用的是LeeSpring公司标准定制的高精密拉伸弹簧，型号为LE014B13，最大负荷为0.36 kg，弹簧刚度为0.001 3 kg/mm，最大拉伸长度为339.34 mm。本文设计了量程为300 mm的光纤沉降位移传感器，其测量分辨率达到0.784 93 mm。
1.3 实验平台设计
实验平台结构图如图2所示。各个模块选择如下。宽带光源：由于SLED光源既具备LD光源输出功率高的特点，又具备LED光源宽光谱的特点，且稳定性好，所以系统中的宽带光源采用型号为DL?BX9?CS5169A的SLED光源，中心波长为1 550 nm，功率为17.6 mW，谱宽[12]为78.2 nm。
光谱分析仪：选择日本安立光谱分析仪 MS9740A，波长测试范围为600～1 750 nm，波长精度为±20 pm，最大输入光功率为223 dBm。
3 dB耦合器：Thorlabs公司的型号为TW1550R5A2，工作波长为1 550 nm，双向耦合（任一端都可用作输入端）。
FBG：杭州光佑科技有限公司，中心波长为（1 550±0.2） nm，反射率≥85%，3 dB带宽≤0.3 nm，边模抑制比≥15 dB，栅区长度为12 mm，光纤类型为SMF?28C。
实验过程如下：宽带光源用于产生宽带出射光，经过3 dB耦合器后，有部分出射光耦合进入FBG，FBG产生的反射光会再次进入3 dB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FBG的反射光谱进行分析和存储。FBG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FBG产生相应的拉应力[13?16]。
2 实验结果与讨论
2.2 实验数据分析
实验选用3个FBG分别做10组拉应力实验，三组拉应力的实验分别是第一组：0～5 N，应力间隔0.5 N；第二组：1.1～2.0 N，应力间隔0.1 N；第三组：3.1～4 N，应力间隔0.1 N。具体数据如表1所示。
表1中的数据是温度保持在室温（25 ℃）情况下采集的，FBG的中心放射波长漂移量与轴向应力呈很好的线性关系，通过线性拟合计算出拉力灵敏度系数为1.4 nm/N。同时对Lee Spring公司的标准定制的拉伸弹簧进行了拉伸实验。高精密拉伸弹簧型号为LE014B13，实验测得最大负荷为0.56 kg，弹簧刚度为0.001 3 kg/mm，使用拉伸弹簧模拟变电站地基沉降的过程，对弹簧施加等值的拉力，记录弹簧的拉伸量（即沉降量），具体数据如表2所示。
通过表2的数据分析可知，在弹簧的最大拉伸长度内，拉力与沉降位移量呈非常好的线性关系，经过拟合计算可得沉降量与弹簧的拉力线性系数为78.493 mm/N。
为了提高对沉降位移量的测量精度和分辨率，继续使用三轴位移平台进行拉伸实验测试，其三轴测试平台的位移分辨率可达到20 μm，经过换算，其对应的拉应力的分辨率为0.01 N，该沉降传感器的分辨率可提高10倍，FBG中心波长漂移灵敏度为17.8 pm/mm，实验测得最小沉降位移分辨率为0.784 93 mm，此外最大的沉降测量范围可以达到300 mm。如此高分辨率、高灵敏度FBG沉降传感器完全可以实现对变电站及其电气设备的沉降位移的监测。
3 结 论
本文设计了一种基于高精密的拉伸弹簧的光纤布拉格光纤光栅沉降传感器，实验结果表明，该结构对沉降测量有良好的线性特性、重复性和稳定性，FBG沉降传感器的位移分辨率为0.784 93 mm，灵敏度为17.8 pm/mm，沉降测量范围可达到300 mm，通过定制不同的弹簧的自由拉伸长度和弹簧的刚度可灵活改变传感测量范围和测量精度。该FBG传感器可以用于基于分布式光纤传感网络的变电站基础沉降监测系统，可对变电站沉降实现实时在线监测与预警。
与现有的FBG应力传感器相比，本文设计的FBG沉降传感器更加适合于变电站的沉降监测。部分基于FBG的应力传感器能够在微应变测量领域有很好的灵敏度，但是能够测量的应变量极其微小，不适合用于沉降范围较大的建筑。部分基于液压原理的沉降传感器安装使用复杂、工作寿命短、对工作环境要求高，对变电站沉降积累时间长、工作环境恶劣的特点不适应。综上所述，基于FBG的沉降传感器在变电站和电气设备的沉降监测方面具有重要作用。
注：本文通讯作者为庞成鑫。
参考文献
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