输电线路微气象监测温湿度传感器研究

杨 俊， 张长胜， 梁仕斌

(1. 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650501；2. 云南电力试验研究院(集团)有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

输电线路的稳定运行在整个电力系统有着重要意义。随着科技与经济的发展，输电线路越来越庞大和复杂[1～2]。在某些特殊的地理条件下会有一些特殊的气候环境，恶劣的气候环境会影响输电线路的正常运行。一旦输电线路发生损坏和倒塌将会造成整个电网的不稳定运行，因此输电线路的微气象监测是十分有必要的[3～4]。

传统的电子式温湿度传感器运用于输电线路容易受到强电磁的干扰，并且在环境恶劣的环境下使用寿命时间短，测量精度不高[5]。考虑到光纤Bragg光栅具有抗电磁干扰能力强，无需现场充电等特点[6]。张向冬等人基于光纤传感技术，以改性PI薄膜为湿敏材料研究了一种温湿度传感器并进行测试实验[7]。毕卫红等人提出一种基于PVA聚乙烯醇为薄膜的温湿度传感器并对其进行温度补偿实验和传感器测试实验[8]。这类传感器响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力较差，不适合在野外恶劣环境下的长期使用。毛发式温湿度传感器精度高、抗污染能力较强可以适用于较为恶劣的环境下。

本文中把毛发束使用连接体与等强度悬臂梁连接，使用毛发钩和调节螺钉固定在支架上。当监测环境的温湿度收缩，毛发束收缩产生弹性拉力，毛发束受到弹性拉力产生弹性伸长量，同时等强度悬臂梁受到弹性拉力使得其自由端产生挠度，带动等强度悬臂梁对称中心处的光纤Bragg光栅发生中心波长的变化，克服了传统温湿度传感器的不足，并兼有温湿度传感器的优点[9～11]。通过光纤与等强度悬臂梁上粘贴的光栅连接，光纤使用FC跳线与光纤Bragg光栅解调仪连接，解调仪将采集的数据进行解调后把数据传输到上位机。

1 传感器结构与原理

常见的光纤光栅温湿度传感器是将光纤光栅温度传感器和湿度传感器集成在一起，FBG温湿度传感器利用湿敏材料为光纤Bragg光栅的表面涂覆层。此种FBG传感器主要有一个对温湿度敏感的FBG1组成和仅仅对温度敏感的FBG2组成。将湿敏材料涂覆在FBG1的表层，监测温度变化量和湿度变化量。FBG2无湿敏材料涂覆，只对温度变化量敏感，从而将温度变化量转化为中心波长变化量，通过公式进行数学计算可以求出温湿度变化的值。

本文中的传感器为光纤Bragg光栅毛发温湿度传感器，该传感器主要由毛发束、毛发钩、光纤Bragg光栅、固定螺丝、等强度悬臂梁组成。发毛束通过上连接体与等强度悬臂梁连接，通过下连接体与毛发钩固定在支架上，等强度悬臂梁通过固定螺丝与支架固定，在等强度悬臂梁对称线中心上下表面粘贴同一型号的FBG，FBG通过光纤引出信号，如图1所示。

图1 FBG温湿度传感器结构

毛发型光纤Bragg光栅温湿度传感器原理是：当监测环境湿度降低时，毛发束收缩产生变化量 ΔL，毛发束由于收缩产生弹性拉力F1，毛发束在受到弹性拉力后产生弹性伸长量Δx，与此同时，等强度悬臂梁自由端收到弹性拉力使得自由端产生挠度变化Δd，使得粘贴在对称中心的两个FBG发生波长移位。相对湿度RH与毛发收缩量ΔL的数学关系为：

(1)

式中：L为毛发束的长度。

毛发束受到弹性拉力产生的伸长量Δx与毛发束收到的弹性拉力F1的数学关系为：

(2)

式中：n为毛发束的毛发数量；E1为毛发束的弹性模量；r为一根毛发的半径。

等强度悬臂梁自由端受到的力F2与等强度悬臂梁自由端产生的挠度变化Δd的数学关系为：

(3)

环境湿度降低时毛发束产生的收缩量ΔL与等强度悬臂梁自由端受力产生的挠度Δd的数学关系为：

ΔL=Δd+Δx

(4)

等强度悬臂梁的轴向应变Δε与Δd数学关系为：

(5)

等强度悬臂梁自由端所受到的力与毛发束受到的弹性拉力是相等的，即：

(6)

在监测过程中，温度变化量为ΔT，光纤Bragg光栅随等强度悬臂梁形变。等强度悬臂梁自由端形变与温度引起FBG的中心波长发生位移Δλl，数学关系式为：

Δλl=(SεΔε+STΔT)λl

(7)

式中：Sε为等强度悬臂梁的应变系数；ST为温度敏感系数；λl为FBG中心波长。

为了消除环境温度的影响，在等强度悬臂梁对称线中心上下表面粘贴两个相同型号的FBG，两个FBG波长变化量相减：

Δλl′=Δλl1-Δλl2

(8)

式中：Δλl′为两个FBG的波长变化量的差值；Δλl1，Δλl2分别为两个FBG波长变化量。

将两个FBG的波长变化量相加，可以得出环境温度的变化量数学关系式：

(9)

将式(3)、(5)代入式(6)可得：

(10)

结合上式可以计算出环境的相对湿度：

lgRH=

(11)

2 FBG温湿度传感器性能测试实验

性能测试实验主要由工控机、光纤Bragg光栅解调仪、光纤跳线、恒温恒湿箱等组成，现场实验如图2所示。实验原理是当监测环境发生变化时引起光纤Bragg光栅的波长发生变化，光纤Bragg光栅解调仪内的ASE宽带光源发出宽带光，将光波反射回解调仪，解调仪将反射回来的光信号进行解调，将解调后的波长传输到上位机，上位机将波长经过数学模型计算出温度变化量和相对湿度。

图2 实验现场图

实验步骤具体如下：步骤一，使用恒温恒湿箱将温度设置在35 ℃保持不变，将湿度分别调至40%、50%、60%、70%、80%和90%进行实验，保持恒温恒湿箱35 ℃不变，将湿度从90%降低到40%进行实验并记录湿度光栅的中心波长数据；步骤二，使用恒温恒湿箱将温度调至40 ℃保持不变，将湿度分别调至40%、50%、60%、70%、80%和90%进行实验，保持恒温恒湿箱40 ℃不变，将湿度从90%降低到40%进行实验并记录湿度光栅的中心波长数据；步骤三，使用恒温恒湿箱将湿度调整至40%RH不变，将温度分别调至30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃进行实验，保持湿度不变，将温度下调至30 ℃进行实验并记录温度光栅中心波长数据；步骤四，使用恒温恒湿箱将湿度调整至60%RH不变，将温度分别调至30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃进行实验，保持湿度不变，将温度下调至30 ℃进行实验并记录温度光栅中心波长数据。

3 实验数据处理及分析

将实验记录的数据分别绘制成相对湿度(%RH)与光纤Bragg光栅的中心波长的拟合曲线如图3和图4，温度与光纤Bragg光栅的中心波长的拟合曲线如图5和图6所示。

图3 温度一定，湿度光栅随湿度的正行程变化

图4 温度一定，湿度光栅随湿度的反行程变化

图5 湿度一定时，温度光栅随湿度的正行程变化情况

图6 湿度一定时，温度光栅随湿度的反行程变化情况

在图3和图4中可以看出温度保持在35 ℃时，湿度从40%RH到90%RH，正行程拟合曲线表达式为y=0.004 8x+1 536.4,反行程拟合曲线为y=0.004 9x+1 536.4，使用恒温恒湿想上升温度至40 ℃，湿度从40%RH到90%RH，正行程拟合曲线表达式为y=0.051x+1 536.4，反行程拟合曲线为y=0.051x+1 536.4。当温度上升后，相对湿度与光栅的波长基本成线性关系，光纤Bragg光栅温湿度传感器中湿度光栅波长随湿度变化的系数为0.004 8 nm/%RH，即1%RH的湿度变化产生0.004 8 nm的湿度光栅中心波长变化。

在图5和图6中可以看出湿度保持在40%RH时，温度从30 ℃上升到80 ℃，正行程拟合曲线表达式为y=0.006 2x+1 535.4，反行程拟合曲线为y=0.006 6x+1 535.4。使用恒温恒湿箱将实验湿度环境调节至60%RH，正行程拟合曲线表达式为y=0.006 5x+1 535.4，反行程拟合曲线为y=0.006 1x+1 535.4。当相对湿度上升后，温度与光栅波长成线性关系，光纤Bragg光栅温湿度传感器中温度光栅波长随温度变化的系数为 0.006 1 nm/℃，即当环境温度变化1 ℃时，温度光栅的中心波长变化量为0.006 1 nm。

4 挂网试运行

光纤Bragg光栅温湿度传感器已于2017年10月在云南昭通市某110 kV输电铁塔进行挂网试验，进行输电线路微气象的监测。FBG温湿度传感器安装于输电杆塔2/3平台处。传感器的安装完成后，使用不锈钢扎带将传感器的尾纤捆绑在杆塔上。

收集云南电网某110 kV输电铁塔2017年11月期间的变化数据如图7和图8所示。电网可以根据这些数据分析铁塔周围的微气象，由于气候与气象条件的不同会导致线路覆冰密度的不同，以雾凇、积雪、雨凇和结晶等方式出现，对输电线路进行保护和预防，提高了整个电力系统的稳定运行。

图7 湿度监测数据

图8 温度监测数据

5 结论

针对输电线路的稳定运行研究了一种基于光纤Bragg光栅的毛发束温湿度传感器，该传感器在其封装内使用固定螺丝将等强度悬臂梁与支架固定，毛发束上端面使用连接体将毛发束与等强度悬臂梁连接，毛发束下端使用连接体与毛发钩连接，使用调节螺钉将毛发钩与直接固定，两个光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁对称中心处。当监测环境的温湿度收缩，毛发束收缩产生弹性拉力，毛发束受到弹性拉力产生弹性伸长量，同时等强度悬臂梁受到弹性拉力使得其自由端产生挠度，带动等强度悬臂梁对称中心处的光纤Bragg光栅发生中心波长的变化。

对FBG温湿度传感器进行性能测试实验，保持温度在一个固定值时，测试不同湿度条件下湿度光纤Bragg光栅的中心波长变化。保持湿度在一个固定值，测试不同温度条件下温度光纤Bragg光栅的中心波长变化。结果表明：光纤Bragg光栅温湿度传感器湿度光栅的灵敏度为0.004 8 nm/%RH，温度光栅的灵敏度为0.006 1 nm/℃。