CN103076070A - 一种电缆敷冰检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重量检测装置，具体来说是一种电缆敷冰检测装置。本发明包括光纤光栅波长调解仪、光分路器和光纤光栅称重传感器，光纤光栅波长调解仪和光分路器通过信号传输光缆连接，光分路器和光纤光栅称重传感器通过信号传输光缆相连，光纤光栅称重传感器的上端固定悬挂，其下端与电缆相连，光纤光栅称重传感器的中间为弹性体，所述弹性体上设有光纤光栅传感器，所述光纤光栅波长调解仪内设有宽带光源，所述宽带光源经信号传输光缆传输给光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于将宽带光源的反射光的波长信号传递给光纤光栅波长调解仪，光纤光栅波长调解仪根据接收到的波长信号得出所述电缆的重量发生变化。本发明能有效的检测电缆的敷冰状况。

Description

一种电缆敷冰检测装置

技术领域

本发明涉及一种重量检测装置，具体来说是一种电缆敷冰检测装置。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入光纤纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长（布拉格波长）将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。当外界参量变化时，光纤光栅的有效折射率和光栅周期跟着变化，从而使得光纤光栅的布拉格波长发生漂移，将外界参量的变化转化成布拉格波长的漂移，通过检测光栅布拉格波长漂移量即可实现对外界参量的测量。

光纤光栅应力传感器即利用光纤光栅的传感原理，将光纤光栅紧密安装在应变片上，当应力作用到应变片上时，应变片发生形变，同时光纤光栅微小变形，导致光纤光栅的有效折射率和光栅周期发生变化，进而引起布拉格波长漂移，实现对应力的测量。

敷冰荷载是破坏输电线系统的最大因素，输电线覆冰会引起输电线断股、断线、倒塔、导地线间闪络、短路跳闸和覆冰舞动等危害，给社会及生产造成重大损失。在国内外都曾发生过严重的输电线路覆冰灾害，2000年12月，在乌克兰东南地区，覆冰灾害造成30万只水泥杆塔和2万座铁塔损坏；2005年11月，德国西部地区输电网遭遇严重覆冰灾害，造成83座铁塔倒塌，5条输电线路停运；同年12月，暴风雪袭击了美国阿巴拉契亚山脉附近地区，造成70万居民断电，工商业陷入瘫痪；2008年，一场国际罕见的大面积覆冰影响了我国南方十几个省份，由于持续雨雪冰冻天气，导致输电线路大面积覆冰，杆塔不堪重负倒塌断线，供电大范围中断，电力设备遭到前所未有的损坏，直接经济损失超过千亿元。

对架空输电线进行敷冰状态的在线监测，可以准确记录敷冰过程，在严重敷冰灾害发生前调度电网负荷，启动融冰设备，有效避免灾害的发生，具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电缆敷冰检测装置对电缆的敷冰状态进行实时监控。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电缆敷冰检测装置，包括光纤光栅波长调解仪、光分路器和光纤光栅称重传感器，所述宽带光源是美国IR公司提供的宽频段、低偏振度的高功率稳定光源，其波段范围非常广阔,可以达到350nm，所述光纤光栅波长调解仪和所述光分路器通过信号传输光缆连接，所述光分路器和所述光纤光栅称重传感器通过信号传输光缆相连，所述光纤光栅称重传感器的上端悬挂在固定高度的物体上，所述光纤光栅称重传感器的下端与被检测的电缆相连，所述光纤光栅称重传感器的一部分为弹性体，所述弹性体上设有光纤光栅传感器，所述弹性体承受有所述被检测的电缆的重力，所述光纤光栅波长调解仪内设有宽带光源，所述宽带光源经信号传输光缆传输给所述光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于将所述宽带光源在所述光纤光栅传感器上的反射光的波长信号通过信号传输光缆传递给所述光纤光栅波长调解仪，所述光纤光栅波长调解仪根据接收到的波长信号得出所述光栅称重传感器的弹性体的形变量，进而得出所述被检测的电缆的重量发生了变化。

本发明的有益效果是：将弹性体与光栅称重传感器设计成一体可以防止机械加工或接触不均造成力传递过程中的损失和变向，使用本征无源的光纤作为信号传输介质，有效解决了传统电子式检测装置的电磁兼容性问题，也解决了检测现场的电源供应问题；光纤耐腐蚀性好，化学性能稳定，使用过程中基本不需要重新校正，正常寿命可达25年以上；光纤传输损耗小，通过波分复用和时分复用的方式可实现大范围的检测和预警，可实现异常的准确定位，施工简单，可大大降低工程的整体费用需求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述光纤光栅波长调解仪还包括耦合器、光开关、光电转换模块、信号处理模块以及数据处理模块，所述耦合器包括信号输入端、信号输出端和信号交互端，所述耦合器的输入端与所述宽带光源的输出端相连，所述耦合器的信号交互端与所述光开关相连，所述光开关通过所述信号传输光缆与所述光分路器相连，所述光开关用于将信号分别配置在分立的周期性的时间间隔上传输，即时分复用，所述耦合器的输出端与所述光电转换模块的输入端相连，所述光电转换模块将接收到的光信号转换成电信号，所述光电转换模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述数据处理模块相连，所述所述信号处理模块将接收到的电信号去噪后输入数据处理模块，所述数据处理模块根据接收到的去噪后的电信号得出所述光栅称重传感器的弹性体的形变量，进而得出所述电缆的重量变化。

进一步，所述光纤光栅传感器包括应变传感器和温度传感器，所述应变传感器通过一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述温度传感器通过另一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述应变传感器用于获取波长信号，所述温度传感器用于测量当前环境的温度。

采用上述进一步方案的有益效果是：避免光纤光栅传感器由于环境温度的变化对测量结果产生影响，在光纤光栅传感器添置温度传感器可以测量环境温度，用以修正环境温度对光纤光栅应变片造成的影响。

进一步，所述应变传感器有两只，所述两只应变传感器通过两路信号传输光缆分别与所述光分路器相连，所述光分路器与所述光开关使用波分复用的方式进行信号传输，所述光纤光栅波长调解仪分别得出所述两只应变传感器的弹性体的形变量，进而得出所述电缆的两组重量变化，取所述两组重量变化的平均值作为所述电缆的重量变化。

采用上述进一步方案的有益效果是，取所述应变传感器采集的数据得出两组重量变化的平均值作为所述电缆的重量变化，可减小电缆敷冰量的测量误差。

进一步，所述弹性体为闭合的U形槽结构，所述弹性体垂直于所受重力的方向的横截面为“工”字形。

进一步，所述两只应变传感器分别安装在所述工形的两边的U形槽的槽内。

采用上述进一步方案的有益效果是：将弹性体设计成闭合的U形槽结构可增强光纤光栅称重传感器弹性体的抗偏载能力；将弹性体垂直于所受重力的方向的横截面设计成“工”字形，并将两只应变传感器分别安装在所述工形的两边的U形槽的槽内，可以提高所述应变传感器的准确性。

进一步，固定高度的物体为电力塔杆，所述光纤光栅称重传感器的上端悬挂在所述电力塔杆上。

进一步，所述信号传输光缆为光纤复合架空地线，所述光纤复合架空地线（简称OPGW：optical fiber composite overhead ground wire）指具有电力架空地线和光纤通信能力双重功能的金属光缆。

采用上述进一步方案的有益效果是：便于现场布线，充分利用电力系统现有的可用设施。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中光纤光栅波长调解仪的结构视图；

图3为本发明的结构示意图本发明中光纤光栅称重传感器垂直于其所受重力的方向的横截面示意图。

附图中，箭头表示信号传输的方向，各标号所代表的部件如下：

1、光纤光栅波长调解仪，2、信号传输光缆，3、光分路器，4、光纤光栅称重传感器，5、弹性体，6、应变传感器；

a、耦合器的输入端，b、耦合器的信号交互端，c、耦合器的输出端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种电缆敷冰检测装置，包括光纤光栅波长调解仪1、光分路器3和光纤光栅称重传感器4，所述光纤光栅波长调解仪1和所述光分路器3通过信号传输光缆2连接，所述光分路器3和所述光纤光栅称重传感器4通过信号传输光缆相连，所述光纤光栅称重传感器4的上端悬挂在固定高度的物体上，所述光纤光栅称重传感器4的下端与被检测的电缆相连，所述光纤光栅称重传感器4的一部分为弹性体，如图3所示，所述弹性体5上设有光纤光栅传感器，所述弹性体5承受有所述被检测的电缆的重力，所述光纤光栅波长调解仪1内设有宽带光源，所述宽带光源经信号传输光缆2传输给所述光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于将所述宽带光源在所述光纤光栅传感器上的反射光的波长信号通过信号传输光缆2传递给所述光纤光栅波长调解仪1，所述光纤光栅波长调解仪1根据接收到的波长信号得出所述光栅称重传感器4的弹性体5的形变量，进而得出所述电缆的重量变化。

光纤光栅称重传感器4是本装置的直接测量部分，安装在电力塔杆与电缆之间，如图1所示，上端悬挂在电力塔杆上，下端与被检测的电缆相连。光纤光栅波长解调仪是本装置的解调部分，一般可安装在数公里甚至数十公里以外的控制中心；光纤光栅波长解调仪和光纤光栅称重传感器距离较远，信号传输光缆一般可采用电力架空线中普遍存在的光纤复合架空地线（OPGW）；在光纤复合架空地线的末端通过光分路器与光纤光栅称重传感器以及温度传感器相连接。

如图2所示，所述光纤光栅波长调解仪还包括耦合器、光开关、光电转换模块、信号处理模块以及数据处理模块，所述耦合器包括信号输入端、信号输出端和信号交互端，所述耦合器的输入端与所述宽带光源的输出端相连，所述耦合器的信号交互端与所述光开关相连，所述光开关通过所述信号传输光缆与所述光分路器相连，所述耦合器的输出端与所述光电转换模块的输入端相连，所述光电转换模块将接收到的光信号转换成电信号，所述光电转换模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述数据处理模块相连，所述信号处理模块将接收到的电信号去噪后输入数据处理模块，所述数据处理模块根据接收到的去噪后的电信号得出所述光栅称重传感器的弹性体的形变量，进而得出所述电缆的重量变化。

宽带光源与耦合器的输入端a相连；耦合器的信号交互端b连接光开关，光开关的每路输出均连接一路信号传输光缆，在信号传输光缆的末端连接一个光分路器，光分路器的每路输出均连接一只光纤光栅，每个光纤光栅称重传感器包含3只光纤光栅（2只用于光纤光栅应变片，1只用于温度修正）；耦合器的输出端c连接光电转换模块的光输入端，光电转换模块的输出端连接信号处理模块的输入端，信号处理模块的输出端连接数据采集及处理模块。

光纤光栅波长解调仪1的宽带光源发出的宽带光经耦合器进入光开关，由光开关控制光信号进入哪条信号传输光缆，实现光信号的时分复用；光信号经信号传输光缆进入光分路器，光信号经光分路器分成均等的几份，同时进入多个光纤光栅传感器；满足光纤光栅传感器反射条件的光沿相同光路返回到耦合器，经耦合器的输出端c端进入光电转换模块，经光电转换模块将反射回的光信号转换为电信号，此电信号进入信号处理模块，进一步去噪、整形后进入数据处理模块；采集到的数据经专用检测解调软件解调，得到光纤光栅传感器反射回的光的中心波长；通过光纤光栅称重传感器中的应变传感器的中心波长变化可得出称重传感器弹性体的形变发生了变化，进一步可得到电缆的重量发生了变化，即达到了电缆敷冰量的检测。

所述光纤光栅传感器包括应变传感器6和温度传感器，所述应变传感器通过一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述温度传感器通过另一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述应变传感器用于获取波长信号，所述温度传感器用于测量当前环境的温度。

光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅。

在宽带光源的传输过程中，光纤光栅传感器相当于一个反射型的光学滤波器，通过外界参量对光纤光栅传感器的波长的调制来获取外界信息量，是一种波长调制型的光纤光栅传感器；当宽带光源在光纤光栅传感器中传输时，波长满足公式1的波长称为中心波长，所述中心波长将被反射回来：

λ_B＝2n_effΛ      公式1

公式1中，λ_B为反射波中心波长，n_eff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

应变传感器由光纤光栅传感器通过一定工艺附着在应变片上构成，当光纤光栅称重传感器的弹性体受力而发生形变时，会导致光纤光栅传感器的光栅周期Λ发生变化，通过光纤光栅波长解调仪中的数据处理模块可得到反射回的光的中心波长，进一步可得到光纤光栅反射光因光栅周期Λ变化而引起的中心波长漂移，中心波长λ_B发上变化得到应变传感器的形变发生了变化，也就得出了因电缆敷冰带来的重量发生了变化。

所述应变传感器有两只，所述两只应变传感器通过两路信号传输光缆分别与所述光分路器相连，所述光分路器与所述光开关使用波分复用的方式进行信号传输，所述光纤光栅波长调解仪分别得出所述两只应变传感器的弹性体的形变量，进而得出所述电缆的两组重量变化，取所述两组重量变化的平均值作为所述电缆的重量变化。

每个光纤光栅称重传感器中放置2个光纤光栅应变片6，通过这2个应变片的形变量平均，可减小电缆敷冰量的测量误差。在光纤光栅称重传感器附近放置一个光纤光栅测量环境温度，以去除环境温度对光纤光栅应变片造成的影响，进一步提高本发明对电缆敷冰量的测量精度。

所述弹性体5为闭合的U形槽结构，所述弹性体垂直于所受重力的方向的横截面为“工”字形，如图3所示。

所述两只应变传感器6分别安装在所述工形的两边的U形槽的槽内。

固定高度的物体为电力塔杆，所述光纤光栅称重传感器的上端悬挂在所述电力塔杆上。

所述信号传输光缆为光纤复合架空地线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，包括光纤光栅波长调解仪、光分路器和光纤光栅称重传感器，所述光纤光栅波长调解仪和所述光分路器通过信号传输光缆连接，所述光分路器和所述光纤光栅称重传感器通过信号传输光缆相连，所述光纤光栅称重传感器的上端悬挂在固定高度的物体上，所述光纤光栅称重传感器的下端与被检测的电缆相连，所述光纤光栅称重传感器的一部分为弹性体，所述弹性体上设有光纤光栅传感器，通过所述弹性体承受所述被检测的电缆的重力，所述光纤光栅波长调解仪内设有宽带光源，所述宽带光源经信号传输光缆传输给所述光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于将所述宽带光源在所述光纤光栅传感器上的反射光的波长信号通过信号传输光缆传递给所述光纤光栅波长调解仪，所述光纤光栅波长调解仪根据接收到的波长信号得出所述光栅称重传感器的弹性体的形变量，进而得出所述被检测的电缆的重量发生变化。

2.根据权利要求1所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述光纤光栅波长调解仪还包括耦合器、光开关、光电转换模块、信号处理模块以及数据处理模块，所述耦合器包括信号输入端、信号输出端和信号交互端，所述耦合器的输入端与所述宽带光源的输出端相连，所述耦合器的信号交互端与所述光开关相连，所述光开关通过所述信号传输光缆与所述光分路器相连，所述耦合器的输出端与所述光电转换模块的输入端相连，所述光电转换模块将接收到的光信号转换成电信号，所述光电转换模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述数据处理模块相连，所述信号处理模块将接收到的电信号去噪后输入数据处理模块，所述数据处理模块根据接收到的去噪后的电信号得出所述光栅称重传感器的弹性体的形变量，进而得出所述被检测的电缆的重量发生变化。

3.根据权利要求1所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括应变传感器和温度传感器，所述应变传感器通过一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述温度传感器通过另一路信号传输光缆与所述光分路器相连，所述应变传感器用于获取波长信号，所述温度传感器用于测量当前环境的温度。

4.根据权利要求3所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述应变传感器有两只，所述两只应变传感器通过两路信号传输光缆分别与所述光分路器相连，所述光分路器与所述光开关使用波分复用的方式进行信号传输，所述光纤光栅波长调解仪分别得出所述两只应变传感器的弹性体的形变量，进而得出所述被检测的电缆的两组重量变化，取所述两组重量变化的平均值作为所述被检测的电缆的重量变化。

5.根据权利要求4所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述弹性体为闭合的U形槽结构，所述弹性体垂直于所受重力的方向的横截面为“工”字形。

6.根据权利要求4所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述两只应变传感器分别安装在所述工形的两边的U形槽的槽内。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，固定高度的物体为电力塔杆，所述光纤光栅称重传感器的上端悬挂在所述电力塔杆上。

8.根据权利要求1至6任一所述的一种电缆敷冰检测装置，其特征在于，所述信号传输光缆为光纤复合架空地线。

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