2024年4月24日发(作者：悟修德)

第２５卷第２期　

光电技术应用　

Ｖ０１．２５．Ｎｏ．２　

２０１０年４月　

ＥＩ．ＥＣＴＲ０—０　ＴＩＣ　ＴＥＣＨ　Ｌ０ＧＹ　ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ　Ａｐｒｉｌ．２０１０　

・

光电系统与设计・　

利用光纤光栅监控输电线覆冰　

薛　能，曹月霞，杨彬彬，赵勋杰　

（苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州２１５００６）　

摘要：从光纤布喇格光栅（ＦＢＧ）的原理、特点人手，对光纤光栅传感器监控输电线覆冰情况的可行性进行理论分析和实　

验研究．分别搭建了单臂和双臂梁实验装置，通过实验研究了光纤布喇格光栅反射波长与梁负重的关系，利用最／ｂ－＂乘法对　

实验数据进行了拟合，得到了波长偏移量和梁载荷的数学关系，实验结果显示利用光纤布喇格光栅传感器监控输电线覆冰情　

况是可行的．　．　

关键词：布喇格光栅；光纤传感器；输电线；覆冰预警　

中图分类号：ＴＮ３６２；７Ｍ７５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１２５５｛２０１０）０２—０００１—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｏ　Ｍｏｎｉｔｏｒ　Ｉｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　

ＸＵＥ　Ｎｅｎｇ，ＣＡＯ　Ｙｕｅ—ｘｉａ，ＹＡＮＧ　Ｂｉｎ－ｂｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｘｕｎ—ｊｉｅ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　０厂Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｃＳｉｅｎｃｅ＆ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｏｃｈｏｗ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５００６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ），ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　

ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｉｃｅ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＦＢＧ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　

Ｔｈｅ　ｏｎｅ—ｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｔｗｏ－ｓｉｄｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｅａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　

ＦＢＧ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｗａｓ　ｆｉｔｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ａｎｄ　

ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆｆｓｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　

ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｉｃｅ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｂｙ　ＦＢＧ　ｅｓｎｓｏｒｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　Ｂｒｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）；ｆｉｂｅｒ　ｅｓｎｓｏｒ；ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ；ｉｃｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　

覆冰本是一种自然现象，但是在输电线上覆冰　

起了人们对输电线覆冰预警的极大关注，人们开始　

则有可能造成重大的损失．我国记录最早的输电线　

探讨输电线覆冰形成机理、研究输电线覆冰预报技　

覆冰事故发生在１９５４年．近年来，输电线覆冰事故　

术和输电线覆冰去除方法　１　』．　

时有发生，如１９９６年初，福建省的３５　２２０　ｋＶ输电　众所周知，光纤传感器具有电绝缘性能好、抗电　

线路，因覆冰过重导致线杆倒塌，２００多处输电线断　

磁干扰能力强、耐恶劣环境以及易实现远距离监控　

裂．再如２００５年初华中的冰灾，引起湖南境内大量　

等特点．光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器　

线杆倒塌．此类灾害离我们最近的就是２００８年１月　

的优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，主　

底至２月初的南方大范围冻雨，输电线严重覆冰，大　

要是它的传感信号是波长调制的，这使得其测量信　

量的电线杆由于不堪积冰重压而倒塌，给电力系统　

号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和光纤老化损耗的　

造成严重的损坏，极大地影响了工农业生产和人们　影响，并能实现多点分布式大范围测量．此外，光纤　

生活，经济损失惨重．输电线覆冰引起的严重灾害引　

光栅体积小、结构简单、成本低，已应用于桥梁、矿　

收稿日期：２０１０—０２—１０　

基金项目：国家大学生创新项目（５７３１５４０８）　

作者简介：薛能（１９８８一），男，江苏苏州人，就读于苏州大学物理科学与技术学院，研究方向为光信息科学与技术；导师简介：赵勋杰（１９６０一），　

女，辽宁人，博士，教授，主要从事光纤传感器和图像信息处理等方面的研究．　

２　光电技术应用　第２５卷　

井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海洋、航空和医学　

领域［４１．基于输电线覆冰预报的需要和光纤光栅的　

优势，研究了利用光纤光栅监测输电线上覆冰质量　

的可行性．　

１．２布喇格波长与应变的关系　

当保持光纤光栅所处环境的温度场恒定时，应　

力变化引起的布喇格波长变化为　

：

光纤光栅测重原理　

（卜　）￡　（３）　

（４）　

＾Ｂ　

Ｐｅ＝（　２　／２）［（１一　）Ｐ１２一　Ｐｌ１］　

式中，　称弹光系数；　为泊松比；Ｐｌ１，Ｐｌ２是弹光　

１．１光纤布喇格光栅原理　

系数．对于典型的石英光纤，　＝１．４６，　＝０．１６，　

光纤布喇格光栅（ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）是　

Ｐ１Ｉ＝０．１２，Ｐ１２＝０．２７，则Ｐｅ＝０．２２．所以，式（３）可　

利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相　

以写为　

位光栅，其作用实际上是一个窄带滤波器．当光入射　

：

到布喇格光纤光栅中时，只有特定波长的光能够反　

（卜　）ｅ：０．７８ｅ　（５）　

＾Ｂ　

射回来，如图１所示．其反射的中心波长（布喇格波　

式（５）是应变测量的一般公式．　

长）为　

Ｂ＝２ｎ　（１）　

１．３测重原理　

式中，　，是光纤芯区的有效折射率；Ａ为光栅周期，　

分析图２所示的悬臂梁测重装置的工作原理．　

式（１）称为布喇格条件．　

悬臂梁为一端固定，另一端自由的刚性较强的梁．　

（ａ）布喇格光纤光栅　

图２悬臂梁受力弯曲示意图　

从理论上分析布喇格波长与载荷Ｐ的关系．设梁的　

Ａ　

二　医　

当梁负重时产生弯曲，引起布喇格波长改变．先　

长度为Ｌ，厚度为ｈ．当荷载Ｐ作用在梁上时，梁将　

（ｂ）透射光谱和反射光谱　

会产生应变，悬臂梁上沿．２７轴方向上ｚ处的应变ｅ　

图１　ＦＢＧ及其透射光谱和反射光谱　

可表示为　５］　

ｈ／２　

Ｒ　

（６）　

由布喇格条件可以看出，光纤光栅的反射波长　

Ｂ

与光纤芯有效折射率，ｚ　和光栅周期ｎ有关，能　

其中，Ｒ为考察点处的曲率半径．Ｒ与材料的杨氏　

够引起　，和△变化的物理量均能够引起反射波长　

模量Ｅ、该点弯矩Ｍ以及所在截面的关于　轴的惯　

的变化．因此，可以通过检测布喇格光栅中心反　

性矩　的关系为　

Ｂ

射波长．：ＩＢ的偏移来检测外界物理量的变化．光纤　

尺＝　（７）　

光栅反射波长的变化与外界温度和应力变化的关系　

将式（６）和式（７）代入式（３），得到应变引起的布喇格　

为［５］　

反射波长的变化为　

人、　

ｚ．．

ＸＡＢ

—

－

＝

（口＋　）△Ｔ＋（１一Ｐｅ）￡　（２）　

＿（１一　）　（８）　

ＡＢ　

式中，ａ为光纤的热膨胀系数；　为光纤材料的热光　

假设梁自由端的挠度不大，且不计梁的自身质　

系数；△Ｔ为温度变化量；　为光纤材料的弹光系　

量，弯矩Ｍ为　

数；￡为轴向应变．　

Ｍ＝Ｐ（Ｌ—　）　（９）　

第２期　薛能等：利用光纤光栅监控输电线覆冰　３　

矩形截面梁Ｌ为　

ＪＹ：　Ｊ　１２　（１０）、１ｕ，　

其中　

）＝　６　（Ｌ－ｘ）　…）　

式中，ｃ＝　为常数．　

由式（８）～式（１１）得到载荷引起的布喇格反射　

波长的变化为　

ＡＡＢ

＿

：ＣＰ　（１２）　

由式（１２）可以看出，波长偏移量与载荷Ｐ成线　

性关系．　

２测重实验研究　

２．１　实验装置　

实验装置由１　５５０　ｎｉｎ宽带光源、悬臂梁、光纤　

光栅、扫描滤波器、光功率计、隔离器、２×２耦合器、　

跳线、法兰盘等组成，图３为实验装置原理图．图４　

为实验使用的单边悬臂梁结构图．悬臂梁的厚度　

ｈ＝６　ＩＴＩＩＹＩ，长度Ｌ＝２３０　ｍｍ，宽度ｂ０＝３０　Ｉ２２ＩＹ１．为了　

避免温度变化对布喇格波长的影响，在实验中分别　

在梁的上表面和下表面粘贴相同的光纤光栅ＦＢＧ１　

和ＦＢＧ２，且光栅的方向相同．宽带光源发出的宽带　

光经扫描滤波器（波长分辨率０．２　ｎｍ）和耦合器传　

输到粘贴在梁上的光纤光栅ＦＢＧ，ＦＢＧ产生的反射　

光再通过耦合器最后由光功率计测量光强，根据波　

长一光强度曲线获得峰值反射波长，即光纤光栅的　

中心反射波长．再根据中心反射波长与负重之间的　

映射关系测得载荷质量．　

光功率计　

图３实验装置原理图　

２．２实验结果及处理　

为了得到反射光波长与梁载荷的关系，依次给　

图４悬臂梁结构图　

梁负重，并逐次增加负重质量，在每一个载荷质量　

下，测出光栅的峰值反射波长，以重物的质量作为横　

坐标，反射光的峰值波长作为纵坐标绘制曲线，如图　

５所示．　

图５悬臂梁实验数据和拟合结果　

在完成上述实验测试后，对图５的实验数据采　

用最小二乘法进行拟合，得到了拟合曲线方程为　

６＝ａＰ＋ｂ　（１３）　

其中，Ｐ为载荷的质量；ａ＝０．００２　５１；ｂ＝１　５５０．１９２　

４３．曲线拟合结果如图５所示．通过实验研究发现，　

实际情况下，波长偏移量和梁负重之间的关系确实　

符合先前的理论推导结果，见式（１２）．　

３光纤光栅监测输电线覆冰的应用　

在前面对悬梁臂的情况进行了理论上的分析和　

实验研究，初步验证了利用光纤光栅监测梁的负重　

情况的可能性，为了进一步探讨光纤光栅监测输电　

线覆冰的可行性，对双支点简支梁模型进行实验研　

究与分析．实验使用的装置与前面基本相同，仍然采　

用了如图３所示实验原理框图，只是将图４的悬臂　

梁换为图６所示的简支梁，这里使用的梁与输电线　

接近，加载荷后弯曲比较大，更接近输电线负重的实　

际情况．将光纤光栅粘在图６中所示的位置上．当给　

梁加载荷后，梁发生形变，导致光纤光栅中心反射波　

长发生偏移．这里使用的梁与前面使用的悬臂梁（刚　

性很强，不易弯曲）差异比较大，更接近实际情况，如　

４　光电技术应用　第２５卷　

果实验能够验证波长偏移量与载荷质量之间仍然存　

在一定的函数关系，将对建立光纤光栅输电线覆冰４　结　论　

监测系统提供更大的技术支持．　

根据研究结果，证明利用光纤光栅传感器监控　

输电线上的覆冰情况从技术上是可行的．此外，由于　

光纤光栅具有体积小、结构简单、成本低、可以远距　

离传输、容易实现多点分布式大范围测量等特点，为　

研制实用的监控系统提供了有利的支持．实际的监　

控系统可以按图８所示情况进行配置．在输电线适　

图６实验采用的简支梁结构图　

当位置埋入ＦＢＧ光纤光栅，按照图８所示方式连接　

实验方法与前面相同，给简支梁负重，并逐次增　

加质量，在每一个质量下，测量光栅的中心反射光　

波，以重物的质量作为横坐标，中心波长作为纵坐标　

绘制实验数据，如图７所示．　

１　５５０．８　

Ｉ　５５０．６　

图８光纤光栅在线覆冰监控系统示意图　

至宽带光源与光谱仪上，即可实现远距离在线实时　

０　７００　ｌ　４００　

监控输电线的负重情况，可以根据极限载荷质量（可　

质量／ｇ　

能造成线断或线杆倒塌）设定相应的反射波长偏移　

图７简支梁实验数据和拟合结果　

警戒阈值，当覆冰质量增加到一定程度时，反射波长　

同样采用最小二乘法进行曲线拟合，得到了下　

偏移到报警波长，此时发出预警信号，以便工作人员　

面的拟合曲线方程　

采取必要的措施．而温度对反射波长的影响可以通　

过采用双ＦＢＧ的结构进行解决．　

６＝ｃ＋　

ｂ　（１４）　

参考文献　

其中，Ｐ为悬挂重物的质量；口＝８２．７４１　５３；ｂ＝　

［１］张玉环，李德超，王英健．输电线路覆冰的危害及防护　

３３．２９８　６１，Ｃ＝１　５５０．４４２　８３．曲线拟合结果如图７　

［Ｊ］．电气时代，２００８（６）：１００—１０２．　

所示．　

［２］蔡钢．电线覆冰小气候特征的分析［Ｊ］．云南电力技　

从上面的实验结果再次看到，简支梁负重与光　

术，２００９（３）：５７—５８．　

纤光栅反射波长同样存在着定量的映射关系，根据　

［３］罗隆福，赵志宇．高压架空输电线路除冰方法综述［Ｊ］．　

这个映射关系，可以通过测量反射光波的波长获得　

大众用电，２００９（２）：１０—１１．　

梁上载荷的质量．　

［４］李亮，夏爱军，逯锋兵．光纤光栅传感技术的优势与应　

用［Ｊ］．光通信技术，２００７（７）：６２—６４．　

［５］赵勇．光纤光栅及其传感技术［Ｍ］．北京：国防工业出　

版社，２００７：５１，７２．　

一—

■一“　一　—・卜“——卜一—－卜“——卜“＋“—　一”　一“—－＋－”＋”＋”＋”＋”＋“＋一＋”＋”—・卜＿“＋”＋”＋“＋“＋”＋“——卜一—’一”＋一——卜　

版权声明　

本刊已成为《中国核心期刊（遴选）数据库》、《中文科技期刊数据库》、《中国期刊全文数据库》、《中国学术期刊综合评价数　

据库》、美国《乌利希期刊指南》、波兰《哥白尼索引》收录期刊，并加人中国光学期刊网，建立了《光电技术应用》期刊网站，所刊　

载的文章在国内外数据库检索机构（包括纸板、光盘版、网络版）及光学期刊网与本刊网站报道时，不再征求作者意见．稿件刊　

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2024年4月24日发(作者：悟修德)

第２５卷第２期　

光电技术应用　

Ｖ０１．２５．Ｎｏ．２　

２０１０年４月　

ＥＩ．ＥＣＴＲ０—０　ＴＩＣ　ＴＥＣＨ　Ｌ０ＧＹ　ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ　Ａｐｒｉｌ．２０１０　

・

光电系统与设计・　

利用光纤光栅监控输电线覆冰　

薛　能，曹月霞，杨彬彬，赵勋杰　

（苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州２１５００６）　

摘要：从光纤布喇格光栅（ＦＢＧ）的原理、特点人手，对光纤光栅传感器监控输电线覆冰情况的可行性进行理论分析和实　

验研究．分别搭建了单臂和双臂梁实验装置，通过实验研究了光纤布喇格光栅反射波长与梁负重的关系，利用最／ｂ－＂乘法对　

实验数据进行了拟合，得到了波长偏移量和梁载荷的数学关系，实验结果显示利用光纤布喇格光栅传感器监控输电线覆冰情　

况是可行的．　．　

关键词：布喇格光栅；光纤传感器；输电线；覆冰预警　

中图分类号：ＴＮ３６２；７Ｍ７５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１２５５｛２０１０）０２—０００１—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｏ　Ｍｏｎｉｔｏｒ　Ｉｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　

ＸＵＥ　Ｎｅｎｇ，ＣＡＯ　Ｙｕｅ—ｘｉａ，ＹＡＮＧ　Ｂｉｎ－ｂｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｘｕｎ—ｊｉｅ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　０厂Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｃＳｉｅｎｃｅ＆ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｏｃｈｏｗ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５００６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ），ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　

ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｉｃｅ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＦＢＧ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　

Ｔｈｅ　ｏｎｅ—ｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｔｗｏ－ｓｉｄｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｅａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　

ＦＢＧ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｗａｓ　ｆｉｔｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ａｎｄ　

ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆｆｓｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　

ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｉｃｅ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｂｙ　ＦＢＧ　ｅｓｎｓｏｒｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　Ｂｒｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）；ｆｉｂｅｒ　ｅｓｎｓｏｒ；ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ；ｉｃｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　

覆冰本是一种自然现象，但是在输电线上覆冰　

起了人们对输电线覆冰预警的极大关注，人们开始　

则有可能造成重大的损失．我国记录最早的输电线　

探讨输电线覆冰形成机理、研究输电线覆冰预报技　

覆冰事故发生在１９５４年．近年来，输电线覆冰事故　

术和输电线覆冰去除方法　１　』．　

时有发生，如１９９６年初，福建省的３５　２２０　ｋＶ输电　众所周知，光纤传感器具有电绝缘性能好、抗电　

线路，因覆冰过重导致线杆倒塌，２００多处输电线断　

磁干扰能力强、耐恶劣环境以及易实现远距离监控　

裂．再如２００５年初华中的冰灾，引起湖南境内大量　

等特点．光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器　

线杆倒塌．此类灾害离我们最近的就是２００８年１月　

的优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，主　

底至２月初的南方大范围冻雨，输电线严重覆冰，大　

要是它的传感信号是波长调制的，这使得其测量信　

量的电线杆由于不堪积冰重压而倒塌，给电力系统　

号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和光纤老化损耗的　

造成严重的损坏，极大地影响了工农业生产和人们　影响，并能实现多点分布式大范围测量．此外，光纤　

生活，经济损失惨重．输电线覆冰引起的严重灾害引　

光栅体积小、结构简单、成本低，已应用于桥梁、矿　

收稿日期：２０１０—０２—１０　

基金项目：国家大学生创新项目（５７３１５４０８）　

作者简介：薛能（１９８８一），男，江苏苏州人，就读于苏州大学物理科学与技术学院，研究方向为光信息科学与技术；导师简介：赵勋杰（１９６０一），　

女，辽宁人，博士，教授，主要从事光纤传感器和图像信息处理等方面的研究．　

２　光电技术应用　第２５卷　

井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海洋、航空和医学　

领域［４１．基于输电线覆冰预报的需要和光纤光栅的　

优势，研究了利用光纤光栅监测输电线上覆冰质量　

的可行性．　

１．２布喇格波长与应变的关系　

当保持光纤光栅所处环境的温度场恒定时，应　

力变化引起的布喇格波长变化为　

：

光纤光栅测重原理　

（卜　）￡　（３）　

（４）　

＾Ｂ　

Ｐｅ＝（　２　／２）［（１一　）Ｐ１２一　Ｐｌ１］　

式中，　称弹光系数；　为泊松比；Ｐｌ１，Ｐｌ２是弹光　

１．１光纤布喇格光栅原理　

系数．对于典型的石英光纤，　＝１．４６，　＝０．１６，　

光纤布喇格光栅（ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）是　

Ｐ１Ｉ＝０．１２，Ｐ１２＝０．２７，则Ｐｅ＝０．２２．所以，式（３）可　

利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相　

以写为　

位光栅，其作用实际上是一个窄带滤波器．当光入射　

：

到布喇格光纤光栅中时，只有特定波长的光能够反　

（卜　）ｅ：０．７８ｅ　（５）　

＾Ｂ　

射回来，如图１所示．其反射的中心波长（布喇格波　

式（５）是应变测量的一般公式．　

长）为　

Ｂ＝２ｎ　（１）　

１．３测重原理　

式中，　，是光纤芯区的有效折射率；Ａ为光栅周期，　

分析图２所示的悬臂梁测重装置的工作原理．　

式（１）称为布喇格条件．　

悬臂梁为一端固定，另一端自由的刚性较强的梁．　

（ａ）布喇格光纤光栅　

图２悬臂梁受力弯曲示意图　

从理论上分析布喇格波长与载荷Ｐ的关系．设梁的　

Ａ　

二　医　

当梁负重时产生弯曲，引起布喇格波长改变．先　

长度为Ｌ，厚度为ｈ．当荷载Ｐ作用在梁上时，梁将　

（ｂ）透射光谱和反射光谱　

会产生应变，悬臂梁上沿．２７轴方向上ｚ处的应变ｅ　

图１　ＦＢＧ及其透射光谱和反射光谱　

可表示为　５］　

ｈ／２　

Ｒ　

（６）　

由布喇格条件可以看出，光纤光栅的反射波长　

Ｂ

与光纤芯有效折射率，ｚ　和光栅周期ｎ有关，能　

其中，Ｒ为考察点处的曲率半径．Ｒ与材料的杨氏　

够引起　，和△变化的物理量均能够引起反射波长　

模量Ｅ、该点弯矩Ｍ以及所在截面的关于　轴的惯　

的变化．因此，可以通过检测布喇格光栅中心反　

性矩　的关系为　

Ｂ

射波长．：ＩＢ的偏移来检测外界物理量的变化．光纤　

尺＝　（７）　

光栅反射波长的变化与外界温度和应力变化的关系　

将式（６）和式（７）代入式（３），得到应变引起的布喇格　

为［５］　

反射波长的变化为　

人、　

ｚ．．

ＸＡＢ

—

－

＝

（口＋　）△Ｔ＋（１一Ｐｅ）￡　（２）　

＿（１一　）　（８）　

ＡＢ　

式中，ａ为光纤的热膨胀系数；　为光纤材料的热光　

假设梁自由端的挠度不大，且不计梁的自身质　

系数；△Ｔ为温度变化量；　为光纤材料的弹光系　

量，弯矩Ｍ为　

数；￡为轴向应变．　

Ｍ＝Ｐ（Ｌ—　）　（９）　

第２期　薛能等：利用光纤光栅监控输电线覆冰　３　

矩形截面梁Ｌ为　

ＪＹ：　Ｊ　１２　（１０）、１ｕ，　

其中　

）＝　６　（Ｌ－ｘ）　…）　

式中，ｃ＝　为常数．　

由式（８）～式（１１）得到载荷引起的布喇格反射　

波长的变化为　

ＡＡＢ

＿

：ＣＰ　（１２）　

由式（１２）可以看出，波长偏移量与载荷Ｐ成线　

性关系．　

２测重实验研究　

２．１　实验装置　

实验装置由１　５５０　ｎｉｎ宽带光源、悬臂梁、光纤　

光栅、扫描滤波器、光功率计、隔离器、２×２耦合器、　

跳线、法兰盘等组成，图３为实验装置原理图．图４　

为实验使用的单边悬臂梁结构图．悬臂梁的厚度　

ｈ＝６　ＩＴＩＩＹＩ，长度Ｌ＝２３０　ｍｍ，宽度ｂ０＝３０　Ｉ２２ＩＹ１．为了　

避免温度变化对布喇格波长的影响，在实验中分别　

在梁的上表面和下表面粘贴相同的光纤光栅ＦＢＧ１　

和ＦＢＧ２，且光栅的方向相同．宽带光源发出的宽带　

光经扫描滤波器（波长分辨率０．２　ｎｍ）和耦合器传　

输到粘贴在梁上的光纤光栅ＦＢＧ，ＦＢＧ产生的反射　

光再通过耦合器最后由光功率计测量光强，根据波　

长一光强度曲线获得峰值反射波长，即光纤光栅的　

中心反射波长．再根据中心反射波长与负重之间的　

映射关系测得载荷质量．　

光功率计　

图３实验装置原理图　

２．２实验结果及处理　

为了得到反射光波长与梁载荷的关系，依次给　

图４悬臂梁结构图　

梁负重，并逐次增加负重质量，在每一个载荷质量　

下，测出光栅的峰值反射波长，以重物的质量作为横　

坐标，反射光的峰值波长作为纵坐标绘制曲线，如图　

５所示．　

图５悬臂梁实验数据和拟合结果　

在完成上述实验测试后，对图５的实验数据采　

用最小二乘法进行拟合，得到了拟合曲线方程为　

６＝ａＰ＋ｂ　（１３）　

其中，Ｐ为载荷的质量；ａ＝０．００２　５１；ｂ＝１　５５０．１９２　

４３．曲线拟合结果如图５所示．通过实验研究发现，　

实际情况下，波长偏移量和梁负重之间的关系确实　

符合先前的理论推导结果，见式（１２）．　

３光纤光栅监测输电线覆冰的应用　

在前面对悬梁臂的情况进行了理论上的分析和　

实验研究，初步验证了利用光纤光栅监测梁的负重　

情况的可能性，为了进一步探讨光纤光栅监测输电　

线覆冰的可行性，对双支点简支梁模型进行实验研　

究与分析．实验使用的装置与前面基本相同，仍然采　

用了如图３所示实验原理框图，只是将图４的悬臂　

梁换为图６所示的简支梁，这里使用的梁与输电线　

接近，加载荷后弯曲比较大，更接近输电线负重的实　

际情况．将光纤光栅粘在图６中所示的位置上．当给　

梁加载荷后，梁发生形变，导致光纤光栅中心反射波　

长发生偏移．这里使用的梁与前面使用的悬臂梁（刚　

性很强，不易弯曲）差异比较大，更接近实际情况，如　

４　光电技术应用　第２５卷　

果实验能够验证波长偏移量与载荷质量之间仍然存　

在一定的函数关系，将对建立光纤光栅输电线覆冰４　结　论　

监测系统提供更大的技术支持．　

根据研究结果，证明利用光纤光栅传感器监控　

输电线上的覆冰情况从技术上是可行的．此外，由于　

光纤光栅具有体积小、结构简单、成本低、可以远距　

离传输、容易实现多点分布式大范围测量等特点，为　

研制实用的监控系统提供了有利的支持．实际的监　

控系统可以按图８所示情况进行配置．在输电线适　

图６实验采用的简支梁结构图　

当位置埋入ＦＢＧ光纤光栅，按照图８所示方式连接　

实验方法与前面相同，给简支梁负重，并逐次增　

加质量，在每一个质量下，测量光栅的中心反射光　

波，以重物的质量作为横坐标，中心波长作为纵坐标　

绘制实验数据，如图７所示．　

１　５５０．８　

Ｉ　５５０．６　

图８光纤光栅在线覆冰监控系统示意图　

至宽带光源与光谱仪上，即可实现远距离在线实时　

０　７００　ｌ　４００　

监控输电线的负重情况，可以根据极限载荷质量（可　

质量／ｇ　

能造成线断或线杆倒塌）设定相应的反射波长偏移　

图７简支梁实验数据和拟合结果　

警戒阈值，当覆冰质量增加到一定程度时，反射波长　

同样采用最小二乘法进行曲线拟合，得到了下　

偏移到报警波长，此时发出预警信号，以便工作人员　

面的拟合曲线方程　

采取必要的措施．而温度对反射波长的影响可以通　

过采用双ＦＢＧ的结构进行解决．　

６＝ｃ＋　

ｂ　（１４）　

参考文献　

其中，Ｐ为悬挂重物的质量；口＝８２．７４１　５３；ｂ＝　

［１］张玉环，李德超，王英健．输电线路覆冰的危害及防护　

３３．２９８　６１，Ｃ＝１　５５０．４４２　８３．曲线拟合结果如图７　

［Ｊ］．电气时代，２００８（６）：１００—１０２．　

所示．　

［２］蔡钢．电线覆冰小气候特征的分析［Ｊ］．云南电力技　

从上面的实验结果再次看到，简支梁负重与光　

术，２００９（３）：５７—５８．　

纤光栅反射波长同样存在着定量的映射关系，根据　

［３］罗隆福，赵志宇．高压架空输电线路除冰方法综述［Ｊ］．　

这个映射关系，可以通过测量反射光波的波长获得　

大众用电，２００９（２）：１０—１１．　

梁上载荷的质量．　

［４］李亮，夏爱军，逯锋兵．光纤光栅传感技术的优势与应　

用［Ｊ］．光通信技术，２００７（７）：６２—６４．　

［５］赵勇．光纤光栅及其传感技术［Ｍ］．北京：国防工业出　

版社，２００７：５１，７２．　

一—

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