一种测量输电线路舞动的传感器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种测量输电线路舞动的传感器。

背景技术

在沿海、戈壁、高原等特殊环境地区，常伴有大风等恶劣天气，电力系统内输电线路一般都是通过输电塔架空在地面上，在大风天气中，架空线路通常因为风的激励作用产生舞动。架空线路舞动过大会产生相间闪络、跳闸、电弧烧伤等事故，同时使得线路本身、连接部件及杆塔都承受着比较大的动态载荷。载荷达到一定限度时，极有可能出现线路断裂、连接件损坏、杆塔倾倒等严重事故，以致于引发灾害。目前，并没有很好的方法对线路的舞动进行准确的监测，以进行预防警示。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种测量输电线路舞动的传感器，对线路的舞动进行准确的监测。

本发明提供一种测量输电线路舞动的传感器，包括：

第一球体1，所述第一球体1为空心结构，所述第一球体1包括外壳体11和内壳体12，所述外壳体11和内壳体12刚性连接，所述外壳体11和内壳体12之间形成第一壳体空间13，所述内壳体内形成第二壳体空间14，所述外壳体11为刚性材质，所述内壳体12为柔性材质；

至少一个光纤光栅2，位于所述第一壳体空间13内，所述光纤光栅2与所述第一球体1刚性连接，所述至少一个光纤光栅2中至少有一个光纤光栅位于所述第一球体1底部位置，所述底部位置是指所述传感器在使用状态下，所述第一球体1的最低位置；

第二球体3，所述第二球体3为实心重物球，可活动的放置于所述内壳体12内部，当所述输电线路舞动时，所述第二球体3在所述内壳体12的第二壳体空间14中自由滚动。

可选的，所述光纤光栅2的分布数量为1个，该1个所述光纤光栅位于所述第一球体1底部位置。

可选的，所述至少一个光纤光栅2的分布数量满足如下关系：count＝N*(M-2)+2，其中，count表示光纤光栅的总数，M表示第一球体水平方向的切面数，N表示每一切面均分的区域数。

可选的，所述光纤光栅2的分布数量为26，所述26个光纤光栅通过光纤串联后从所述第一球体1引出。

可选的，所述第一球体水平方向的切面数为5，5个切面包括顶点切面、底点切面、中央切面、上部切面和下部切面，所述中央切面位于所述顶点切面和底点切面的中央；所述上部切面位于所述顶点切面和中央切面的中央；所述下部切面位于所述底点切面和中央切面的中央；所述中央切面、上部切面和下部切面平均分成8个区域，每一区域与所述第一球体具有一交点；所述26个光纤光栅分别位于所述交点、顶点和底点。

可选的，所述26个光纤光栅具有不同的中心波长，当输电线路发生舞动时，所述第二球体3与不同位置所述光纤光栅接触后产生固定值的波长偏移，记录发生所述波长偏移的所述光纤光栅的位置后获得输电线路舞动状态。

可选的，所述底点切面包括1个光纤光栅，编号为1，中心波长为1510nm；所述下部切面包括8个光纤光栅，编号依次为2、3、4、5、6、7、8、9，中心波长依次为1512nm、1514nm、1516nm、1518nm、1520nm、1522nm、1524nm、1526nm；所述中央切面包括8个光纤光栅，编号依次为10、11、12、13、14、15、16、17，中心波长依次为1528nm、1530nm、1532nm、1534nm、1536nm、1538nm、1540nm、1542nm；所述上部切面包括8个光纤光栅，编号依次为18、19、20、21、22、23、24、25，中心波长依次为1544nm、1546nm、1548nm、1550nm、1552nm、1554nm、1556nm、1558nm；所述顶点切面包括1个光纤光栅，编号为26，中心波长为1560nm。

可选的，所述固定值为0.25nm。

可选的，所述第二球体3的质量与所述光纤光栅的压敏系数正相关。

可选的，所述第二球体3的直径为所述内壳体直径的一半。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的光纤式舞动传感器能够测量架空电线的舞动情况。当架空线路舞动时，传感重物球在重力作用下对各点的FBG施加压力，导致FBG中心波长偏移，通过FBG的解调光谱可以看到对应位置的FBG的中心波长发生了变化，从而可以判断出架空线路的舞动情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的测量输电线路舞动的传感器的整体结构示意图。

图2A是本发明的测量输电线路舞动的传感器的分层结构示意图。

图2B(1)是本发明的测量输电线路舞动的传感器的第一层结构示意图。

图2B(2)是本发明的测量输电线路舞动的传感器的第二层结构示意图。

图2B(3)是本发明的测量输电线路舞动的传感器的第三层结构示意图。

图2B(4)是本发明的测量输电线路舞动的传感器的第四层结构示意图。

图2B(5)是本发明的测量输电线路舞动的传感器的第五层结构示意图。

图3是本发明的测量输电线路舞动的传感器的初始状态光谱图。

图4是本发明的测量输电线路舞动的传感器的重物球运动轨迹图。

图5是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过2号FBG状态光谱图。

图6是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过10号FBG状态光谱图。

图7是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过18号FBG状态光谱图。

图8是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过1、2、10、18、26、22、14、6号FBG状态光谱图。

图9是本发明的测量输电线路舞动的传感器的重物球运动轨迹图。

图10是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过10、11、12、13、14、15、16、17号FBG合成光谱图。

图11是本发明的测量输电线路舞动的传感器的重物球弧形运动轨迹图。

图12是本发明的测量输电线路舞动的传感器经过1、2、6号FBG状态光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种测量输电线路舞动的传感器，包括：第一球体1，所述第一球体1为空心结构，所述第一球体1包括外壳体11和内壳体12，所述外壳体11和内壳体12刚性连接，所述外壳体11和内壳体12之间形成第一壳体空间13，所述内壳体内形成第二壳体空间14，所述外壳体11为刚性材质，所述内壳体12为柔性材质；至少一个光纤光栅2，位于所述第一壳体空间13内，所述光纤光栅2与所述第一球体1刚性连接，所述至少一个光纤光栅2中至少有一个光纤光栅位于所述第一球体1底部位置，所述底部位置是指所述传感器在使用状态下，所述第一球体1的最低位置；第二球体3，所述第二球体3为实心重物球，可活动的放置于所述内壳体12内部，当所述输电线路舞动时，所述第二球体3在所述内壳体12的第二壳体空间14中自由滚动。

作为可选的实施方式，所述光纤光栅2的分布数量为1个，该1个所述光纤光栅位于所述第一球体1底部位置。

作为可选的实施方式，所述至少一个光纤光栅2的分布数量满足如下关系：count＝N*(M-2)+2，其中，count表示光纤光栅的总数，M表示第一球体水平方向的切面数，N表示每一切面均分的区域数。例如传感器球体被分为5个切面，顶点和底点所在的切面各只需要一个FBG，剩下的三个切面每个切面将圆形均分为8个区域。因此该传感器共需：8*(5-2)+2＝26个FBG传感元件。

作为可选的实施方式，所述光纤光栅2的分布数量为26，所述26个光纤光栅通过光纤串联后从所述第一球体1引出。

作为可选的实施方式，所述第一球体水平方向的切面数为5，5个切面包括顶点切面、底点切面、中央切面、上部切面和下部切面，所述中央切面位于所述顶点切面和底点切面的中央；所述上部切面位于所述顶点切面和中央切面的中央；所述下部切面位于所述底点切面和中央切面的中央；所述中央切面、上部切面和下部切面平均分成8个区域，每一区域与所述第一球体具有一交点；所述26个光纤光栅分别位于所述交点、顶点和底点。

作为可选的实施方式，所述26个光纤光栅具有不同的中心波长，当输电线路发生舞动时，所述第二球体3与不同位置所述光纤光栅接触后产生固定值的波长偏移，记录发生所述波长偏移的所述光纤光栅的位置后获得输电线路舞动状态。

作为可选的实施方式，所述底点切面包括1个光纤光栅，编号为1，中心波长为1510nm；所述下部切面包括8个光纤光栅，编号依次为2、3、4、5、6、7、8、9，中心波长依次为1512nm、1514nm、1516nm、1518nm、1520nm、1522nm、1524nm、1526nm；所述中央切面包括8个光纤光栅，编号依次为10、11、12、13、14、15、16、17，中心波长依次为1528nm、1530nm、1532nm、1534nm、1536nm、1538nm、1540nm、1542nm；所述上部切面包括8个光纤光栅，编号依次为18、19、20、21、22、23、24、25，中心波长依次为1544nm、1546nm、1548nm、1550nm、1552nm、1554nm、1556nm、1558nm；所述顶点切面包括1个光纤光栅，编号为26，中心波长为1560nm。所述固定值为0.25nm。

重物球的大小与球壳内FBG的分布情况有关，要保证重物球运动过程中，每个位置同一时刻有且仅有一个FBG发生波长漂移，单个FBG变化时，舞动传感器测量架空线路舞动形式的灵敏度较高。作为可选的实施方式，所述第二球体3的质量与所述光纤光栅的压敏系数正相关。FBG发生一定波长漂移所需的压力越小，重物球的质量就越小。

可选的，所述第二球体3的直径为所述内壳体直径的一半。

基于光纤光栅传感技术的舞动传感器构造原理如图1所示，外壳体11为刚性材质，内壳体12为柔性材质，柔性材质保证了重物球在内壳体内滚动时有作用力传递到光纤光栅。本实施例传感器采用了26个FBG(光纤光栅)嵌入在外壳体11和内壳体12组成的第一壳体空间13中，每个FBG通过串联的形式，相互熔接起来，最后汇聚成一根光纤从外壳体11中引出，利用光纤光栅解调仪观测各个FBG的反射中心波长。

传感器通过图1所示的圆弧形电缆夹4箍住固定在架空线路上，安装后在无线路舞动的初始状态状态下，需要保持传感器重心垂直向下，内部的刚性材质的重物球直径为内壳体12直径的一半，确保重物球在内壳体12内滚动时，任意时刻26个FBG有且仅有一个FBG能收到重物球的压力作用产生波长漂移。FBG具有受到轴向拉力时，会向中心波长减小的方向发生波长漂移。重物球对FBG的径向压力在实际作用上产生的也是轴向拉力。通过光纤光栅解调仪上显示的光谱图，即可知道重物球受到架空线路的舞动跟随后在内壳体12的具体位置，经过时间的累积，各个FBG偏移的光谱图可对应成重物球在内壳体12内的运动形式及轨迹，从而可知架空线路的舞动形式。

具体的，作为一种示例进行说明如下(不限于此)，如图2所示，26个FBG将光纤式舞动传感器沿垂直方向分为五层：如图2A-图2B5所示，第一层1个FBG，编号为1，中心波长为1510nm。第二层8个FBG，编号依次为2、3、4、5、6、7、8、9，中心波长依次为1512、1514、1516、1518、1520、1522、1524、1526nm。第三层8个FBG，编号依次为10、11、12、13、14、15、16、17，中心波长依次为1528、1530、1532、1534、1536、1538、1540、1542nm。第四层8个FBG，编号依次为18、19、20、21、22、23、24、25，中心波长依次为1544、1546、1548、1550、1552、1554、1556、1558nm。第五层1个FBG，编号为26，中心波长为1560nm。

初始状态时，舞动传感器26个FBG的波形光谱图如图3所示，其中只有1号FBG受到压力发生波长漂移，假设波长漂移的量为中心波长向减小的方向漂移0.25nm。

当架空线路舞动是垂直方向上顺时针的圆周运动，恰好导致光纤式舞动传感器内的重物球也是垂直方向上顺时针的圆周运动，如图4所示，依次重复经过1、2、10、18、26、22、14、6号FBG。

假设每个FBG受到的离心力相等，对应FBG的中心波长往小的方向漂移0.25nm，则对应第一次、第二次、第三次光谱图分别如图5、图6和图7所示。此种舞动情形下，重物球一个周期内各个感应FBG的波长漂移的合成光谱图如图8所示。当在光纤光栅解调仪看到这样的光谱合成图时，即可反推出架空线路的舞动状态。

当架空线路水平方向摆动时，假设极限情况下导致传感器重物球沿图2所示的第三层做水平面方向上的顺时针圆周运动，运动轨迹如图9所示，则会依次重复经过10、11、12、13、14、15、16、17号FBG。

此种舞动情形下，重物球一个周期内各个感应FBG的波长漂移的合成光谱图如图10所示。假设每个FBG受到的离心力相等，对应FBG的中心波长往小的方向漂移0.25nm。同理，在光纤光栅解调仪看到这样的光谱合成图时，即可反推出架空线路的舞动状态。

当架空线路舞动幅度小时，导致传感器重物球沿图11所示的做弧线形运动时，例如依次重复经过1、6、2号FBG。

此种舞动情形下，重物球一个弧形运动周期内各个感应FBG的波长漂移的合成光谱图如图12所示。假设每个FBG受到的离心力相等，对应FBG的中心波长往小的方向漂移0.25nm。同理，在光纤光栅解调仪看到这样的光谱合成图时，即可反推出架空线路的舞动状态。

其中，传感器为同心球体结构，可测三维空间中的运动状态。传感器外壳体11通过电缆夹与架空线路刚性连接，其运动形式与架空线路舞动形式实时保持一致，内壳体12及其中FBG与外壳体11也是刚性连接(例如通过至少1个连接点进行连接)，其运动形式与外壳体11运动形式实时保持一致。内壳体12表面光滑，重物球表面也是光滑材质，两者之间的摩擦力较小。传感器在水平状态(即初始状态)时，只有球体底部的FBG受到重物球的压力作用产生波长漂移。当架空线路舞动时，重物球在重力作用下一直向内壳体12的垂直面上的底点运动，此时与架空线路摆动轨迹起始方向相反，然后内壳体12内侧面通过支持力和摩擦力，对重物球产生与架空线路舞动形式一致的合成力，让重物球跟随架空线路舞动，重物球运动轨迹与架空线路舞动轨迹基本一致，但可能会存在时延。

作为一种简单的实施方式，如果仅仅是测量架空线路是否舞动了，光纤式舞动传感器则只需要底点位置的FBG即可实现测量目标的监测。当架空线路非舞动时，传感重物球在重力作用下对底点的FBG施加压力，导致FBG中心波长偏移。一旦架空线路舞动时，重物势必不会时时刻刻都在底点位置，通过FBG的解调光谱可以看到FBG的中心波长是在变化的。由此可以判断架空线路是否在舞动。

本发明提供的光纤式舞动传感器能够测量架空电线的舞动情况。当架空线路舞动时，传感重物球在重力作用下对各点的FBG施加压力，导致FBG中心波长偏移，通过FBG的解调光谱可以看到对应位置的FBG的中心波长发生了变化，从而可以判断出架空线路的舞动情况。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。