魏 鵬 張志強 厲秉強 杜 強

1.北京航空航天大學(xué)光電所 北京 100191；2.國家電網(wǎng)公司機器人實驗室 濟南 250002；3.濰坊供電公司 山東 濰坊 261000

0 前言

20世紀在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得的最偉大的成就之一就是光通信，光通信的成功，促進了光傳感的興起與發(fā)展。特別是20世紀60年代以來，隨著激光技術(shù)的逐漸成熟，利用光的各種屬性—干涉、衍射、偏振、反射、吸收、發(fā)光等的光檢測技術(shù)，作為非接觸、高速度、高精確度的檢測手段獲得了飛速的發(fā)展。1977年，美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃，這被認為是光纖傳感問世的日子。由于光纖不但具有良好的傳光特性，而且其本身就可以用來進行信息傳感，無需任何中間介質(zhì)就能把待測量與光纖內(nèi)的光特性變化聯(lián)系起來，并以光速傳送出去。因此到20世紀80年代光纖傳感器就已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。至20世紀90年代后期，光通信帶動下的光子產(chǎn)業(yè)取得了巨大的成功，光纖傳感器也呈產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家自然科學(xué)基金委員會政策局在 “光子學(xué)與光子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報告”中指出：在21世紀的光子產(chǎn)業(yè)上，光纖傳感將與光通信平分市場，并逐步超過后者。

1 光纖傳感技術(shù)的分類

光纖傳感技術(shù)按照不同的分類原則，可以有多種分類方法，以下介紹其中的三種分類方法：

（1）根據(jù)感應(yīng)的區(qū)域分類，可以分為內(nèi)部型和外部型。內(nèi)部型光纖傳感器的感應(yīng)區(qū)域在光纖內(nèi)部，而且光不會走到光纖外部。如光纖光柵傳感器等均為內(nèi)部傳感器。圖1所示即為內(nèi)部型光纖傳感器的原理圖。

圖1 內(nèi)部型光纖傳感器原理圖

外部型光纖傳感器的光會離開光纖到達外部的感應(yīng)區(qū)域，感應(yīng)完成之后再回到光纖中，如瓦斯等氣體傳感器就是外部傳感器。圖2所示即為外部型光纖傳感器的原理圖。

圖2 外部型光纖傳感器原理圖

（2）根據(jù)光調(diào)制機理分類，可以分為強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、波長調(diào)制型等等。如光纖電流傳感器等。圖3所示即為調(diào)制型光纖傳感器的原理圖。

圖3 調(diào)制型光纖傳感器的原理圖

（3）根據(jù)光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類，可以分為物理型、化學(xué)型和生物型光纖傳感器等等。

2 光纖傳感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 某些關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測

某些關(guān)鍵部件，例如風力發(fā)電機組的風機葉片是風力發(fā)電的關(guān)鍵所在，其葉片承受的壓力與風力大小有直接的關(guān)系，而風力的大小是不可預(yù)測的，因此實時監(jiān)控風機葉片的應(yīng)力變化是必須的。監(jiān)測可以使用體積小、重量輕的光纖應(yīng)力傳感器，圖4為做測試的風力發(fā)電機，圖5為安裝在風機葉片上的光纖傳感器，圖6為傳感器安裝圖，圖7為葉片形變圖，從圖7中可以看出在不同負載下，隨著葉片距離根部的長短不同，葉片的變形也不同。

圖4 風力發(fā)電機

圖5 光纖傳感器安裝在風機葉片上

圖6 光纖傳感器實際安裝圖

圖7 葉片應(yīng)變圖

2.2 大型結(jié)構(gòu)體的在線監(jiān)測

某些大型結(jié)構(gòu)體，例如發(fā)電機組的鍋爐和燃燒室的溫度分布情況，對于提高燃燒效率和安全是至關(guān)重要的。光纖溫度傳感器可以安裝在燃燒室的內(nèi)部，特種光纖的測溫范圍可以高達1000攝氏度以上。圖8是做試驗的發(fā)電機鍋爐，圖9是光纖溫度傳感器在燃燒室中的測試結(jié)果。通過這樣的光纖溫度傳感器就可以清楚地知道燃燒室內(nèi)部的溫度分布情況，從而確切地知道焰心的位置。

圖8 光纖溫度傳感器在發(fā)電廠鍋爐中的應(yīng)用

圖9 光纖溫度傳感器在燃燒室中的測試結(jié)果

2.3 分布式光纖傳感器

光纖分布式傳感器集傳感與信息傳輸于一體，并不需要在光纖上做特殊的處理，只需要普通的通信光纖就可以勝任。通信光纖再加上光源和光探測器，便可實現(xiàn)遠距離實時測量與監(jiān)控，特別適合于需要同時檢測大量位置點或沿著光纖通過的路徑連續(xù)變化的物理量，比如建筑物、橋梁、水壩、儲油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和應(yīng)變（裂縫）的監(jiān)測，石油鉆井平臺、飛機、航天器、電力變壓器等場合應(yīng)力和溫度分布狀況的實時監(jiān)測等。

圖10為分布式光纖傳感器的原理圖，通常使用Rayleigh散射、Brillouin散射和Raman散射這三種原理的散射。

圖10 分布式光纖傳感器的原理圖

圖11是使用分布式傳感器監(jiān)視的高溫高壓容器，因為監(jiān)視的是整個容器，而不是固定的某幾個或幾十個點，因此使用分布式傳感器更加簡易、方便，性價比更高。

圖11 高溫高壓容器的分布式監(jiān)測

圖12是長距離電纜的分布式光纖傳感器的溫度監(jiān)視系統(tǒng)，敷設(shè)這種分布式溫度光纖傳感器，不僅可以優(yōu)化電纜的功率分配，而且可以同時構(gòu)建火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，由于其測量點的分辨率可以在1米之內(nèi)，因此很容易確定故障點的位置，這對于解決地下電纜的故障定位問題也很有好處。

圖12 長距離電纜的分布式監(jiān)測

圖13是長距離電纜的分布式監(jiān)測結(jié)果。溫度測量精度可以在0.1攝氏度之內(nèi)。

圖13 長距離電纜的分布式監(jiān)測結(jié)果

分布式光纖不僅僅可以敷設(shè)在電纜的表面，如圖12所示，也可以敷設(shè)在電纜的內(nèi)部，如圖14即為架空裸線內(nèi)部的分布式光纖傳感器，需要特別指出的是這些光纖傳感器就是普通的通信光纖。

圖14 鋁包鋼絞線內(nèi)部的光纖

2.4 光纖電流傳感器

反射式光纖電流傳感器是基于磁光Faraday效應(yīng)，通過檢測光纖中的模式正交的兩束偏振光由于敏感電流周圍的磁場，所產(chǎn)生的相位差的變化量，間接地測量母線中的電流值。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示，主要由光源、耦合器、起偏器、相位調(diào)制器、光纖光纜延遲線、λ/4波片、傳感頭、反射鏡和光電探測器組成。

圖15 光纖電流互感器的原理圖

圖16是光纖電流傳感器在500KV變電站的實際安裝圖。

圖16 光纖電流傳感器的安裝圖

2.5 光纖氣體傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

氣體監(jiān)測是電力系統(tǒng)安全運行的一項重要監(jiān)測內(nèi)容，利用光纖傳感器可以實現(xiàn)遠距離、多點實時監(jiān)控。其原理是利用不同的待監(jiān)測氣體在光的不同波長區(qū)域的特征吸收譜線，采用吸收光譜法進行氣體濃度監(jiān)測。其特點是全光纖結(jié)構(gòu)、損耗低、易于實現(xiàn)長距離多點探測，本身不發(fā)熱，無電、無火，這種固有的安全性消除了爆炸的危險和電磁干擾問題；測量的動態(tài)范圍大，可以有效的起到預(yù)警的作用；反映速度快；對環(huán)境的適應(yīng)性強。能在潮濕、粉塵較多的環(huán)境下使用?？梢员O(jiān)測的氣體種類多，諸如瓦斯、煤氣、二氧化碳、硫化氫、氨氣、氮氣、氯氣和六氟化硫氣體等。而且可以使用同一個光纖氣體傳感器監(jiān)測多種氣體。如圖17所示為光纖氣體傳感器的樣機圖。

圖17 光纖氣體傳感器樣機

2.6 光纖傳感器在核電工業(yè)及在電力系統(tǒng)中的其它應(yīng)用

由于光纖傳感器的抗輻射特性，在核能工業(yè)這個特殊領(lǐng)域也有一席之地。日本核能研究院在年度報告中提到，他們正在用光纖傳感器對反應(yīng)堆進行實時檢測。此外，其他國家也使用光纖傳感器來檢測核電廠的混凝土健康狀況、核廢料堆溫度、高溫部件等安全問題。

除此之外，光纖微振動傳感器在大型變壓器和發(fā)電設(shè)備的振動監(jiān)測中得到應(yīng)用；光纖角速度傳感器在電力機器人的導(dǎo)航領(lǐng)域得到應(yīng)用；還有管道應(yīng)變、彎曲監(jiān)測、液體或氣體泄露等等領(lǐng)域都有光纖傳感器的用武之地?？傊?，光纖傳感器可以測量的信號有電壓、電流、電場、磁場、應(yīng)力、溫度、速度、流量、聲波、超聲波、氣體或液體的濃度、酸堿度等。在電力系統(tǒng)的應(yīng)用遠遠不止以上列舉的這幾個例子，而且相信在不遠的將來會有更多的應(yīng)用。

3 結(jié)論

綜上所述，由于光纖傳感技術(shù)在絕緣、耐高溫、抗電磁干擾、抗輻射等方面的優(yōu)異特性，其在電力系統(tǒng)已經(jīng)并必將在不遠的將來得到廣泛的應(yīng)用。

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