傳感器和光纖傳感器的定義和分類

作? ?者：黃俊華

單? ?位：TOEM常務專家理事

摘? ? 要：在我國一級骨干電網中工作的OPGW線路，約有一半己接近或達到了服役壽命，需評估這些線路的健康狀態。本文在概要介紹了傳感器和光纖傳感器的定義和分類后，總結了近年來用BOTDR/A對部分電壓等級、年限、結構等均不同的OPGW進行的在線分布式檢測的進展。

前言

至2020年，我國各電壓等級的輸電線路總長超過159萬km。骨干電力通信網己投運的OPGW超過88萬km，其中一級骨干網的OPGW超過了8.8萬km。包括ADSS在內，骨干通信網的光纜覆蓋率達90%以上，基本實現了220kV及以上電網的光纖光纜全覆蓋。

通常，OPGW的服役壽命保證值為不小于20～25年，在500kV及以上的一級骨干網中，有近58%的OPGW光纜線路始建于2003年。據從2018年以來的故障統計，這些“老線路”表現為斷芯或傳輸性能劣化的故障共29起，同比增長了約61%，呈明顯上升趨勢。由于故障定位和修復都比較困難，平均處置時間約13小時，為各類光纜故障處置時長之最。

鑒于一級骨干網在電網中的重要性，評估這些接近或已到達服役壽命的OPGW的健康狀態是“更換”還是可“延壽”提上了議事日程。

OPGW由金屬部件和光纖組成，對金屬材料的老化或工作壽命可有相對成熟的規范和試驗方法來分析，而對光纖尚無相應的規范。

一、輸電線路健康狀態和傳感器

1、輸電線路主要狀態參數

輸電線路的健康狀態參數分為實時數據、離線檢測數據和試驗數據等三種，具體可分為桿塔、基礎、線纜、金具、絕緣子串和外部環境等六類。

桿塔方面主要包括位移、應力、傾斜、振動等參數；基礎方面可有滑移、沉降、接地電阻、接地網腐蝕等；在線纜方面，架空線包括溫度、張（應）力、弧垂、振（舞）動、風偏、覆冰、雷擊等，通信線包括衰減、帶寬、附加（插入）損耗等，電纜包括載流量、溫度、絕緣等；金具方面，包括絕緣串的張力、風偏、鹽密、灰密、泄漏電流等和連接/接續/防護金具的溫度、振動、應變等；環境方面包括風速、風向、氣溫、濕度、降雨量、氣壓、污染、覆冰和運行中的電流、電壓等。

隨著各類傳感技術的發展，輸電線路的狀態監測技術逐漸自動化和智能化。傳統的人工定期巡檢模式正逐步被在線監測所替代，所需監測的參量也逐漸增多。

2、傳感器

按GB7665《傳感器通用術語》，傳感器定義為：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件指傳感器中直接感受或響應被測量的部分；轉換元件指將被測量轉換成適于傳輸或被測量的電信號部分。

傳感器通常由敏感器件、轉換器件和電子線路組成，在有些傳感器中敏感器件和轉換器件是合為一體的，如微電子機械系統（MEMS）。如果傳感器輸出的是標準信號，則又被稱為“換能器”或“變送器”。

GB/T36378《傳感器分類及代碼》將傳感器分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器三大類，根據被測量、轉換原理和主要特征細分。

按被測量可分為：力學、光學、電磁學、化學、熱學、生物學、幾何學、運動學等。按工作原理分為：電阻、電容、電感、光電、光柵、熱電、壓電、超聲、紅外、光纖、激光等。按敏感材料分為：半導體、陶瓷、石英、金屬、有機、高分子、光纖等。按輸出量分為：模擬、數字、脈沖（電、光）等。按應用場合分為：工業、農業、軍用、醫用、科研、環保、減災、空間、飛機船艦等。按使用目的分為：計測、分析、監控、偵查、診斷等。

各類傳感器的主要特點和發展方向是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化和網絡化。

常見的各種電（子）學傳感器在輸電線路狀態監測中已經得到了較為廣泛的應用，一般安裝于線路桿塔上，采用無線通信裝置將數據傳送到監測中心。由于傳感器在輸電線路中以點狀布置，雖可代表一個小區域但并不能代表全線。

電（子）學傳感器是有源器件，除了現場供電有一定困難外，外場條件下的高溫、高濕、風雪和覆冰等惡劣工作環境往往會影響電子元器件的使用壽命，對數據通信與安裝調試均有特殊的需求。還由于高壓輸電線路周邊存在強電磁干擾，電（子）學傳感器的適用范圍受到一定限制，穩定性與可靠性保障等難以滿足電力系統對實時狀態監測的需求。

3、光纖傳感器

如上所述，光纖傳感器是傳感器大類中的一個門類。

按GB/T18901.1/IEC 65757-1《光纖傳感器》，光纖傳感器（fibre optic sensor）的定義為：為了控制或測量，利用光纖的光學特性來獲取或轉換環境信息的傳感器。它包括一個光傳感元件或供能元件，也可以包括下列一個或多個部分（圖1和圖2）。

圖1

圖2

按光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器可分為非功能型光纖傳感器（傳光型）和功能型光纖傳感器（傳感型）兩大類。前者中光纖僅作為信息傳輸介質，對外界信息的敏感功能由其它物理性質的功能元件完成；后者中光纖不僅是導光媒質也是敏感元件，通過外界物理量的變化對光纖內傳輸的光信號進行調制，使信號光的振幅、相位、頻率、偏振態或波長等參量發生變化，通過對調制信號進行解調得到被測信號。

光纖傳感器可包括本征光纖傳感器、非本征光纖傳感器、單點光纖傳感器、多點光纖傳感器、擴展型光纖傳感器、分布式光纖傳感器、光源、光傳感/光供能元件、光纖引線、光接口和光接收機。

按主流技術，目前可主要分為光纖光柵型、干涉型和散射型。

光纖光柵型：在光纖中纖芯中刻寫折射率周期變化的光柵，因周期不同故其反射的光波長也不同。當帶有布拉格（Bragg）光柵（FBG）的光纖受到拉伸/壓縮/溫度等發生變化時，由于其周期發生的變化改變了反射光的波長。通過測量反射光波長的變化即可得知光纖所受的應變或所處的溫度值。

干涉型光纖傳感技術主要有：麥克爾遜(Michlson)光纖干涉儀、馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀、薩格奈克(sagnac)光纖干涉儀、法布里-珀羅 (Fabry-Perot)光纖干涉儀和裴索（Fizau）光纖干涉儀。干涉型光纖傳感的測量分析系統的機理和技術己經基本成熟，其光學架構是經典的，主要區別是光/電子學處理和計算方法及一些細節。

反射型光纖傳感技術主要包括：瑞利時域反射OTDR、拉曼頻域反射OFDR、拉曼散射DTS、瑞利散射、相干光時域反射COTDR、布里淵散射時域反射BOTDR、布里淵散射頻域反射BOTDA、偏振光時域反射POTDR和長程光干涉技術等。

按應用場合主要可分為點式傳感和分布式傳感兩大類，將多個點傳感串聯起來可稱為準分布式傳感。

光纖傳感OFS（Optical Fiber Sensor）是20世紀70年代后期發展起來的傳感技術，利用外界物理量引起的光纖中傳播的光的特性參數（如強度、相位、波長、偏振、散射等）變化，對外界物理量進行測量和數據傳輸。具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、安全性高（無電火花，可在易燃、易爆環境下工作），傳感器端無需供電、耐高溫，以及便于組成傳感器網絡、易融合進物聯網等優點，在極端環境下能完成傳統傳感器很難甚至不能完成的任務，擴展了傳統傳感器的功能，得到了廣泛的研究和應用。目前世界上已有各類OFS數百種，伴隨新的機理及特種光纖、專用器件和新技術不斷問世，其性能指標不斷提高，更多的應用不斷出現，展示了廣闊的應用前景。

OPGW/OPPC中的光纖，既用于信息傳輸也可用于傳感，其潛在應用如圖3。

圖3? 輸電線路光纖分布式傳感潛在應用示意圖

二、當前可用的光纖分布式傳感技術

1、光纖光柵傳感技術及應用

光纖光柵又稱光纖布拉格光柵FBG（Fiber Bragg Grating）技術，如用于測量溫度/應變，則光纖通道中的FBG布設得越密，即測量點越多則信息越豐富，但對解調儀的掃描范圍要求越寬，相應的造價就越高。

在輸電線路中，通常最關心的是兩個變電站出口處和特殊區域導線的溫度/應變；在一個線檔中，通常關心的是兩個線夾和弧垂最低點的導線溫度/應變。FBG監測點的采樣數量和具體位置是無法滿足這樣要求的，FBG位置在實際安裝工程中也不可能辦得到與對應釆樣點一致。也就是說，光纖光柵FBG只能是監測連續的固定采樣點、是一種“準分布式”而不是真正的“分布式”測量。

寫入FBG的光纖已成為傳感光纖，在光纜生產時要求的光纖余長與常規通信光纖是不同的，在理論上與通信光纖混裝在同一個光單元里是不合理的。

2、拉曼散射技術及應用

基于拉曼散射技術的分布式光纖溫度監測系統DTS（Distributed Temperature Sensoring）可以進行實時、在線、連續分布式的測溫，可實現沿光纖軸向分布的“溫度—距離”的分布式測量。在DTS系統中，光纖上的任意一個點都是測溫傳感器，只取決于采樣間隔，DTS方案在理論上沒有測量盲區，就像OTDR一樣，可以沿整條被測光纖給出連續的溫度分布曲線。若按采樣間隔0.5m，就已經可以覆蓋OPGW/OPPC線路中所有感興趣、需要分析的“點”或“區段”，可以覆蓋所有的線夾和跳線連接處的溫度。

DTS系統測溫時只需要一根光纖，但大多采用大芯徑的多模光纖，監測距離較短且不能直接監測應變。

3、布里淵散射技術及應用

基于布里淵散射的分布式光纖傳感器直接采用常規通信單模光纖作為傳感器，可實現沿光纖分布的溫度、應變的實時測量。

布里淵光纖傳感技術有光時域反射技術BOTDR（Brillouin optic time domain reflectometer）和光時域分析技術BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）兩種實現方式。BOTDR為單端測量方式，探測的是微弱的自發布里淵散射光，難以實現長距離、高精度測量；BOTDA采用雙端結構，探測的是較強的受激布里淵散射光。

4、三種技術在監測系統中的接線分式

三種技術在監測系統中的接線方式以圖4示意。