传感器和光纤传感器的定义和分类

作   者：黄俊华

单   位：TOEM常务专家理事

摘    要：在我国一级骨干电网中工作的OPGW线路，约有一半己接近或达到了服役寿命，需评估这些线路的健康状态。本文在概要介绍了传感器和光纤传感器的定义和分类后，总结了近年来用BOTDR/A对部分电压等级、年限、结构等均不同的OPGW进行的在线分布式检测的进展。

前言

至2020年，我国各电压等级的输电线路总长超过159万km。骨干电力通信网己投运的OPGW超过88万km，其中一级骨干网的OPGW超过了8.8万km。包括ADSS在内，骨干通信网的光缆覆盖率达90%以上，基本实现了220kV及以上电网的光纤光缆全覆盖。

通常，OPGW的服役寿命保证值为不小于20～25年，在500kV及以上的一级骨干网中，有近58%的OPGW光缆线路始建于2003年。据从2018年以来的故障统计，这些“老线路”表现为断芯或传输性能劣化的故障共29起，同比增长了约61%，呈明显上升趋势。由于故障定位和修复都比较困难，平均处置时间约13小时，为各类光缆故障处置时长之最。

鉴于一级骨干网在电网中的重要性，评估这些接近或已到达服役寿命的OPGW的健康状态是“更换”还是可“延寿”提上了议事日程。

OPGW由金属部件和光纤组成，对金属材料的老化或工作寿命可有相对成熟的规范和试验方法来分析，而对光纤尚无相应的规范。

一、输电线路健康状态和传感器

1、输电线路主要状态参数

输电线路的健康状态参数分为实时数据、离线检测数据和试验数据等三种，具体可分为杆塔、基础、线缆、金具、绝缘子串和外部环境等六类。

杆塔方面主要包括位移、应力、倾斜、振动等参数；基础方面可有滑移、沉降、接地电阻、接地网腐蚀等；在线缆方面，架空线包括温度、张（应）力、弧垂、振（舞）动、风偏、覆冰、雷击等，通信线包括衰减、带宽、附加（插入）损耗等，电缆包括载流量、温度、绝缘等；金具方面，包括绝缘串的张力、风偏、盐密、灰密、泄漏电流等和连接/接续/防护金具的温度、振动、应变等；环境方面包括风速、风向、气温、湿度、降雨量、气压、污染、覆冰和运行中的电流、电压等。

随着各类传感技术的发展，输电线路的状态监测技术逐渐自动化和智能化。传统的人工定期巡检模式正逐步被在线监测所替代，所需监测的参量也逐渐增多。

2、传感器

按GB7665《传感器通用术语》，传感器定义为：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件指传感器中直接感受或响应被测量的部分；转换元件指将被测量转换成适于传输或被测量的电信号部分。

传感器通常由敏感器件、转换器件和电子线路组成，在有些传感器中敏感器件和转换器件是合为一体的，如微电子机械系统（MEMS）。如果传感器输出的是标准信号，则又被称为“换能器”或“变送器”。

GB/T36378《传感器分类及代码》将传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类，根据被测量、转换原理和主要特征细分。

按被测量可分为：力学、光学、电磁学、化学、热学、生物学、几何学、运动学等。按工作原理分为：电阻、电容、电感、光电、光栅、热电、压电、超声、红外、光纤、激光等。按敏感材料分为：半导体、陶瓷、石英、金属、有机、高分子、光纤等。按输出量分为：模拟、数字、脉冲（电、光） 等。按应用场合分为：工业、农业、军用、医用、科研、环保、减灾、空间、飞机船舰等。按使用目的分为：计测、分析、监控、侦查、诊断等。

各类传感器的主要特点和发展方向是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化和网络化。

常见的各种电（子）学传感器在输电线路状态监测中已经得到了较为广泛的应用，一般安装于线路杆塔上，采用无线通信装置将数据传送到监测中心。由于传感器在输电线路中以点状布置，虽可代表一个小区域但并不能代表全线。

电（子）学传感器是有源器件，除了现场供电有一定困难外，外场条件下的高温、高湿、风雪和覆冰等恶劣工作环境往往会影响电子元器件的使用寿命，对数据通信与安装调试均有特殊的需求。还由于高压输电线路周边存在强电磁干扰，电（子）学传感器的适用范围受到一定限制，稳定性与可靠性保障等难以满足电力系统对实时状态监测的需求。

3、光纤传感器

如上所述，光纤传感器是传感器大类中的一个门类。

按GB/T18901.1/IEC 65757-1《光纤传感器》，光纤传感器（fibre opTIc sensor）的定义为：为了控制或测量，利用光纤的光学特性来获取或转换环境信息的传感器。它包括一个光传感元件或供能元件，也可以包括下列一个或多个部分（图1和图2）。

图1

图2

按光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器可分为非功能型光纤传感器（传光型）和功能型光纤传感器（传感型）两大类。前者中光纤仅作为信息传输介质，对外界信息的敏感功能由其它物理性质的功能元件完成；后者中光纤不仅是导光媒质也是敏感元件，通过外界物理量的变化对光纤内传输的光信号进行调制，使信号光的振幅、相位、频率、偏振态或波长等参量发生变化，通过对调制信号进行解调得到被测信号。

光纤传感器可包括本征光纤传感器、非本征光纤传感器、单点光纤传感器、多点光纤传感器、扩展型光纤传感器、分布式光纤传感器、光源、光传感/光供能元件、光纤引线、光接口和光接收机。

按主流技术，目前可主要分为光纤光栅型、干涉型和散射型。

光纤光栅型：在光纤中纤芯中刻写折射率周期变化的光栅，因周期不同故其反射的光波长也不同。当带有布拉格（Bragg）光栅（FBG）的光纤受到拉伸/压缩/温度等发生变化时，由于其周期发生的变化改变了反射光的波长。通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值。

干涉型光纤传感技术主要有：麦克尔逊(Michlson)光纤干涉仪、马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪、萨格奈克(sagnac)光纤干涉仪、法布里-珀罗 (Fabry-Perot)光纤干涉仪和裴索（Fizau）光纤干涉仪。干涉型光纤传感的测量分析系统的机理和技术己经基本成熟，其光学架构是经典的，主要区别是光/电子学处理和计算方法及一些细节。

反射型光纤传感技术主要包括：瑞利时域反射OTDR、拉曼频域反射OFDR、拉曼散射DTS、瑞利散射、相干光时域反射COTDR、布里渊散射时域反射BOTDR、布里渊散射频域反射BOTDA、偏振光时域反射POTDR和长程光干涉技术等。

按应用场合主要可分为点式传感和分布式传感两大类，将多个点传感串联起来可称为准分布式传感。

光纤传感OFS（OpTIcal Fiber Sensor）是20世纪70年代后期发展起来的传感技术，利用外界物理量引起的光纤中传播的光的特性参数（如强度、相位、波长、偏振、散射等）变化，对外界物理量进行测量和数据传输。具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、安全性高（无电火花，可在易燃、易爆环境下工作），传感器端无需供电、耐高温，以及便于组成传感器网络、易融合进物联网等优点，在极端环境下能完成传统传感器很难甚至不能完成的任务，扩展了传统传感器的功能，得到了广泛的研究和应用。目前世界上已有各类OFS数百种，伴随新的机理及特种光纤、专用器件和新技术不断问世，其性能指标不断提高，更多的应用不断出现，展示了广阔的应用前景。

OPGW/OPPC中的光纤，既用于信息传输也可用于传感，其潜在应用如图3。

图3  输电线路光纤分布式传感潜在应用示意图

二、当前可用的光纤分布式传感技术

1、光纤光栅传感技术及应用

光纤光栅又称光纤布拉格光栅FBG（Fiber Bragg GraTIng）技术，如用于测量温度/应变，则光纤通道中的FBG布设得越密，即测量点越多则信息越丰富，但对解调仪的扫描范围要求越宽，相应的造价就越高。

在输电线路中，通常最关心的是两个变电站出口处和特殊区域导线的温度/应变；在一个线档中，通常关心的是两个线夹和弧垂最低点的导线温度/应变。FBG监测点的采样数量和具体位置是无法满足这样要求的，FBG位置在实际安装工程中也不可能办得到与对应釆样点一致。也就是说，光纤光栅FBG只能是监测连续的固定采样点、是一种“准分布式”而不是真正的“分布式”测量。

写入FBG的光纤已成为传感光纤，在光缆生产时要求的光纤余长与常规通信光纤是不同的，在理论上与通信光纤混装在同一个光单元里是不合理的。

2、拉曼散射技术及应用

基于拉曼散射技术的分布式光纤温度监测系统DTS（Distributed Temperature Sensoring）可以进行实时、在线、连续分布式的测温，可实现沿光纤轴向分布的“温度—距离”的分布式测量。在DTS系统中，光纤上的任意一个点都是测温传感器，只取决于采样间隔，DTS方案在理论上没有测量盲区，就像OTDR一样，可以沿整条被测光纤给出连续的温度分布曲线。若按采样间隔0.5m，就已经可以覆盖OPGW/OPPC线路中所有感兴趣、需要分析的“点”或“区段”，可以覆盖所有的线夹和跳线连接处的温度。

DTS系统测温时只需要一根光纤，但大多采用大芯径的多模光纤，监测距离较短且不能直接监测应变。

3、布里渊散射技术及应用

基于布里渊散射的分布式光纤传感器直接采用常规通信单模光纤作为传感器，可实现沿光纤分布的温度、应变的实时测量。

布里渊光纤传感技术有光时域反射技术BOTDR（Brillouin opTIc time domain reflectometer）和光时域分析技术BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）两种实现方式。BOTDR为单端测量方式，探测的是微弱的自发布里渊散射光，难以实现长距离、高精度测量；BOTDA采用双端结构，探测的是较强的受激布里渊散射光。

4、三种技术在监测系统中的接线分式

三种技术在监测系统中的接线方式以图4示意。

图4  三种技术在监测系统中的接线方式示意图

三、基于布里渊传感（BOTDR/A）技术的分布式在线监测系统及应用

1、分布式光纤传感技术

光纤分布式传感DOS（Distributed Optical Sensing）技术如图5所示。DOS技术包括：

● 基于瑞利（Rayleigh）散射的OTDR和（Phase-sensitive optical time-domain reectometry）又称相位敏感光时域反射计；

● 基于布里渊（Brillouin）散射的BOTDR/A；

● 基于拉曼（Raman）散射的ROTDR（Raman Optical Time-Domain Reflectometry)，又称拉曼光时域反射计。

图5  光纤分布式传感技术示意图

2、BOTDR/A在线监测案例

用BOTDA系统对一条全长约为110km的OPGW进行了监测，图6给出其中的两根光纤（7芯和8芯）的应变量分布。

图6  100kmOPGW的BOTDA在线监测案例

从图6可见，离监测端出现了5个明显的应变异常区：

●  在7km（杆塔号P3）附近，光纤应变应为0.05%；

● 在18km（杆塔号P7）附近，光纤应变应为0.12%；

● 在37km（杆塔号P13和P14）附近，光纤应变应为0.186%；

● 在45km（杆塔号P16）附近，光纤应变应为0.10%；

● 在98km（杆塔号P30）附近，光纤应变应为125%。

图7是另两条OPGW中BOTDR/A频移量与OTDR的衰减分布曲线对比。

（a）

（b）

图7  布里渊频移与OTDR衰减分布对照

在图7中：（a）BOTDA显示该50km线路中的光纤没有明显的应变异常区，OTDR显示出衰减分布正常；（b）BOTDA显示该110km线路中光纤有4段明显的应变异常区域（其中区域1处应变较大），而OTDR仍显示出衰减分布正常。可见：

● 整条线路中各耐张段和的同一根光单元中的光纤力并不完全一致；

● BOTDR/A分辨出的光纤受应力情况可作为OPGW健康状态提供依据；

● OTDR往往在光纤附加损耗足够大或断纤时才有响应，并不能实时分辨光纤的应变和提供有效预警。

3、部分案例分析

根据相关资料，表1统计整理给出了用BOTDR/A对23条电压等级、年限、结构等均不同的OPGW进行的检测结果。

表1  BOTDR/A对部分OPGW的检测统计表

表1中包含了新建线路（2年）和投运年限超过10年、最长为20年的老线路，既有钢管光单元结构、也有铝管光单元结构。可见：

● 光纤应变与投运年限有一定的关联性；

● 光纤应变与OPGW结构有一定的关联性（尤其对铝管结构）。

根据国网信通和哈尔滨工业大学的报告，在对东北地区33条OPGW（均为500kV的钢管结构）用BOTDR/A进行检测后统计，有9条线路有通信故障明显应变，占比27%。其中：

● 通信故障光纤（中断或衰减增大）在接续盒杆塔位置占95.7%，在档距中位置占4.3%；

● 故障光纤处于非应力区占84.8%，在应力区的占15.2%；

● 应力异常段在接续杆塔（耐张塔、耐张金具、盘留架、接续盒）附近的占88.46%，在线路档距中的占11.54%；

● 局部区域应变占73.08%，点应变占26.92%。

（a）

（b）

（c）

图8  几种导致光纤应变的情况

光纤应变还与工程设计（如光缆结构、金具选型等）、施工（应力和弧垂控制等）及运维有关，将影响OPGW工作寿命。几种典型情况示于图8。

在图8中：（a）耐张悬垂金具两侧的不平衡张力较大；（b）预绞丝线夹已损坏；（c）耐张预绞丝与光缆外层同向。这几种情况都会导致光缆中光纤的局部区域或点区域的应力增大。

四、总结

光纤传感OFS是20世纪70年代后期发展起来的传感技术，OPGW/OPPC中的光纤，既用于信息传输，也可用于传感，其潜在应用包括应变、温度、弧垂、振动、舞动、覆冰等场景的在线分布式监测，用于评估输电线路的健康状态。

当前可用的技术和系统包括FBG、DTS、ROTDR、Φ-OTDR、BOTDR、BOTDA等，将光纤分布式传感技术应用于OPGW/OPPC在线监测是一种创新。

近年来，用BOTDR/A系统对部分电压等级、年限、结构等均不同的OPGW进行了检测，结果表明：光纤应变与光缆结构和投运年限有一定的关联性；应力异常段主要出现在接续杆塔附近，包括大跨越、大高差和大档距区段；整条线路中同一根光单元在不同各耐张段的应力表现并不完全一致。

检测结果还表明：可用OTDR判断的通信故障光纤（中断或衰减增大）主要出现在非应力区的接续盒杆塔位置，OTDR并不能分辨光纤的应变和提供预警。

光纤应变将影响OPGW工作寿命，还与工程设计（如光缆结构、金具选型等）、施工（两侧不平衡张力等）及运维有关。

审核编辑：汤梓红