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摘要：针对光纤应变传感器在电力领域中应用存在定位精度和误报警率较高的问题，本文基于干涉型光纤传感器的基本原理，比较分析了Sagnac光纤传感器、Michelson光纤传感器、Fabry-Perot光纤传感器和Mach-Zehnder光纤传感器等四种典型传感器理论模型、特点及应用现状，重点介绍了干涉型光纤应变传感器的国内外产品开发现状，并研究了干涉型光纤温度传感器在电力电缆监测、变压器绕组温度监测、高压开关柜温度监测等方面应用所具有的特点及不足。针对这几种典型的干涉型光纤传感器在电力领域中应用遇到的困难与不足，从光源控制、信号特征分析、处理器的多连接、信号处理算法、数据模型的建立等方面提出一些解决方法和措施。最后探讨了干涉型光纤传感器未来在电力领域中一些场景的应用前景。 关键词：干涉型光纤，光纤传感，传感器特点，电力系统，应用 引言 电力系统网络结构复杂、分布面广，在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患，因此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得尤为重要。如何实时监测这些故障隐患，直接关系到电力系统的生产安全与运行稳定。由于光纤具有抗辐射、耐高压、大的通信带宽、传输损耗低等独特的优势[1]，所以光纤在电力系统通信传输方面进行了广泛的应用，并且电力系统铺设了大量的光纤资源。从而为光纤传感器在电力系统中应用奠定了一定的基础。 1 干涉型光纤传感器的原理 干涉型光纤传感器的基本原理是基于Michelson干涉原理即两束单色光相干叠加时产生明暗相间的干涉条纹[2-3]。因此，若其中一束光的相位发生改变，则干涉条纹随之移动。干涉型光纤传感器是光相位调制型传感器，通过解调实现相位与光强的转换。 根据传感器的结构不同，干涉型光纤传感器主要有四大类型[4-5]分别是：Sagnac光纤传感器、Michelson光纤传感器、Fabry-Perot光纤传感器、Mach-Zehnder光纤传感器等。 2 干涉型光纤传感器的特点及应用现状 从这四种干涉型光纤传感器的基本原理及其结构，可反应这四种干涉型光纤传感器的不同特点。 2.1 Sagnac光纤传感器特点及应用 由于环形结构，两条光路具有互易性、温度稳定性好、零光程差[6]。对光源要求低，可使用高功率宽带光源。适合长距离管线检测，也可以设计成光纤围栏报警系统。可采用开环、闭环、正交信号等检测方法解调，探测精度高。比较成熟的Sagnac光纤传感器产品有光纤陀螺仪、光纤水听器等产品已经商业应用于角速度和超声波测量中。光纤 Sagnac 环还可以做成光纤滤波器，具有性能稳定、结构简单、便于调节通道间隔等优点。Sagnac光纤声传感器是建立在Sagnac效应原理基础上的相位调制功能型光纤声传感器，现已广泛应用于医疗、航空、军事及能源等方面，具有广阔的发展前景。 2.2 Michelson光纤传感器特点及应用 光路结构简单，采用双臂结构，两条光臂之间长度差异容易引入噪声。Michelson光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、使用安全，灵敏度高，重量轻、体积小、可挠曲，测量对象广泛，传输损耗小，传输容量大，成本低等优点。因此Michelson光纤传感可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器，适用于温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等测量，可采用正交信号解调，可实现远距离遥控监测。目前已广泛应用于工业、医疗等领域。 2.3 Fabry-Perot光纤传感器特点及应用 Fabry-Perot光纤传感器是由光学Fabry-Perot传感器发展而来，是把光纤端面镀成高反射膜。光纤Fabry-Perot腔分为内、外两种。内腔式由一段光纤构成，光纤的两端面镀有较高的反射膜组成反射平行平板，是利用化学腐蚀或者是飞秒激光微加工等方式，在光纤内部形成一个规则的空气腔体。外腔式是由光纤的端面、被测面或者另一光纤的端面和中间的空气段构成。它们的工作原理与一般的一腔相似。这样的结构简单，成本低，对光谱仪分辨率和调整精度要求低，但是抗干扰能力差，测量精度不高，補偿误差的电路复杂。在各种大型结构如油井、桥梁、土木建筑、高速公路、电力等领域都有较好的应用前景。 2.4 Mach-Zehnder光纤传感器特点及应用 与Michelson光纤传感器类似的双臂结构，容易因双臂长度误差引起噪声，但结构简单，比较容易控制。灵敏度高、动态范围大，但抗外界干扰弱，适于测量压力、温度、加速度计、水听器等，也可以普遍应用于光纤通信中，利用Mach-Zehnder干涉技术，可以实现光纤围栏安防系统的低成本、易安装、易维护。广泛应用电力、海洋、工业、医疗等领域。 3 干涉型光纤传感器在电力领域中应用存在的问题与不足 3.1 光纤应变传感器在电力领域应用 国内外已有公司推出实用化产品，以色列某公司还开发出来一款采用Michelson光纤干涉技术的振动传感光缆探测系统，将光纤传感器安装到围栏上进行入侵监测。该套系统通过处理器能够进行入侵模式识别，能够区分人为剪断围栏、人为攀爬围栏、人为抬起围栏等入侵事件。该系统后端的处理器带有若干个节点输出，每个节点可以保护一段小距离周界，属于典型防区型监测系统，对于电力系统的大型变电站、发电厂这样长距离的周界，则需要利用无数个处理器进行组网，才可以构成大型监测系统，但系统集成复杂，且处理器不像光纤传感器一样能抗高压、耐高温和抗电磁辐射，不利于大型变电站、发电厂这样长距离周界的安全监测。 在国内，也有相当数量的研究机构进入光纤传感器入侵定位研究领域。文献[7]基于Sagnac环原理实现了一种光纤围栏防入侵系统，可以对扰动事件进行报警。而文献[8]研究出了相敏光时域反射仪（OTDR）传感系统，在80公里的长度上实现了50米的定位精度。OTDR光纤分布式入侵监测系统最长监测距离。总体来说，国内在应变定位方面的研究几乎没有成熟产品问世，大多还处于应用测试阶段，实际现场应用经验不足，故障数据库不充分。 3.2 光纤温度传感器在电力领域应用 电力系统中大量设备需要检测温度信息，从而确定电力设备的运行情况，以便运行调度人员及时采取措施，消除异常，避免设备的损坏和事故的发生。早期通过示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪等获取电力设备温度信息。但是示温蜡片与红外测温仪需要人工巡查，不能满足现代数字化电力系统的要求。数字温度传感器大多基于大量传送，受电磁场影响较大，只能测量关键点，有一定的局限性。光纤温度传感器则克服了以上缺点与不足，在电力电缆监测、变压器绕组温度监测、高压开关柜温度监测等方面具有一定优势，光纤温度传感器可以检测电缆表皮温度后，结合实时电流计算出电缆线芯温度，可进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态;光纤温度传感器监测变压器绕组温度监测并通过变压器绕组温度来分析变压器内部故障;光纤温度传感器通过高压开关柜的温度监测来提前预警开关柜触点和母线连接处的老化、松动和接触电阻过大而引起局部发热的问题。光纤温度传感器在这些方面的温度监测对保证安全可靠供电具有重要的意义。 光纤温度传感器代替传统的温度传感器实现电厂某些关键设备的温度检测是当前的研究热点问题。 光纤温度传感器在电力系统中的一些应用还需要完善，为了更好地利用温度信息需要开发温度与设备运行状态等的关系模型，比如在电缆监测上有动态载流量模型、缆芯温度计算模型等。光纤温度传感器价格偏高在成本上的制约了其在电力系统中的大规模推广应用。光纤在某些电气设备上的敷设较为困难，敷设方式和敷设工艺等方面还需要形成标准规范。基于光纤温度传感器的电力系统诊断方面软件的理论支持与经验还比较缺乏，难以将系统功能扩展化和标准化。 4干涉型光纤传感器在电力系统中应用问题的解决措施 4.1 光纤传感器都需要激光器作为光源，在实际工程应用中，对光源和控制系统的要求很高。为了保证光源的稳定性，需要对光发射部分实现自动温度控制ATC和自动功率控制APC，使激光器输出稳定。 4.2 对被测信号做时域、频域 、互相关、自相关特性差异分析，采用合理的信号处理算法，提取有效信号。 4.3 底层处理器的多连接问题，需要采用多线程结构，相对于计算机执行的其他操作而言，设备IO（文件、管道、套接字等）是比较慢的。于是在多线程结构中就考虑到采用异步的方式进行设备读写操作，即告诉系统对设备的读写数据，而同时应用程序的其他代码继续执行，直到获取设备操作完毕的系统通知。重叠模型在本质上也是一种异步IO模型。在进行异步IO时，先向系统发出IO请求，操作系统队列化各种IO请求，并在内部完成操作，当系统在处理IO请求时，线程可以返回继续执行，当操作系统处理完IO请求之后，通知数据操作（发送、接收、出错）完毕。这样能有效解决分布式快速读取信号的问题。 4.4 采用DSP技术，通过数理统计方法来界定干扰信号和有用信号信号的差异，从而达到区分实际有效信号与干扰信号的目的。 4.5 长期积累大量的采集数据，通过大数据分析方法，确定有效信号模型，通过智能决策系统从而实现智能化监控。 相比于传统电学传感器，干涉型光纤传感器具有精度高、损耗低、小型化、绝缘、抗电磁干扰、本质安全等一系列优点，能实现 100 多种参数的测量。如果解决了应用问题，干涉型光纤传感器在电力系统的输电配电线路监测、绝缘性监测、变电站发电厂周界安防、变压器监测、发电机监测等许多方面将有非常广阔的应用前景。 参考文献： [1]GAOSHENG FANG，TUANWEI XU，FANG LI，et al. Heterodyne interrogation system for TDM interferometric fiber optic sensors array[J]. Optics communications，2015，341（2）：74-78. [2]付兴虎，谢海洋，王柳柳，等. 单模与多模光纤级联型压力传感器[J]. 光子学报，2015，44（4）：136-140. [3]Volkov A V ，Plotnikov M Y ，Mekhrengin M V， et al. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors[J]. IEEE sensors journal，2017，17（13）： 4143 - 4150. [4]覃楊，杨陈，詹乐贵，等. 基于光纤干涉的电缆通道振动辨识与预警系统[J]. 电力大数据，2019，22（7）：62-68. [5]XINLEI ZHOU，QINGXU YU. Wide-range displacement sensor based on fiber-optic fabry–perot interferometer for subnanometer measurement[J]. IEEE sensors journal，2011，11（7）：1602-1606. [6]LILI MAO，QIZHEN SUN，PING LU，et al. Fiber up-taper assisted Mach-Zehnder interferometer for high sensitive temperature sensing[J]. Frontiers of optoelectronics，2015，8（4）：431-438. [7]李诗宇，田剑锋，杨晨，等. 探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响[J]. 物理学报，2018，67（23）：70-77. [8]卞继城，郎婷婷，俞文杰，等. 基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究[J]. 光电子·激光，2015，26（11）：2169-2174.
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