新型传感器原理与应用

11引言电力系统是发电、输电、变电、配电、用电、用户的结合体。电力系统的正常高效运行是几个环节协调的结果，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，因此需要对这些环节的运行状况进行监测，及时排除影响系统运行的因素。近年来，随着传感技术的不断发展，在电力系统、电子电气、工业自动化、计算机等领域中广泛应用，已形成一套成熟的理论和技术，如应变式传感器、电感式传感器、压电式传感器等，光纤凭借其损耗低、带宽资源丰富、耐高压、抗电磁干扰等优点，已在有线通信特别是主干通信网中占有绝对优势。目前，采用分布式光纤传感器进行温度与应变的测量在国外已经得到广泛应用，在国内采用分布式光纤传感器对高压电力线在线测温、建筑、堤坝、桥梁进行应变测量等也受到了广泛的关注。此外，随着新材料、新技术等的出现，又发展出一系列性能良好的传感器，如CCD传感器、无线传感器、超声波传感器、生物传感器等，每类传感器都有各自的特性，能够适用于不同的应用场景，对其传感特性进行分析，找出适合于电力行业的应用前景。2传感器技术传感器产业作为国内外公认的具有发展前途的高技术产业，以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、应用前景广等特点为世人瞩目。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器的作用主要是获取信息，是信息技术的源头。传统传感器包括力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器等，近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，不仅促进了传统产业的改造，而且可建立新型工业，是21世纪新的经济增长点。新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。传感器的种类很多，分类标准也很多，根据发明和使用传感器的先后把传感器大致分为传统传感器和新型传感器两大类。2.1传统传感器技术传感器具有结构紧凑、体积小、线性度好、灵敏度高等优点，在电子电气、工业自动化、计算机等领域中广泛应用，已形成一套相对成熟的理论和技术。传统传感器包括：电2阻应变式、电容式、电感式、磁电式、压电式、热电式6种传感器。下面针对几种典型的传统传感器作简单介绍。(1)电阻应变式传感器基于应变效应，导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形，其电阻值会相应地发生变化。此种传感器对于应变片的选择要求比较严格。因为不同用途的应变片，对其工作特性的要求往往不同，所以选择电阻应变片时，应该根据测量环境、试件状况、应变性质等具体使用要求，有针对性地选用具有相应功能和性能的应变片。(2)电容式传感器以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路转换为电压、电流或频率，达到检测的目的。电容式传感器不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液面、料面、成分含量等热工量。这种传感器结构简单，灵敏度高，动态特性好。(3)电感式传感器其种类很多，一般分为自感式和互感式两大类，利用线圈自感或互感系数的变化实现非电量测量的装置，具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、抗干扰能力强等优点。(4)磁电式传感器磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器，是对磁场参量敏感的元器件或装置，具有把物理量转换为电信号的功能。典型的霍尔传感器就属于此类传感器。(5)压电式传感器利用某些电介质材料，具有压电效应现象。有些电介质材料在一定方向上受到外力作用时，在其表面产生电荷实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点。(6)热电式传感器热电式传感器是一种能够将温度变化为电信号的装置，广泛应用于工农业生产、家用电器、医疗仪器、火灾报警等诸多领域。2.2新型传感技术在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越大，不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便于和系统挂接。显然，传统传感器因其功能差、体积大，已很难再满足要求而将被逐3渐淘汰，向微型化、智能化、集成化方向发展已成为传感器技术发展必然趋势。近年来，光纤凭借其损耗低、带宽资源丰富、耐高压、抗电磁干扰等优点，已在电力通信网中占主导地位。目前，采用分布式光纤传感器进行温度与应变的测量在国外已经得到广泛应用，在国内采用分布式光纤传感器对高压电力线在线测温、对建筑、堤坝、桥梁进行应变测量等也受到了广泛的关注。首先简单分析几种典型的光纤传感器原理。(1)分布式光纤温度传感器利用部分物质吸收的光谱随温度变化的原理，分析光纤传输的光谱，了解实时温度，主要基于拉曼散射效应及光时域反射计技术实现连续分布式测量。目前其测量距离最长可达30km，测量精度最高可达0.5℃，空间定位精度最高可达0.25m，温度分辨率最高可达到0.01℃左右。(2)光纤位移传感器分为元件型和反射型两种，元件型位移传感器通过压力或应变等形式作用在光纤上，引起相位、振幅、偏振态等变化，在这里光纤是作为敏感元件使用的；反射式是入射光纤的光射向被测物体，被测物体反射的光一部分被接收光纤接收，反射光的强度与被测物体的距离有关，只要测得反射光的强度，便可知物体位移的变化。(3)光纤电流传感器基本原理是利用光纤材料的Faraday效应，处于磁场中的光纤会使在光纤中出传播的偏振光发生偏振面的旋转，优点是：动态围宽、灵敏度高、抗电磁干扰强、耐腐蚀、电绝缘性好、光路有可绕性、结构简单、体积小、重量轻、耗电小等，特别适用于对高电压大电流的测量。(4)光纤光栅传感器从周期看，把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期。随着技术的发展，近期又衍生出很多各种类型的新型传感器，这些新型的传感器在化工、医药、食品等相关领域已经广泛应用，在电力行业还没有广泛应用，本文针对这些传感器的优良特性，分析其应用于电力领域的潜力。(1)超声波传感器以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。(2)生物传感器4生物传感器基本原理是待测物质与分子识别原件特异性结合，发生生物化学反应，产生的生物学信息通过信号转换器转化为可以定量转化的电、光等信号，再经仪表放大和输出，从而达到分析检测的目的。(3)CCD传感器使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像修改图像。(4)无线传感器将传感器通过无线自组织方式连接起来的网络，其最大的特点是网络不依赖于预设的基础设施而临时组建，可以在任何时刻、任何地点构成网络，以实现移动节点的信息交互。3传感器气在电力行业的应用在传感器技术发展之初，互感器广泛地应用于电力系统，是电力系统重要的电气设备，主要用于电量采集和电气隔离，后来发现它有很多不足，如设备体积大、精度波动大、运维成本高等，随着传感器技术的出现，完全改变了当时的现状，让其完全替代了传统的互感器。就我国电力行业来说，使用传感器的场合还是很多的。电厂、电站主要使用电阻应变式传感器（压力传感器）、热电式传感器（温度传感器）、流量传感器等，如发电机内过热监测与诊断、定子绕组端部振动监测等；输变电领域主要使用电压传感器、电流传感器，如输电线路泄露电流的检测；变电站系统主要使用磁电式传感器(霍尔电流传感器)、温度传感器、电压传感器、液位传感器等，如变压器油量测量、铁心温度测量、合分闸线圈电流监测等。随着电力行业自动化程度的提高，将有更多的传感器应用于电力行业，其技术标准也将提高，因此拥有较多增长空间的电力行业会成为一方沃土，有待国内外传感器企业进行角逐。针对电力系统的几大主要环节，具体描述每个环节中已经用到的光纤传感器应用原理及场景分析。(1)发电环节发电机的正常运行离不开监测和诊断，监测利用各种传感器在电机运行时对电机的状态提取相关数据。故障诊断使用计算机及其相应智能软件，根据传感器提供的信息，对故障进行分类、定位，确定故障的严重程度并提出处理意见。如在风力发电中，风力发电机组的风机叶片是风力发电的关键所在，可以使用体积小、重量轻的光纤应力传感器实时监5控风机叶片的应力变化；又如在发电室里，发电机组的锅炉和燃烧室的温度分布情况，对于提高燃烧效率和安全是至关重要的。光纤温度传感器可以安装在燃烧室的内部，特种光纤的测温范围可以高达1000℃以上。通常用于发电机上监测的光纤传感器还包括传递温度、转速、振动、力矩、电磁、磨损和碎片等。(2)输电环节输电线路监测的需求有环境温度、湿度、风速、风向、盐密度、泄漏电流、覆冰、雷电流、周围施工情况、杆塔倾斜等参数，提供线路异常状况的预警。具体包括等值覆冰厚度及舞动在线监测、架空输电线路气象环境在线监测、输电线路图像/视频监控、输电线路导线舞动在线监测、输电线路风偏在线监测、架空输电线路微风振动在线监测、导线弧垂在线监测、绝缘子污秽在线监测、输电线路温度在线监测、雷击及闪络在线监测等多个部分需求。如光纤分布式传感器集传感与信息传输于一体，并不需要在光纤上作特殊处理，普通的通信光纤就可以胜任。通信光纤加上光源和光探测器，便可实现远距离实时测量与监控，特别适合于需要同时检测大量位置点或沿着光纤通过的路径连续变化的物理量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力和应变（裂缝）的监测，石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器等场合应力和温度分布状况的实时监测等；又如光纤光栅传感器可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量；分布式温度光纤传感器可以构建长距离电缆温度监视系统，敷设这种传感器，不仅可以优化电缆的功率分配，而且可以构建火灾预警系统；光纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合，还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置；除此之外，光纤角速度传感器在电力机器人的导航领域得到应用，且在高压输电线路在线监测系统中，安装在绝缘子或是线夹上，用以测量绝缘子串的倾斜角和风偏角度或导线的倾斜角度。管道应变、弯曲监测、液体或气体泄露等领域都有光纤传感器的用武之地。(3)变电环节变电站占地面积大，噪声污染、电磁污染等因素多，常常分布在偏僻地区，今后变电站朝着无人值守的数字化变电站发展。变电站的监控网络分为常规的电网运行调度系统和保障变电站运行的其他系统。变压器的在线监测项目主要有：油中气体测量与分析、局部放电测量、有载开关的触头磨损及机械和电气回路的完整性测量等。高压断路器在电网中起控制和保护作用，对高压断路器的重要参数进行长期连续的在线监测，不仅可以提供设备现在的运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势。光纤温度传感器在此环节应6用较多，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，具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境等优点。在国内外，主要有以下几个应用领域：电厂温度监控，电缆隧道火灾光纤温度监控，高压电力电缆负荷安全监测，变压器绕组温度监测，高压开关柜温度监测；光纤气体传感器能在潮湿、粉尘较多的环境下使用，可以监测的气体种类多，诸如瓦斯、煤气、二氧化碳、硫化氢、氨气、氮气、氯气和六氟化硫气体等。在变压器监测中使用功能为绕组局部放电中特定气体的释放；又如光纤微振动传感器在大型变压器振动监测中得到应用等。(4)用电环节荧光光纤温度传感器有着良好的电磁不敏感性，传感器尺寸小，还具有遥感能力，能很好地适应高压和大电流的检测；高压开关的在线监测、高压变压器绕组、发电机