光纖光柵濕度傳感器在防蟻接頭盒中的應用

伍世良，楊永峰，許 屹，余 永，鐘 友，陳一平，張啟勝，徐常志

（1.深圳市特發信息股份有限公司，東莞 523400；2.國網衢州供電公司信通分公司，衢州 324000）

0 引言

隨著我國科學技術的進步，發電變電、航空航天、國防科技、網絡通信等行業對濕度監控的要求愈加嚴格，在現有電力光纜接頭盒存在著密封不良的情況，導致雨水或潮氣進入電力光纜接頭盒內部，而光纖一旦遇水或者潮氣會產生氫損，導致光纖損害增大。更有甚者，光纖如果長期浸水，其表面會受到損傷從而產生裂紋，使得光纖斷裂或者光纖損耗進一步增大，嚴重威脅光纜線路的運行安全。濕度傳感器主要包括電學量濕度傳感器和非電學量無源傳感器，現開發一種光纖光柵濕度傳感器應用在防蟻接頭盒中，利用光纖光柵溫濕度監測原理測量防蟻接頭盒盒內的空氣濕度。

1 光纖光柵濕度傳感器原理

防蟻接頭盒中的光柵濕度傳感器使用的是一種對濕度變化敏感功能性材料。常用的濕敏性材料有電解質系、有機物系、高分子聚合材料、金屬及金屬氧化物系的濕敏材料，這些濕度變化敏感功能性材料在與空氣中的水分子發生物理或化學反應后，會導致材料中的特征量如材料的體積、電阻率系數、彈性模量系數、介電常數等隨濕度環境的變化而發生變化，此時光纖光柵濕度傳感器就可以通過監測濕敏性材料的這些特征量來監測濕度變化。光柵濕度傳感器如圖1所示：

圖1 接頭盒內部光柵濕度傳感器

光纖光柵濕度傳感器通過監測濕敏性材料的這些特征量來監測濕度變化，而測量這些特征量通過測量光纖波長的變化來獲得相應數值，通過對溫度、濕度敏感的光纖布拉格光柵FBG1與僅對溫度敏感的FBG2串聯構成而成的數學計算模型。監測出溫度和濕度的變化使FBG的布拉格反射波長發生變化，對濕度測量的溫度交叉敏感進行補償，由此就可計算出變化量和應的溫度和濕度變化值。

式中，光纖的效彈光系數為 ；熱光系數為 ；濕敏薄膜系數及光纖的線膨脹系數為 ；FBG1的溫度系數為 ；相對濕度靈敏度系數為 ，通過理論公式模型計算可以得出：

即可獲得相對濕度變化值 和溫度變化值 。

2 光纖濕度傳感器的系統組成

光纖光柵濕度監測系統主要由以下部分組成：

（1）光纖光柵濕度傳感器。將傳感器安裝到所需要監測的電力光纜接頭盒內部，采集濕度信息，通過熔接方式將傳感器信號線接入到電力光纜中的光纖。各濕度傳感器可進行串接，即1根光纖可接入多個濕度傳感器。

（2）電力光纜。功能：傳輸濕度傳感器信號。

（3）濕度監測光纖光柵傳感分析儀。功能：采集光信號，并將其轉換為濕度信號。

（4）工控主機。功能：對光纖光柵傳感分析儀采集的濕度信號進行實施處理。

（5）軟件。功能：顯示實時濕度曲線、報警信息、歷史數據、分析報表等。

整個系統結構如圖2所示：

圖2 系統結構圖

3 光纖光柵濕度傳感器的系統特點

（1）溫度測量范圍廣：涵蓋15%Rh～95%Rh的范圍。

（2）溫度測量精度高：可達±5%Rh。

（3）測量時間短：＞0.1s。

（4）超長距離：最高可達100km，測量時間和測量精度并不受監測的長度限制。

（5）長期穩定：光纖只用于傳輸信號，傳感信號采用波長調制，外界的變化因素如施工帶來的光纖曲折等并不會影響測量精度。

（6）抗干擾能力強：光纖光柵溫度傳感器不是敏感元件，自身無緣，本質安全，光纖只用于傳輸信號，不會受到現場的施工安裝影響。

（7）系統安裝簡單：對安裝布設沒有嚴格要求，出廠后無需重新定標（微校正）。

（8）系統壽命：＞25年。

4 防蟻接續盒的連接方式

光纖接頭盒底座上安裝固定光纖接頭盒下蓋，光纖接頭盒下蓋上放置固定支架，固定支架上安裝固定光單元接續盒，光柵濕度傳感器夾子夾住固定光柵濕度傳感器，光纜通過接頭盒底部進入，接頭盒上蓋與接頭盒下蓋通過密封墊密封，防蟻膠注入孔內，與密封墊結合徹底防蟻防潮。整個接續盒外型整潔美觀、體積小、施工占用空間小、接續方便、防蟻效果防濕度效果好、安裝方便快捷，符合光纖接續施工要求。結構如圖3所示：

圖3 防蟻光纖接續盒結構圖

5 光纖光柵濕度傳感器在防蟻接頭盒的應用意義

由于光纖光柵濕度傳感器是無源器件不受電磁干擾滿足防蟻接頭盒所處的復雜電磁環境，在惡劣的環境中仍可以正常工作。光纖光柵濕度傳感器的這些優良特性在智能電網線路的監測上起到了舉足輕重的作用。光纖光柵濕度傳感器再防蟻接頭盒上應用可實現全天候24小時監測到光纜接頭盒內的溫濕度。運維人員在通訊機房就可實時查看到各接頭盒的溫濕度情況及歷史記錄并能及時進行風險處置，可大大提升光纜運維工作效率和降低故障率。

6 結束語

接頭盒的作用在于保護光纜接線盒及其內部的光纜，免受外界環境的影響，保持穩定可靠的運作狀態。濕度是生產生活中重要的環境物理參數，直接影響工程材料的特性功能及重要物資的安全保障，本光纖光柵濕度傳感器應用在接頭盒上，可有效防止濕度對接頭盒內部光纜器件的影響，保證運行狀態的穩定。