基于雙端Mach-Zehnder的電纜舞動監測系統設計

摘要：針對傳統電纜舞動檢測器在面對電磁干擾和持續供電時靈敏度低、信噪比差、安裝復雜和需額外供電等問題，提出一種新型雙端Mach-Zehnder（M-Z）電纜擾動監測系統.該系統采用雙端光纖M-Z光路結構，可實現長距離、大尺度、多維度的在線監測和結構安全預警，從而實時定位舞動位置，該系統的檢波器力學單元采用硅膠彈性體和黃銅質量塊推挽式結構，經ANSYS軟件進行參數化建模和有限元分析后，得出其固有頻率為106.77Hz，與實驗所測數據的相對誤差僅為1.65%.實驗結果表明，該檢測器在0～140Hz內的相對靈敏度為41.25～66.78dB（rad/Pa），對舞動信號具有較高靈敏度的檢測能力.

關鍵詞：M-Z干涉儀；光纖傳感；推挽式結構；有限元分析

中圖分類號：TN247文獻標志碼：A文章編號：1671-5489（2024）05-1248-06

Design of Seismic Wave Detection SystemBased on Double-Ended Mach-Zehnder YI Wensuo'，KOU Hanpeng2，NIE Dayu2，

FENG Zhenhua2，CHEN Xuefeng2，WANG Pumo'

（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.Mengdong Power Grid Com pany，Hohhot 010020，China）

Abstract：Aiming at the problems of low sensitivity，poor signal-to-noise ratio，complexinstallation，and the need for additional power supply of the traditional power grid dance detector in the face of electromagnetic interference and continuous power supply，we proposed a new double-ended Mach-Zehnder（M-Z）fibre optic seismic detection system.The system adopted double-ended fibre optic M-Z optical path structure，which could achieve long-distance，large-scale，multi-dimensional on-line monitoring and structural safety warning to locate the position of the dance in real time.The geophone mechanical unit of this system adopted the push-pull structure of silicone elastomer and brass mass block，and after parametric modelling and finite element analysis by ANSYS software，its intrinsic frequency was determined to be 106.77 Hz，with the relative error of only 1.65%compared to the experimental data.The experimental results show that the relative sensitivity of the detector in the range of 0-140 Hz is 41.25-66.78 dB（rad/Pa），which confirms its ability to detect the high sensitivity of the dance signal.

Keywords：M-Zinterferometer;fiber optic sensing;push-pullstructure;finite element analysis

特高壓輸電線路電纜由于結冰或異常天氣導致電纜不規則舞動，這種舞動會對電塔安全和電纜結構強度產生危害，因此電纜舞動是電網相關領域中導致損害較嚴重的一個重大問題，近年來，我國的電纜舞動災害主要發生于秦嶺淮河以北的廣大北方地區.電網相關建筑和設施分布廣泛，所處自然環境復雜，在廣泛多樣的國土范圍內極易遭受多種復雜的災害破壞[2，電纜舞動是電纜結冰后因風向不同等原因導致冰層覆蓋不均勻，使電纜產生自激振動現象，且由于電纜與鐵塔有可能形成塔線耦聯體系，從而放大舞動效應，增大損傷程度，因此該舞動現象具有舞動頻率較低、但舞動幅度較大的特征[3].電纜舞動若未被及時檢測出并進行相關維護，會導致線路舞動進一步擴大，嚴重損害線路運行安全，使停電現象頻發

傳統電纜舞動檢波器多數采用力負反饋結構，雖然其檢波指數較突出且可記錄大量數據，但由于其采用的傳統反饋結構中含有大量電子元件，因此在使用過程中存在大量散粒噪聲和熱噪聲，導致系統信噪比較低、響應速度較慢、動態特性較差以及不能隨時斷電等問題，作為新一代無源型電纜舞動波檢波器，基于光纖干涉傳感技術的光波檢波器可將外界加速度信號轉化為光相位的變化進行解調[7]，該波形檢測器在結構設計、探測相關微弱信號、多種傳感器系統集成等方面具有顯著優勢，同時因其使用電子元件相對較少，從而避免了傳統舞動儀需面臨環境和噪聲干擾等問題，僅依靠光學元件使檢波器具有結構緊湊、復雜性低和操作簡單等優點，使其在電纜舞動監測領域具有廣泛的應用前景[8-9].常見的檢波器敏感結構主要分為平面型碟式與芯軸型圓柱式兩種結構[10].

基于Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀受光器件回波和光纖中后向散射光的影響較小，以及在低頻振動測量區域中芯軸型敏感結構比平面型結構具有更佳的工作特性[2，本文設計一種基于雙端M-Z干涉技術的光纖電纜舞動檢波器，敏感單元采用彈性體纏繞光纖線圈所形成的推挽式結構，通過理論分析和實驗測試，驗證光纖傳感技術的優勢以及新型雙端M-Z光纖電纜舞動檢波器良好的監測性能.

1基本原理

M-Z干涉儀原理如圖1所示.當M-Z干涉儀的傳感光纖受到電纜舞動信號擾動時，會導致光傳輸中心纖芯產生相位偏移，從而實現電纜舞動加速度信號對光纖中傳輸光的相位調制。

由圖1可見，M-Z干涉儀由兩個3dB耦合器C1和C2組成，并包括參考光纖和傳感光纖.其中間部分表示外界擾動導致的光纖應變變化，L表示光纖總長度，n表示光纖折射率，D表示光纖纖芯直徑，△L，△n，△D分別表示它們產生的應變變化量[13].

當其入射光振幅為E1，頻率為，初始相位差為時，理想狀態下光纖無振動作用時輸出為

在實際應用中，當光纖受外界振動影響時，產生的相位移動可近似表示為

其中△：表示光纖長度彈性形變導致的相位移動，△.表示光纖折射率變化產生的相位移動.彈性形變主要考慮方向長度變化導致的相位變化，彈光效應需分別考慮石英光纖的彈光張量和應變張量.兩項的相位變化分別為

將式（3）和式（4）代入式（2）即可得外界擾動導致的總相移量

當傳感光纖受外界振動影響時，會產生相位差△.此時，傳感光纖的輸出信號可表示為

M-Z干涉儀在外界無應變變化時的兩相干光初始相位差為π/2，由于干涉儀引入△φ的相位差將導致干涉光強變化，因此可通過分析干涉光強的變化得到結構體所產生加速度信號幅度的變化.

2檢波器結構理論及有限元分析2.1工作原理及理論說明

檢波器基本組成模型如圖2所示，其中質量塊所用材質為黃銅，質量為 m，其與纏有光纖的薄壁柱體相連，并通過向容積腔內澆注液體硅膠與鋁制外殼構成一個整體.感應舞動的原理如下：電纜舞動導致質量塊發生位移，使檢波器內彈性柱體發生形變，推動光纖產生信號傳輸.由于質量塊上下兩端光纖同時受力，發生形變產生信號傳遞，因此新型檢波器理論上可達到傳統推挽式檢波器2倍以上的探測靈敏度.由舞動產生的相關信號通過薄壁彈性柱體經上述過程轉化為由光纖形中2束相干光之間的相位差，再由干涉儀將其轉化為干涉光光強變化，并將干涉光光強變化作為觀測電纜舞動時模塊對舞動導致質量塊加速度變化的敏感程度的直接探測信號.

若模塊中質量塊（電纜舞動）的加速度為a，質量塊位移導致光纖形變為εf，則

其中k為結構體中質量塊位移與光纖形變的關系系數，由于質量塊兩端連接的光纖變化狀態相反，因此2束相干光的相位差變化為

其中n為敏感光纖的折射率，d為纏繞在硅膠彈性體上的光纖長度，λ為探測光光源波長.由式（7）和式（8）可得模塊的加速度靈敏度（rad/Pa）為

2.2結構體有限元分析

該結構體模塊采用的材料及其屬性列于表1.為實現相同質量下密度大且體積小的特點，質量塊選用高敏感材料；光纖選擇小包層直徑的單模光纖；彈性體采用薄壁圓筒.

傳感光纖和參考光纖分別纏繞在與質量塊和鋁制基座相連的彈性體上，先將光纖、質量塊和鋁制基座共同構成推挽式結構，再將它們封裝在鋁制外殼內.通過ANSYS軟件對結構體進行有限元集總參數分析.

當薄壁圓筒壁厚為 1 mm，薄壁圓筒外徑從 10mm增加至40mm，步長為2mm，采用不同材料的薄壁圓筒時，光纖應變靈敏度的變化如圖3所示.由圖 3 可見，當采用薄壁圓筒增敏時，光纖具有較高的應變靈敏度.

根據對聲振增敏單元的設計，薄壁圓筒外徑設為30mm，壁厚為1 mm，材料為聚碳酸酯（PC）， 其彈性模量Ecy=2.4Gpa，Poisson比μcy=0.37. 結合表1中的參數，可得薄壁圓筒增敏時單位長度光纖的應變靈敏度為Mpu=4.8×10-2rad/Pa.

在ANSYS有限元仿真軟件中對增敏模型進行網格劃分后選擇應變區域，將外界層設置為完美匹配層以分隔模擬的應變區域和無限應變范圍，添加振動源激勵為0.01kg/（m·s）進行仿真分析.振源對增敏模型的應變分布如圖4所示.由圖4可見，薄壁圓筒具有較均勻的應變分布，最高振動值為88.881dB，最低振動值為19.75dB.應變分布場呈階梯型分布，每層應變強度相同，整體上應變強度近似于線性衰減分布.

3實驗方案和數據分析

雙端M-Z光纖電纜舞動檢波器系統示意圖如圖5所示，基于M-Z干涉的電纜舞動監測系統由電纜舞動信號接收系統及線纜舞動信號處理系統組成.通過將裝有形變感知模塊的鋁制殼體與光纖一同埋入地下，用以實時監測電纜舞動信號.該光路系統內含保偏光纖和保偏耦合器，該光路結構可使監測系統提高干涉信號的穩定性并提高其靈敏度閾值.由圖5可見，泵浦源產生1550nm的脈沖激光，通過信號隔離器后經1×3光耦合器1進行光纖分路，一路進入探測器PIN2并作為信號參考光進行輸出，另外兩路依次進入環形器1和環形器2，經環形器交叉耦合處理后進入信號敏感模塊.進入環形器1的光經處理后只能按逆時針方向進入1×2耦合器1，然后分成2束光分別進入模塊內推挽式結構的上下2個光纖傳感線圈的外端.當電纜發生舞動時，會導致模塊內質量塊產生位移并導致薄壁彈性柱體形變，并通過光纖將形變量轉換成光學相位信號，由于2束光同時發生反向相位變化，因此形成一個差分信號.該信號再經后端1×2耦合器3后，按順時針方向進入探測器PIN3.同理，經環形器2的光也會按順時針方向產生差分信號，并以逆時針方向進入探測器PIN1，由上端PIN探測器進行探測.雙端M-Z光學結構的不對稱性使信號光在不同時刻到達探測器，由時延定位技術即可定位出電纜舞動波信號的位置信息，3個PIN探測器接收到的光信號經轉換變成模擬電信號后一同進入數據采集卡中，經現場可編程門陣列（FPGA）將模擬信號處理成數字信號后，經解調模塊發送給上位機顯示界面，同時對兩路差動信號接入示波器進行提取分析.由于該模塊的結構采用了推挽式，因此壓力和溫度等環境因素對其上下兩端光纖產生的作用幅度相同，但方向相反，從而該模塊能抵消這些因素導致的誤差干擾和噪聲，使系統能更穩定地對舞動信號進行監測，進一步提高了舞動監測系統的精確度.

為檢驗該系統的監測性能，采用小型電纜舞動模擬臺以模擬電纜舞動，將敏感模塊水平放置在模擬臺上，在其附近放置一個高精度加速度計記錄振動臺的加速度幅度.采用對數形式對檢波器輸出的相位幅度變化△，與振動臺產生的加速度幅度變化a進行記錄，結果如圖6所示，其中橫坐標為舞動頻率，縱坐標為相對靈敏度.由圖6可見，在一定振動頻率范圍內，檢波器的相對靈敏度近似趨近于一個單調遞增線性曲線，隨著電纜舞動頻率的增大而增高，當舞動頻率約為105Hz時，相對響應靈敏度到達其峰值66.78dB（rad/Pa），之后隨電纜舞動頻率的增大而近似線性曲線降低.因此檢波器的固有頻率為105Hz，與理論值106.77Hz僅有約1.65%的相對誤差.

為驗證該檢波器對不同頻率范圍振動信號的分析能力，在其他相關條件不變的條件下，對其進行不同頻率正弦波信號所帶來效果差異性的對比實驗，結果如圖7所示，由圖7可見，檢波器可清晰展現出不同頻率信號在不同時刻的響應幅度變化，因此該檢波器具有較好分辨不同頻率振動信號的能力.

綜上，本文設計并搭建了一套干涉型光纖電纜舞動監測系統，該系統利用M-Z干涉儀、時間差測量及光電轉換等原理和技術，并對該系統的信號敏感模塊進行了有限元分析及三維建模，通過有限元分析得到該敏感模塊的固有頻率與理論計算結果相符，且在實驗過程中發現振動頻率在0～140Hz時系統能保持較好的相對靈敏度。由實驗和理論結果可見，該系統的信號響應穩定，且在不同頻率下仍有較好的靈敏度.因此采用無源光纖檢波器進行電纜舞動監測具有廣泛的應用前景.

參考文獻

[1]趙作利.輸電線路導線舞動及其防治[J].高電壓技術，2004（2）：57-59.（ZHAOZL.Galloping of Conductor of Transmission Line and Precaution[J].High Voltage Engineering，2004（2）：57-59.）

[2]張立春，朱寬軍.輸電線路覆冰舞動災害規律研究[J].電網與清潔源，2012，28（9）：13-19.（ZHANGLC，ZHU K J.Research on the Law of Disasters Caused by Transmission Line Galloping[J].Power System and Clean Energy，2012，28（9）：13-19.）

[3]陳奕亮.架空輸電線路的舞動現象與對策分析[J].集成電路應用，2020，37（3）：60-61.（CHENYL.Analysisof Galloping Phenomenon and Countermeasures for Overhead Transmission Lines[J].Applications of IC，2020，37（3）：60-61.）

[4]王潔，范俊紅，趙增保，等.冀北輸電線舞動災害特征與氣象條件分析[J].干旱氣象，2019，37（6）：1021-1027.（WANG J，FAN J H，ZHAO Z B，etal.Galloping Characteristics of Transmission Line in Northern Hebei Province and Meteorological Elements Analysis[J].Journal of Arid Meteorology，2019，37（6）：1021-1027.）

[5]USHER M J，GURALP C，BURCH R F.The Design of Miniature Wideband Seismometers[J].Geophysical Journal International，1978，55（3）：605-613.

[6] USHER M J，BURCH R F.GURALP C.Wide-Band Feedback Seis mometers[J].Physics of the Earth and Planetar Interiors，1979，18（2）：38-50.

[7] KAMENEV O T.KULCHIN Y N，PETROV Y S，etal.Fiber-Optic Seismometer on the Basis of Mach-Zehnder Interferometer[J].Sensors and Actuators A：Physical，2016，244：133-137.

[8]王巍，丁冬發，夏君磊.干涉型光纖傳感用光電子器件技術[M].北京：科學出版社，2012：55-67.（WANGW，DING D F，XIA J L.Interfering Optical Fiber Sensing with Optoelectronic Device Technology[M].Beijing：Science Press，2012：55-67.）

[9]AL-HAYALI S K，SALMAN A M，AL-JANABI A H.High Sensitivity Balloon-Like Interferometric Optical Fiber Humidity Sensor Based on Tuning Gold Nanoparticles Coating Thickness[J].Measurement，2021，170：108703-1-108703-10.

[10]周銳.光纖地震波檢測技術發展狀況及展望[J].科學技術創新，2020（3）：15-16.（ZHOUR.DevelopmentStatus and Outlook of Fiber Optic Seismic Wave Detection Technology[J].Science and Technology Innovation，2020（3）：15-16.）

[11]GERGES A S，NEWSON T P.JONES J D C.et al.High-Sensitivity Fiber Optic Accelerometer[J].Applied Optics，1990（4）：27-28.

[12]衛揚道.基于FPGA的雙M-Z分布式光纖傳感技術研究[D].長春：長春理工大學，2017.（WEIYD.Researchon Dual M-Z Distributed Fiber Optic Sensing Technology Based on FPGA[D].Changchun：Changchun University of Science and Technology，2017.）

[13]劉宗麟，宋繼紅，劉會杰，等.基于光纖干涉原理的轉機監測振動傳感器設計[J].，2021，59（5）：1272-1277.（LIU Z L，SONG J H，LIU H J，etal.Design of Vibration Sensor for Rotor Monitoring Based on Fiber Optic Interference Principle[J].Journal of Jilin University（Science Edition），2021，59（5）：1272-1277.）

（責任編輯：王健）