一种具有应力和弯矩监测的智能电杆的制作方法

本发明涉及智能电杆的技术领域，尤其涉及智能电杆的应力监测技术领域，具体涉及一种具有应力和弯矩监测的智能电杆。在电杆内部，利用分布式光纤传感技术、信号处理技术实现对一根输电线路电杆可能出现的断裂点位置定位或弯距进行检测。

背景技术：

现代社会中，良好运行的电力系统是人类正常生活和生产的前提，输电杆塔是电力系统中最重要的设备之一，因此对输电杆塔断裂或者弯曲等意外事故的检测具有重要的现实意义。

然而，在实际应用中，输电杆塔所处的地理环境复杂多变，仅靠人为巡查的方式，时间成本太高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有应力和弯矩监测的智能电杆，具有不需要花费人力去巡查输电杆塔是否断裂或弯曲，能够自动监测的优点。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种具有应力和弯矩监测的智能电杆，包括：输电杆塔，传感光纤；

所述传感光纤，用于对输电杆塔进行分布式检测，从所述输电杆塔的上部进入，采用包括圆柱螺旋线铺设、垂直铺设在内的铺设方式固定于空心的所述输电杆塔的内壁上或生产所述输电杆塔时置入所述输电杆塔的外壳中；所述传感光纤从所述输电杆塔下方引出后接入带端面反射镜的光纤保护装置或继续反向向上铺设后从所述输电杆塔的上部输出端输出；

当进行分布式应力监测时，向所述传感光纤中发射激光，所述激光产生的探测光脉冲与所述传感光纤纤芯介质中的声学因子相互作用，在所述传感光纤生成的背向散射光信号中产生布里渊频移，所述背向散射光信号返回到所述传感光纤的输出端；外部的本振光信号与所述背向散射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的数字信号输出；

使用微波扫频的方法，在宽频范围内逐点提取布里渊信号，外部的射频本振光与所述光电探测器输出的布里渊信号在混频器中进行混频，输入信号再经过低通滤波器滤波，最后通过数据采集与处理板卡提取出布里渊谱，得到温度和应力的变化曲线。

进一步地，具有应力和弯矩监测的智能电杆，还包括：布拉格光栅；

所述布拉格光栅，铺设于所述输电杆塔接近地面的位置，用于对所述输电杆塔进行应力集中式监测；

当所述输电杆塔发生弯曲时，所述布拉格光栅受到包括拉力和挤压在内的力的作用，所述布拉格光栅的周期延长或缩短，从而所述布拉格光栅反射的波长信号变长或变短；

监测所述布拉格光栅发射的波长的变化量，从而监测到所述输电电杆所受到的弯曲。

进一步地，建立分布式应力分布监测的数学模型，具体为：

布里渊散射效应是一种非弹性散射作用过程，入射到所述传感光纤中的探测光脉冲与光纤纤芯介质中的声学声子相互作用，从而使背向散射回的光信号产生固有的频率移动，也就是布里渊频移，布里渊频移与光纤材料的关系可以表示为下式：

vb＝2nva/λ(1)

其中，n为纤芯折射率；va为光纤介质中的声子移动速度；λ为入射光波长；

当光纤材料在空间不同位置均匀时，布里渊频移量与光纤所受的温度和应变存在严格的线性关系，如下式所示：

vb(ε)＝vb(ε0)[1+cεε](2)

vb(t)＝vb(t0)[1+ct(t-t0)](3)

其中，vb(ε)为应变引起的布里渊频移；vb(ε0)为初始状态应变引起的布里渊频移；cε为应变系数；ε为应变量；vb(t)为温度引起的布里渊频移；vb(t0)为初始状态温度引起的布里渊频移；ct为温度系数；t0为初始温度；t为改变后的温度；

布里渊谱的形状为洛伦兹线型函数分布，实际测量中逐点扫描300mhz以上的频率范围就可以提取出完整的布里渊谱，通过扫频的方式得到布里渊谱上的离散点，再通过数据插值的方式恢复出布里渊谱的完整形态并确定其对称中心频率，通过比较温度和应力改变前后，布里渊谱对称中心频率的变化量就可以根据式(2)，(3)计算出温度或应力的变化量，最终能够得到传感光纤沿线的温度和应力测量结果。

进一步地，当所述传感光纤的铺设方式为所述圆柱螺旋线铺设时，设圆柱螺旋线的导程为h，圆柱面的直径为d，在一个导程内，螺旋线的长度为

当圆柱螺旋线结构确定了导程和直径d后，就能得到升角λ的大小，根据应力突变点的位置信息能够迅速定位故障点在圆柱螺旋线传感装置的哪一个导程中。

进一步地，建立集中式应力监测的数学模型，具体为：

在光纤纤芯中传播的光在所述布拉格光栅的每个光栅面处发生散射，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，在反向形成一个反射峰：

λb＝2neffλ

其中，所述布拉格光栅波长λb，为所述布拉格光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长；λ是光纤布拉格光栅的周期，neff是布拉格光栅波长处的有效折射率；

假定均匀光纤布拉格光栅纤芯平均折射率为n0，沿光纤轴向折射率可以表示为：

其中，δn为折射率扰动的大小；z为沿轴向的位移；

根据光纤的模式耦合理论，对于一定调制深度和周期的光栅，其反射率可以用下式表示：

其中，反射率r(l,λ)为光栅长度l和波长λ的函数；ω为耦合系数；δk＝k-π/λ为失谐波矢量，k＝2πn0/λ为传播常数，s²＝ω²-δk²；沿光纤轴向折射率的扰动呈正弦变化，则耦合系数ω可以表示为：

其中，mp为纤芯导模的能量，由于光栅是被均匀的写入纤芯，m可以近似为：

mp＝1-v^-2

其中v是光纤的归一化频率，a为纤芯直径，n1和n2分别为纤芯与包层折射率，在光纤布拉格光栅的中心波长处，没有波矢量失谐，δk＝0，反射率的表达式变为：

r(l,λ)＝tanh²(ωl)

反射率会随折射率改变量的增加而增加，光栅长度增加，反射率也会随之增加；

光纤布拉格光栅的中心波长，决定于光栅周期和纤芯有效折射率的大小，应变和温度会改变有效折射率及光栅面之间的周期大小，任何使neff或λ改变的过程都将引起光栅bragg波长λb的移位，即：

δλb＝2δneffλ+2δλneff

光栅周围温度场的变化对光栅周期和有效折射率均有影响，进而使得布拉格波长出现漂移，从物理本质看，外界温度变化引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应，假设温度变化为δt，可以推导出应变和温度变化对光纤布拉格光栅中心波长的漂移为：

其中，第一项表示应变对光纤的影响，这对应与光栅周期间隔的改变以及应-光效应导致的折射率改变，以上的应变效应项可以表示为：

δλb＝λb(1-pe)εz

式中，有效应-光常数见定义为：

式中，p11,p12是应一光张量的分量；ν为泊松比；

第二项表示温度对光栅的影响，热膨胀改变光栅间隔和折射率，从而导致光纤布拉格光栅的波长漂移，这部分由温度变化δt导致的波长漂移可以表示为：

δλb＝λb(αλ+αn)δt

式中，为光纤的热膨胀系数，表示热光系数。

进一步地，所述集中式应力监测，采用匹配光栅解调法，选择两个光栅常数相同的bragg光栅，一个作为传感光栅，一个作为参考光栅，用参考光栅去跟踪传感光栅波长的变化，进行匹配滤波，由参考光栅的波长去推知传感光栅的波长；

所述匹配光栅解调法包括反射式与透射式在内的两种方式；

所述反射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测反射光强，通过调节参考bragg光栅的反射中心波长使接收到的光强最大，由此获得传感bragg光栅的中心反射波长；

所述透射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测透射光强，通过调节参考bragg光栅的中心波长使接收到的光强最小，由此获得传感bragg光栅的中心波长。

进一步地，所述匹配光栅解调法采用的两匹配光栅的参数完全相同，将参考光栅贴在压电陶瓷(pzt)上，其中pzt由外加的扫描电压控制；pzt处于自由状态时，由于传感光栅与参考光栅的峰值反射波长相同，因此光电探测器的输出信号幅值最大，将此时的扫描器输出固定为零电平；

当传感光栅受外界温度或应力影响时，峰值反射波长即发生漂移，因此光电探测器的输出信号幅值变小，此时，扫描器施加电压驱动pzt发生形变，使参考光栅的峰这波长也发生变化，直到与传感光栅的峰值波长重新匹配，从而使光电探测器的输出信号又重新达到最大值，则此时给pzt施加的电压即与外界物理量相对应。

进一步地，在所述输电杆塔的顶部的输电电线上增加传感光纤光栅，使得所述输电电杆对弯矩进行检测；

在进行弯矩监测时，所述传感光纤光栅具体的铺设方式为：从所述输电线路中的通信光纤中安装一个分路器，将通信光纤中用于弯矩监测的激光分离出一定比例进入所述传感光纤光栅，所述传感光纤光栅一端安装在输电线路上，另一端安装在所述输电杆塔上合适的固定位置；

当进行弯矩监测时，通过激光器通过通信光纤向所述传感光纤光栅中发射激光，经过光纤光栅反射后进入反向传播进入光电探测器；外部的本振光信号与所述反射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的数字信号输出，进而通过数字信号计算得到所述传感光纤光栅所受的拉力，结合所述输电杆塔所受的垂直拉力和电杆的高度计算得到所述输电杆塔的弯矩，具体的计算过程将在第五实施例中进行详细说明，此处不进行赘述。

进一步地，在所述输电杆塔的内壁上设置光纤安置位，用于固定所述传感光纤。

进一步地，所述带端面反射镜的光纤保护装置，采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

进一步地，所述传感光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过几种不同的铺设方式，在输电杆塔内部铺设传感光纤，从而能够完成对输电杆塔各点的应力或电杆弯矩等物理量的检测，一方面能够判断杆塔是否有发生断裂或弯曲的风险，做好预警工作；另一方面如果杆塔已经发生断裂或弯曲等意外事故，能够快速定位事故现场，从而做到及时抢修，保证电力系统的正常运行，进而保障正常的社会生产和生活。

附图说明

图1为本发明采用圆柱螺旋线铺设方式铺设传感光纤的示意图；

图2位本发明采用圆柱螺旋线铺设方式铺设传感光纤在一个导程内沿圆周方向的展开示意图；

图3为本发明采用垂直铺设方式铺设传感光纤的示意图；

图4为本发明采用垂直铺设方式铺设传感光纤，并加入布拉格光栅的示意图。

图5为本发明采用传感光纤光栅安装在电杆顶部(a)和弯矩测量(b)的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性工作前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

基于光纤传感技术，借助电力系统中的通信光纤，实现对输电线路上多个输电杆塔工作状态和物理状态的检测。

基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术，利用光纤中的布里渊散射效应，通过相关设备测量并解调出传感光纤返回的宽频带的布里渊谱上的离散频率点对应的光时域反射曲线，进而得到涉及布里渊频率、功率和散射位置信息的三维曲线，然后通过与初始数据的比对得到传感光纤中各个散射位置处的布里渊频移量，由于布里渊频移对温度和应力敏感，只要分析出其中的线性关系就能得到散射位置处的温度和应力分布情况。

目前对输电线路的监测主要聚焦在输电导线的温度和应力的监测，本发明设计了内置在输电杆塔中的传感光纤的几种铺设方式，从而能够完成对输电杆塔各点应力或电杆弯矩等物理量的检测，一方面能够判断杆塔是否有发生断裂或弯曲的风险，做好预警工作；另一方面如果杆塔已经发生断裂或弯曲等意外事故，能够快速定位事故现场，从而做到及时抢修，保证电力系统的正常运行，进而保障正常的社会生产和生活。具体的实施方式如下：

第一实施例

本实施例提供了一种具有应力监测的智能电杆，在传统的输电杆塔内部铺设传感光纤，形成具有应力监测的智能电杆，具体包括：输电杆塔，传感光纤。

传感光纤具体的铺设方式为：从所述输电杆塔的上部进入，采用包括圆柱螺旋线铺设、垂直铺设在内的铺设方式固定于空心的所述输电杆塔的内壁上或生产所述输电杆塔时置入所述输电杆塔的外壳中；所述传感光纤从所述输电杆塔下方引出后接入带端面反射镜的光纤保护装置或继续反向向上铺设后从所述输电杆塔的上部输出端输出。

两种铺设方式具体为：

(1)圆柱螺旋线铺设方式(图1)：对于内置在输电杆塔中的传感光纤装置，传感光纤从输电杆塔上部进入，采用圆柱螺旋线的方式固定在空心输电杆塔内壁上或生产电杆时置入电杆外壳中。如果置于输电杆塔内壁，则内壁上设置了光纤安置位，最终传感光纤从输电杆塔下方引出后接入带端面反射镜的光纤保护装置或继续缠绕后从上部输出端输出。

(2)垂直铺设方式(图3)：对于内置在输电杆塔中的传感光纤装置，传感光纤从输电杆塔上部进入，采用垂直的方式固定在空心输电杆塔内壁上或生产电杆时置入电杆外壳中。如果置于输电杆塔内壁，则内壁上设置了光纤安置位，最终传感光纤从输电杆塔下方引出后接入带端面反射镜的光纤保护装置或从穿过电杆底部后继续从另外一边垂直向上铺设从上部输出端输出。

需要说明的是，传感光纤的铺设方式并不局限于以上两种，铺设时只需确保传感光纤时均匀分布即可，还可以有其他的铺设方式，本实施例不一一列举。

当进行应力监测时，通过激光器向所述传感光纤中发射激光，所述激光产生的探测光脉冲与所述传感光纤纤芯介质中的声学因子相互作用，在所述传感光纤生成的背向散射光信号中产生布里渊频移，所述背向散射光信号返回到所述传感光纤的输出端；外部的本振光信号与所述背向散射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的数字信号输出。

对于分布式应力监测，电杆受力异常位置处传感光纤的受力也会发生异常，在传感光纤中将会发生背向布里渊散射，其散射射频信息在11ghz左右，且其频谱范围一般在300mhz以上，因此需要使用微波扫频的方法，在宽频范围内逐点提取布里渊信号，外部的射频本振光与所述光电探测器输出的布里渊信号在混频器中进行混频，输入信号再经过低通滤波器滤波，最后通过数据采集与处理板卡提取出布里渊谱，得到温度和应力的变化曲线。

以上铺设方式为对输电杆塔的分布式检测，目地在于对输电杆塔整体的任何位置发生断裂的风险进行检测。进一步地，当输电杆塔整体发生倾斜倒塌时，即已经对正常使用产生严重影响时，为了快速发现输电杆塔是否已经倾斜倒塌，本发明又增加了对输电杆塔的应力集中式监测，具体为在输电杆塔内部铺设布拉格光栅。

对于电杆的应力集中式监测，电杆由于受输电导线的拉力，在地面位置受到的弯矩最大，因此，布拉格光栅，铺设于所述输电杆塔接近地面的位置。

具体地，在普通光纤中，让纤芯折射率发生周期性变化就构成了结构最简单的布拉格光栅。在光纤纤芯传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐相互抵消。当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰。

铺设布拉格光栅以定点监测电杆所受的应力，可以与任何一种铺设方式的用于分布式监测应力的传感光纤相结合。

例如，可以在垂直铺设的传感光栅上增加布拉格光栅，具体的：

含布拉格光栅的垂直铺设方式(图4)：对于内置在输电杆塔中的传感光纤装置，传感光纤从输电杆塔上部进入，采用垂直的方式固定在空心输电杆塔内壁上或生产电杆时置入电杆外壳中。如果置于输电杆塔内壁，则内壁上设置了光纤安置位，最终光纤布拉格光栅传感器从输电杆塔下方引出后接入带端面反射镜的光纤保护装置或经过布拉格光栅后穿过电杆底部后继续从另外一边垂直向上铺设从上部输出端输出。

当所述输电杆塔发生较大弯曲断裂等情况时，所述布拉格光栅受到包括拉力和挤压在内的力的作用，所述布拉格光栅的周期延长或缩短，从而所述布拉格光栅反射的波长信号变长或变短，只要能监测到波长的变化量，即可以监测到输电杆塔所受到的弯曲。因此需要使用波长解调法，得到输电杆塔的最大弯矩。

进一步地，建立分布式应力分布监测的数学模型，具体为：

布里渊散射效应是一种非弹性散射作用过程，入射到所述传感光纤中的探测光脉冲与光纤纤芯介质中的声学声子相互作用，从而使背向散射回的光信号产生固有的频率移动，也就是布里渊频移，布里渊频移与光纤材料的关系可以表示为下式：

vb＝2nva/λ(1)

其中，n为纤芯折射率；va为光纤介质中的声子移动速度；λ为入射光波长；

当光纤材料在空间不同位置均匀时，布里渊频移量与光纤所受的温度和应变存在严格的线性关系，如下式所示：

vb(ε)＝vb(ε0)[1+cεε](2)

vb(t)＝vb(t0)[1+ct(t-t0)](3)

其中，vb(ε)为应变引起的布里渊频移；vb(ε0)为初始状态应变引起的布里渊频移；cε为应变系数；ε为应变量；vb(t)为温度引起的布里渊频移；vb(t0)为初始状态温度引起的布里渊频移；ct为温度系数；t0为初始温度；t为改变后的温度；

布里渊谱的形状为洛伦兹线型函数分布，实际测量中逐点扫描300mhz以上的频率范围就可以提取出完整的布里渊谱，通过扫频的方式得到布里渊谱上的离散点，再通过数据插值的方式恢复出布里渊谱的完整形态并确定其对称中心频率，通过比较温度和应力改变前后，布里渊谱对称中心频率的变化量就可以根据式(2)，(3)计算出温度或应力的变化量，最终能够得到传感光纤沿线的温度和应力测量结果。

对于圆柱螺旋线光纤传感装置来说，正常情况下，内置的传感光纤各点的温度和应力都应处于一个稳定的状态。排除掉环境变化带来的轻微影响，当输电杆塔某处发生弯曲或断裂时，弯曲或断裂位置附近的传感光纤会受到一个径向的分力作用，从而发生形变，如果弯曲或断裂点正处于传感光纤上的某一点，传感光纤上某一点的切线如果与这个弯曲力的方向垂直，这一点的传感光纤形变最大；如果弯曲点不在传感光纤上，那么传感光纤上某一点的切线与这个弯曲力的方向之间的夹角最大，这一点的形变最大。因此当输电杆塔内部传感光纤上某一点的应变突增，并且两边的变化依次递减，即呈现出一段超出正常状态值的弧形。如果最低突变点相对于正常状态下的变化量不超过某个值(需要根据实际工程经验获得)，即可判断输电杆塔某点有出现弯曲或断裂的风险，及时派遣维修人员进行加固，从而延长输电杆塔的工作寿命。当变化量大于这个值时，可以推断出输电杆塔已经出现了弯曲或断裂，需要及时更换新的杆塔，进而保障电力系统的正常运行。

进一步地，如图2所示，当所述传感光纤的铺设方式为所述圆柱螺旋线铺设时，设圆柱螺旋线的导程为h，圆柱面的直径为d，在一个导程内，螺旋线的长度为当圆柱螺旋线结构确定了导程和直径d后，就能得到升角λ的大小，根据应力突变点的位置信息能够迅速定位故障点在圆柱螺旋线传感装置的哪一个导程中，从而使得检修人员能够更针对杆塔进行加固，从而延长杆塔的工作寿命。

进一步地，建立应力定点监测(集中式)的数学模型，具体为：

在普通光纤中，让纤芯折射率发生周期性变化就构成了结构最简单的光纤布拉格光栅。在光纤纤芯传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐相互抵消。当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰：

λb＝2neffλ

其中，所述布拉格光栅波长λb，为所述布拉格光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长；λ是光纤布拉格光栅的周期，neff是布拉格光栅波长处的有效折射率；

假定均匀光纤布拉格光栅纤芯平均折射率为n0，沿光纤轴向折射率可以表示为：

其中，δn为折射率扰动的大小；z为沿轴向的位移；

根据光纤的模式耦合理论，对于一定调制深度和周期的光栅，其反射率可以用下式表示：

其中，反射率r(l,λ)为光栅长度l和波长λ的函数；ω为耦合系数；δk＝k-π/λ为失谐波矢量，k＝2πn0/λ为传播常数，s²＝ω²-δk²；沿光纤轴向折射率的扰动呈正弦变化，则耦合系数ω可以表示为：

其中，mp为纤芯导模的能量，由于光栅是被均匀的写入纤芯，m可以近似为：

mp＝1-v^-2

其中v是光纤的归一化频率，a为纤芯直径，n1和n2分别为纤芯与包层折射率，在光纤布拉格光栅的中心波长处，没有波矢量失谐，δk＝0，反射率的表达式变为：

r(l,λ)＝tanh²(ωl)

反射率会随折射率改变量的增加而增加，光栅长度增加，反射率也会随之增加；

光纤布拉格光栅的中心波长，决定于光栅周期和纤芯有效折射率的大小，应变和温度会改变有效折射率及光栅面之间的周期大小，任何使neff或λ改变的过程都将引起光栅bragg波长λb的移位，即：

δλb＝2δneffλ+2δλneff

光栅周围温度场的变化对光栅周期和有效折射率均有影响，进而使得布拉格波长出现漂移，从物理本质看，外界温度变化引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应，假设温度变化为δt，可以推导出应变和温度变化对光纤布拉格光栅中心波长的漂移为：

其中，第一项表示应变对光纤的影响，这对应与光栅周期间隔的改变以及应-光效应导致的折射率改变，以上的应变效应项可以表示为：

δλb＝λb(1-pe)εz

式中，有效应-光常数见定义为：

式中，p11,p12是应一光张量的分量；ν为泊松比；

第二项表示温度对光栅的影响，热膨胀改变光栅间隔和折射率，从而导致光纤布拉格光栅的波长漂移，这部分由温度变化δt导致的波长漂移可以表示为：

δλb＝λb(αλ+αn)δt

式中，为光纤的热膨胀系数，表示热光系数。

进一步地，所述集中式应力监测，采用匹配光栅解调法，选择两个光栅常数相同的bragg光栅，一个作为传感光栅，一个作为参考光栅，用参考光栅去跟踪传感光栅波长的变化，进行匹配滤波，由参考光栅的波长去推知传感光栅的波长；

所述匹配光栅解调法包括反射式与透射式在内的两种方式；

所述反射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测反射光强，通过调节参考bragg光栅的反射中心波长使接收到的光强最大，由此获得传感bragg光栅的中心反射波长；

所述透射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测透射光强，通过调节参考bragg光栅的中心波长使接收到的光强最小，由此获得传感bragg光栅的中心波长。

进一步地，所述匹配光栅解调法采用的两匹配光栅的参数完全相同，将参考光栅贴在压电陶瓷(pzt)上，其中pzt由外加的扫描电压控制；pzt处于自由状态时，由于传感光栅与参考光栅的峰值反射波长相同，因此光电探测器的输出信号幅值最大，将此时的扫描器输出固定为零电平；

当传感光栅受外界温度或应力影响时，峰值反射波长即发生漂移，因此光电探测器的输出信号幅值变小，此时，扫描器施加电压驱动pzt发生形变，使参考光栅的峰这波长也发生变化，直到与传感光栅的峰值波长重新匹配，从而使光电探测器的输出信号又重新达到最大值，则此时给pzt施加的电压即与外界物理量相对应。

进一步地，在所述输电杆塔的内壁上设置光纤安置位，用于固定所述传感光纤。

进一步地，所述带端面反射镜的光纤保护装置，采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

进一步地，所述传感光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

第二实施例

如图1，图2，本实施例提供了圆柱螺旋线铺设方式铺设的传感光纤形成的智能电杆。

外部系统的激光器发出的激光经耦合器分为两路光信号：一路光信号进入电光(强度)调制器被调制成光脉冲，然后经环形器输入被测传感光纤，传感光纤的尾部在输电杆塔中；另一路光信号再经耦合器作为本振光使用。输入传感光纤的光脉冲在传感光纤中的背向散射光信号经环形器输出到耦合器的另一个输入端。耦合器中的本振光信号与散射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的视频信号输出。微波源产生的射频本振光与光电探测器输出的布里渊信号在混频器中进行混频，输入信号再经过低通滤波器滤波，最后通过数据采集与处理板卡提取出布里渊谱，然后得到温度和应力的变化曲线。

在生产输电杆塔时直接开设有对应形状的光纤安置位或杆塔生产时直接将传感光纤植入杆塔外壳中。激光从传感光纤的上部进入。圆柱螺旋线传感装置导程为h，圆柱直径为d。最终传感光纤从输电杆塔下方引出后接入带有端面反射镜的光纤保护装置或回绕到杆塔的顶部。对圆柱螺旋线光纤传感装置来说，绕接一周下降(或上升)的距离称为一个导程。

对应的光纤保护装置采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

传感光纤在生产输电杆塔时直接内置安装，上部光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

第三实施例

如图3，本实施例提供了垂直铺设方式铺设的传感光纤形成的智能电杆。

外部系统的激光器发出的激光经耦合器分为两路光信号：一路光信号进入电光(强度)调制器被调制成光脉冲，然后经环形器输入被测传感光纤，传感光纤的尾部在输电杆塔中；另一路光信号再经耦合器作为本振光使用。输入传感光纤的光脉冲在传感光纤中的背向散射光信号经环形器输出到耦合器的另一个输入端。耦合器中的本振光信号与散射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的射频信号输出。微波源产生的射频本振光与光电探测器输出的布里渊信号在混频器中进行混频，输入信号再经过低通滤波器滤波，最后通过数据采集与处理板卡提取出布里渊谱，然后得到温度和应力的变化曲线。

在生产输电杆塔时直接开设有对应形状的光纤安置位或杆塔生产时直接将传感光纤植入杆塔外壳中。激光从传感光纤的上部进入。最终传感光纤从输电杆塔下方引出后接入带有端面反射镜的光纤保护装置或回绕到杆塔的顶部。

对应的光纤保护装置采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

传感光纤在生产输电杆塔时直接内置安装，上部光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

第四实施例

如图4，本实例在垂直铺设的用于应力监测的传感光纤上增加了布拉格光栅。

外部系统的激光器发出的激光经耦合器分为两路光信号：一路光信号进入经环形器输入被测传感光纤，传感光纤的尾部在输电杆塔底部；另一路光信号进入参考光栅。输入传感光纤的光信号在传感光纤中的背向光信号经环形器输出到光电探测器，另外一路光信号来自参考光栅的反射信号，也经耦合器进入探测器。两路输入信号经探测器光电变换后再经过低通滤波器滤波，最后通过数据采集与处理板卡提取出传感光栅和参考光栅的反射峰值波长差，然后得到温度和应力的变化曲线。

在生产输电杆塔时直接开设有对应形状的光纤安置位或杆塔生产时直接将传感光纤植入杆塔外壳中。激光从传感光纤的上部进入。最终传感光纤从输电杆塔下方引出后接入带有端面反射镜的光纤保护装置或回绕到杆塔的顶部。

在输电杆塔的底部的传感光纤上增加布拉格光栅，当所述输电杆塔发生弯曲断裂等情况时，所述布拉格光栅受到包括拉力和挤压在内的力的作用，所述布拉格光栅的周期延长或缩短，从而所述布拉格光栅反射的波长信号变长或变短；监测所述布拉格光栅发射的波长的变化量，从而监测到所述输电电杆所受到的弯曲。

对应的光纤保护装置采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

传感光纤在生产输电杆塔时直接内置安装，上部光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

第五实施例

本实施例在输电杆塔顶部的输电线路上增加了传感光纤光栅，使得输电杆塔就有了弯矩监测的功能，本实施可以与第一到第四实施例中的任意一个相结合形成具有应力和弯矩监测的智能电杆，也可以单独将传感光纤光栅设置于输电杆塔上，形成具有弯矩监测的智能电杆，具体包括：输电杆塔，传感光纤光栅。

在进行弯矩监测时，传感光纤光栅具体的铺设方式为：从所述输电线路中的通信光纤中安装一个分路器，将通信光纤中用于弯矩监测的激光分离出一定比例进入光纤光栅。光纤光栅传感器一端安装在输电线路上，另一端安装在电杆上合适的固定位置。

当进行弯矩监测时，通过激光器通过通信光纤向所述传感光纤光栅中发射激光，经过光纤光栅反射后进入反向传播进入光电探测器；外部的本振光信号与所述反射光信号相干产生的差频包络经光电探测器处理转换成对应的数字信号输出。不同电杆顶部可安装不同周期的光纤光栅，可实现不同电杆的弯矩监测。

具体地，在普通光纤中，可以使用布拉格光栅来进行弯矩的监测，让纤芯折射率发生周期性变化就构成了结构最简单的布拉格光栅。在光纤纤芯传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐相互抵消。当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰。

当所述输电杆塔发生较大弯曲时，所述布拉格光栅受到包括拉力的作用，所述布拉格光栅的周期延长，从而所述布拉格光栅反射的波长信号变长，只要能监测到波长的变化量，即可以监测到输电杆塔所受到的弯曲。因此需要使用波长解调法，得到输电杆塔的最大弯矩。

进一步地，建立弯矩监测的数学模型，具体为：

在普通光纤中，让纤芯折射率发生周期性变化就构成了结构最简单的光纤布拉格光栅。在光纤纤芯传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐相互抵消。当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰：

λb＝2neffλ

其中，所述布拉格光栅波长λb，为所述布拉格光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长；λ是光纤布拉格光栅的周期，neff是布拉格光栅波长处的有效折射率；

假定均匀光纤布拉格光栅纤芯平均折射率为n0，沿光纤轴向折射率可以表示为：

其中，δn为折射率扰动的大小；z为沿轴向的位移；

根据光纤的模式耦合理论，对于一定调制深度和周期的光栅，其反射率可以用下式表示：

其中，反射率r(l,λ)为光栅长度l和波长λ的函数；ω为耦合系数；δk＝k-π/λ为失谐波矢量，k＝2πn0/λ为传播常数，s²＝ω²-δk²；沿光纤轴向折射率的扰动呈正弦变化，则耦合系数ω可以表示为：

其中，mp为纤芯导模的能量，由于光栅是被均匀的写入纤芯，m可以近似为：

mp＝1-v^-2

其中v是光纤的归一化频率，a为纤芯直径，n1和n2分别为纤芯与包层折射率，在光纤布拉格光栅的中心波长处，没有波矢量失谐，δk＝0，反射率的表达式变为：

r(l,λ)＝tanh²(ωl)

反射率会随折射率改变量的增加而增加，光栅长度增加，反射率也会随之增加；

光纤布拉格光栅的中心波长，决定于光栅周期和纤芯有效折射率的大小，应变和温度会改变有效折射率及光栅面之间的周期大小，任何使neff或λ改变的过程都将引起光栅bragg波长λb的移位，即：

δλb＝2δneffλ+2δλneff

光栅周围温度场的变化对光栅周期和有效折射率均有影响，进而使得布拉格波长出现漂移，从物理本质看，外界温度变化引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应，假设温度变化为δt，可以推导出应变和温度变化对光纤布拉格光栅中心波长的漂移为：

其中，第一项表示应变对光纤的影响，这对应与光栅周期间隔的改变以及应-光效应导致的折射率改变，以上的应变效应项可以表示为：

δλb＝λb(1-pe)εz

式中，有效应-光常数见定义为：

式中，p11,p12是应一光张量的分量；ν为泊松比；

通过上述公式可以计算出光栅所受的拉力εz，从此拉力可以计算弯矩：

bm＝f×l

其中f,l是分别是电杆所受的垂直拉力和电杆的高度(长度)。

第二项表示温度对光栅的影响，热膨胀改变光栅间隔和折射率，从而导致光纤布拉格光栅的波长漂移，这部分由温度变化δt导致的波长漂移可以表示为：

δλb＝λb(αλ+αn)δt

式中，为光纤的热膨胀系数，表示热光系数。

进一步地，所述弯矩监测，采用匹配光栅解调法，选择两个光栅常数相同的bragg光栅，一个作为传感光栅，一个作为参考光栅，用参考光栅去跟踪传感光栅波长的变化，进行匹配滤波，由参考光栅的波长去推知传感光栅的波长；

所述匹配光栅解调法包括反射式与透射式在内的两种方式；

所述反射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测反射光强，通过调节参考bragg光栅的反射中心波长使接收到的光强最大，由此获得传感bragg光栅的中心反射波长；

所述透射式，即信号光经过传感bragg光栅反射进入与其参数完全相同的参考bragg光栅后检测透射光强，通过调节参考bragg光栅的中心波长使接收到的光强最小，由此获得传感bragg光栅的中心波长。

进一步地，所述匹配光栅解调法采用的两匹配光栅的参数完全相同，将参考光栅贴在压电陶瓷(pzt)上，其中pzt由外加的扫描电压控制；pzt处于自由状态时，由于传感光栅与参考光栅的峰值反射波长相同，因此光电探测器的输出信号幅值最大，将此时的扫描器输出固定为零电平；

当传感光栅受外界温度或应力影响时，峰值反射波长即发生漂移，因此光电探测器的输出信号幅值变小，此时，扫描器施加电压驱动pzt发生形变，使参考光栅的峰这波长也发生变化，直到与传感光栅的峰值波长重新匹配，从而使光电探测器的输出信号又重新达到最大值，则此时给pzt施加的电压即与外界物理量相对应。

进一步地，在所述输电杆塔的内壁上设置光纤安置位，用于固定所述传感光纤。

进一步地，所述带端面反射镜的光纤保护装置，采用绝缘材料制成，并在表面设有高分子涂覆层，耐高温，耐腐蚀。

进一步地，所述传感光纤引入端的接口类型为fc/apc或fc/pc。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。