CN101793503A - 鸭嘴式横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及电力铁塔横担的应力应变测量方法，特别是一种鸭嘴式横担主材受力形变的测量方法，属光电子测量技术领域。本发明的方法是将光纤Bragg光栅粘贴在横担的各根主材上，将横担各根主材的线应变转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置连接，利用信号处理装置的解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。本发明测量方法准确、可靠，更能反映横担的复杂受力情况，可实现实时在线监测。

Description

鸭嘴式横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法

技术领域

本发明专利具体涉及电力铁塔横担的应力应变测量方法，特别是一种鸭嘴式横担主材受力形变的测量方法，属光电子测量技术领域。

背景技术

横担是铁塔、电线杆等的顶部横向固定的角铁，常用钢结构做成平面桁架式，用穿钉固定在主塔、主杆上，加上柔性吊杆以减轻横担在导线挂线处承受的荷载。横担的主要作用是安装绝缘子及金属构件，以支承导线、避雷线，并使之按规定保持一定的安全距离。由于覆冰等自然灾害的不利因素，横担的应力会加大，可能会造成横担压坏(横担的主材或斜材发生受压屈曲破坏，导致整个横担被破坏)、横担拉坏(横担杆件发生拉、压破坏，导致横担折断)、横担扭坏(造成横担破坏，脱落)等现象。

与本测量方法最接近的监测系统是一种输电线路杆塔倾斜监测系统(参见文献：马维青，“输电线路铁塔倾斜智能监测系统的研究”，《山西电力》，2008年10月，第5期，总第149期)。该方案涉及通过双轴倾角传感器获取横担在顺线路和横线路2个方向的倾斜角数据，目前的双轴倾角传感器多采用电测量方式。因为横担的受力非常复杂，横担的应力应变跟倾角不完全是简单的对应关系，所以该技术不能反映横担的健康状况，更不能实现实时在线监测。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种鸭嘴式横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其测量准确，更能反映横担的复杂受力情况，可实现实时在线监测。

实现本发明专利目的所采取的技术方案是：将光纤Bragg光栅粘贴在横担的各根主材上，将横担各根主材的线应变转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置连接，利用信号处理装置的解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

本发明所述的光纤Bragg光栅的最佳粘贴位置是在两侧横担的各四根主材下方的1/2处，这样既可以防止自然天气对光纤Bragg光栅的影响，同时又可以获得较准确的光纤Bragg光栅的波长移位值。

本发明专利的数学模型如下：

根据结构力学横担主材的内力计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{N1}=F_{N3}=-\frac{{\mathrm{Gl}}_1}{2h}+\frac{F_{T}e}{b}\×\frac{l_1}{h}-\frac{F_T{l}_1}{2b}\\ F_{N2}=F_{N4}=\frac{{\mathrm{Gl}}_2}{2h}+\frac{F_{T}e}{b}\×\frac{l_2}{h}+\frac{F_T{l}_2}{2b}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，e为挂线点C至悬点D的竖向距离，G为竖向荷载，F_T为张力，l₁为横担下平面主材长度，l₂为横担上平面主材长度，h为横担高度，b为横担宽度。根据胡克定律：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(2\right)$

式中，E为横担钢材的Young’s模量；σ为正应力。

又根据正应力的计算公式

$\mathrm{\σ}=\frac{F_N}{A}---\left(3\right)$

式中，F_N为轴力；A为横担截面面积。

将(3)式代入(2)式得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F_N}{\mathrm{AE}}---\left(4\right)$

光纤光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

Δλ＝λ(1-P_e)ε(5)

式中，Δλ为光纤Bragg光栅的波长移位；λ为中心波长；p_e为有效弹光系数；ε为轴向应变。

将(4)式代入(5)式得

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\λ}{F}_N}{\mathrm{AE}}(1-P_e)---\left(6\right)$

将(1)式代入(6)式，替换变量F_N，由此可得光纤Bragg光栅波长移位Δλ与横担主材受力关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{AE}}(-\frac{{\mathrm{Gl}}_1}{2h}+\frac{F_T{\mathrm{el}}_1}{\mathrm{bh}}-\frac{F_T{l}_1}{2b})(1-p_e)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{AE}}(\frac{{\mathrm{Gl}}_2}{2h}+\frac{F_T{\mathrm{el}}_2}{\mathrm{bh}}+\frac{F_T{l}_2}{2b})(1-p_e)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{\mathrm{AE}}(-\frac{{\mathrm{Gl}}_1}{2h}+\frac{F_T{\mathrm{el}}_1}{\mathrm{bh}}-\frac{F_T{l}_1}{2b})(1-p_e)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4=\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{\mathrm{AE}}(\frac{G{l}_2}{2h}+\frac{F_T{\mathrm{el}}_2}{\mathrm{bh}}+\frac{F_T{l}_2}{2b})(1-p_e)\end{array}\right.---\left(7\right)$

将式(7)改写为矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_1(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_2(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_3(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_4(1-P_e)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\\ -\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}G\\ F_T\end{array}\right]---\left(8\right)$

根据线性代数的最小二乘法：

A^TAX＝A^TB    (9)

式中， $A=\left[\begin{array}{cc}-\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\\ -\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_1(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_2(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_3(1-P_e)}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_4(1-P_e)}\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}G\\ F_T\end{array}\right]$

则X可表示为：

X＝(A^TA)^-1A^TB    (10)

可得：

$G=(\frac{h^2}{4{\mathrm{el}}_1}+\frac{h}{2l_1})\frac{\mathrm{AE}}{(P_e-1){\mathrm{\λ}}_1}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2+(\frac{h^2}{4{\mathrm{el}}_2}-\frac{h}{2l_2})\frac{\mathrm{AE}}{(P_e-1){\mathrm{\λ}}_2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2$

$+(\frac{h^2}{4{\mathrm{el}}_1}+\frac{h}{2l_1})\frac{\mathrm{AE}}{(P_e-1){\mathrm{\λ}}_3}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3+(\frac{h^2}{4{\mathrm{el}}_2}-\frac{h}{2l_2})\frac{\mathrm{AE}}{(P_e-1){\mathrm{\λ}}_4}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4---\left(11\right)$

$F_T=-\frac{\mathrm{bhAE}}{4{\mathrm{el}}_1{\mathrm{\λ}}_1(P_e-1)}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1-\frac{\mathrm{bhAE}}{4{\mathrm{el}}_2{\mathrm{\λ}}_2(P_e-1)}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2-\frac{\mathrm{bhAE}}{4{\mathrm{el}}_1{\mathrm{\λ}}_3(P_e-1)}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3-\frac{\mathrm{bhAE}}{4{\mathrm{el}}_2{\mathrm{\λ}}_4(P_e-1)}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4$

本发明专利的有益效果是：

实现了横担的实时在线监测，本测量方法直接将光纤Bragg光栅粘贴在横担的各根主材上，通过把横担各主材受力产生的挠度变化转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来对横担的状态进行实时在线监测，因此本方法的测量更准确，测到的各项数值更能反映横担的健康状况。

附图说明

图1为本发明的基本结构和传感器布置图。

图2为本发明的鸭嘴横担及光纤Bragg光栅传感器布置详图。

图中各标号表示为：上下曲臂1，绝缘子2，导线3，光纤Bragg光栅4，悬挂导线横担5，横担主材6，悬挂地线顶架7。

具体实施方式

1.横担尺寸：选择Q235钢材为横担主材，下平面主材长度l₁＝1500mm，上平面主材长度

横担高度h＝250mm，横担宽度b＝125mm，截面积A＝375mm²，挂线点至悬点的竖向距离e＝500mm

2.横担材料参数为：Q235钢材的Young’s模量为E＝206GPa

3.光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ₁＝1547.000nm，λ₂＝1550.000nm，λ₃＝1553.000nm，λ₄＝1556.000nm，有效弹-光系数p_e＝0.22

4.按附图1配置实验

5.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的中心波长

6.将已知量代入式(11)，则横担主材受力与安装在横担各主材的光纤Bragg光栅的中心波长移位的关系为：

G＝-6.67Δλ₁+3.94Δλ₂-6.64Δλ₃+3.92Δλ₄

F_T＝0.667Δλ₁+0.657Δλ₂+0.664Δλ₃+0.654Δλ₄

Claims (2)

1.一种鸭嘴式横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其特征是：将光纤Bragg光栅粘贴在横担的各根主材上，将横担各根主材的线应变转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置连接，利用信号处理装置的解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

2.按照权利要求1所述的鸭嘴式横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其特征是：在两侧横担的各四根主材下方的1/2处粘贴光纤Bragg光栅。

Images