CN101839704A - 电力线与桥梁摆动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力线和桥梁摆动量测量技术。在被测点发射电波。电波经两条路径到达测量点，使两条路径的程差的变化量与摆动量成正比。比较两条路径传到测点电波的相位差，算出两条路径程差的变化量，从而得被测点的摆动量。附图中，在被测点1安放频率为f₁的正弦波源6，经左发射天线8和右发射天线9同时向左反射板10和右反射板11发射电磁波。调整反射板角度，将入射波反射到左接收天线12和右接收天线13。接收信号经左低噪声放大器15和右低噪声放大器16后，用左混频器17和右混频器18，同一本振源14混频到低频，再用低频相位检波器21测出两路电波的相位差。

Description

电力线与桥梁摆动测量方法

技术领域测量技术

背景技术

架空输电线路运行过程中，特别是在冰雪，大风等天气下，会发生线路摆动(电力行业又称舞动)。这会严重损害线路，导致大面积停电。许多专家研究输电线路摆动的实时监测，以防范和减少输电线灾害。已有监测技术：

基于视觉测量技术或图像技术在能见度好的时候可行，反之(如黑天和雾、雨、雪等天气)则不能用。另外这种需要大量的图像存储、传输的监测技术不适合长期实时观察。

用加速传感器的3个方向加速度信息，计算和分析输电线摆动，但由于目前加速的传感器精度差(±10％)，大的加速度误差经时间二次积分累积更大的误差。

提出了针对大坝边坡位移测量的一种微位移测量技术，其测量精度达0.02λ(λ为载波波长)。但摆动测量需测量输电线上多点的微位移，输电线路上不宜安装多个大的角反射器，故该技术也不适于特高输电线摆动测量。

桥梁摆动(桥梁行业又称挠度)测量是桥梁安全监测的重要项目，在测量技术上与电力线摆动测量相同。目前桥梁摆动测量还是基于光学视觉测量，同样有上述光学测量的缺点：在能见度差时(如黑天和雾、雨、雪等天气)不能用，另外还有大量图像存储、传输的困难。例如流行的桥梁挠度检测仪ZCND-A(www.hc360.com)，为整体式光路系统，采用线阵ccd器件获取图像，最大测量距离5～500m。

针对上述问题，提出了本技术。

发明内容

在被测点发射电波。电波经两条路径到达测量点。设计两条路径，使两条路径的程差的变化量与摆动量成正比。测量左右摆动时，一种方案是当发生摆动时一条路径加长，另一条路径缩短；另一种方案是简化方案，当发生摆动时一条路径长度固定，另一条路径长度与摆动量成正比。测量上下摆动的方案是使两条路径程差的变化量与摆动量成正比。无论那种方案，都是比较两条路径传到测点电波的相位差，算出两条路径程差的变化量，从而得被测点的摆动量。故基本硬件设备相同，仅安装方式不同。

两条路径传到测点的电波经天线和低噪声放大器后，用两个混频器，同一本振源混频到低频，再用低频相位检波器测出两路电波的相位差。

左右摆动测量的基本几何关系如附图1所示。1为被测摆动点D；2为左反射点R_L；3为右反射点R_R；4为测量点T。在直角三角形DTR_L中，用a，b，c表示边长：

$c=\sqrt{a^2+b^2}--\left(1\right)$

$\frac{\∂c}{\∂b}=\frac{2b}{2\sqrt{a^2+b^2}}=\frac{b}{c}---\left(2\right)$

$\frac{{\∂}^{2}c}{{\∂b}^2}=\frac{1}{c}---\left(3\right)$

$\frac{{\∂}^{3}c}{{\∂b}^3}=\frac{-1}{c^2}\frac{b}{c}=\frac{-b}{c^3}---\left(4\right)$

设D点左右摆动后，c和b变为c+Δc和b+Δb，则

$\mathrm{\Δc}=\frac{\∂c}{\∂b}\mathrm{\Δb}+\frac{1}{2}\frac{{\∂}^{2}c}{{\∂b}^2}{\mathrm{\Δb}}^2+\frac{1}{6}\frac{{\∂}^{3}c}{{\∂b}^3}{\mathrm{\Δb}}^3+\·\·=\frac{b}{c}\mathrm{\Δb}+\frac{1}{2c}{\mathrm{\Δb}}^2+\frac{-b}{{6c}^3}{\mathrm{\Δb}}^3+\·\·---\left(5\right)$

例如：某电力线摆动测量系统，其基本几何参数如下：

c＝1000m  b＝500m  Δb＝0.1m

Δc的二阶项为 $\frac{{\mathrm{\Δb}}^2}{2c}=\frac{0.01}{2000}=0.005\mathrm{mm}\→0$

Δc的三阶项为 $\frac{b}{{6c}^3}{\mathrm{\Δb}}^3=\frac{500\×{0.1}^3}{6\×{1000}^3}\≈{10}^{-7}\mathrm{mm}\→\→0$

故可只取一阶项： $\mathrm{\Δc}\≈\frac{b}{c}\mathrm{\Δb}---\left(6\right)$

左右摆动量为： $\mathrm{\Δb}=\left(\frac{c}{b}\right)\mathrm{\Δc}---\left(7\right)$

其中Δc可由两条路径传到测量点T电波的相位差确定。

上下摆动测量的基本几何关系如附图2所示。1为被测摆动点D；4为测量点T；5为反射点R。在直角三角形DRT中，用x，y，z表示边长：

$z=\sqrt{x^2+y^2}$

$\frac{\∂z}{\∂x}=\frac{2x}{2\sqrt{x^2+y^2}}=\frac{x}{z}$

同上，只取一阶项，得： $\mathrm{\Δz}=\frac{\∂z}{\∂x}\mathrm{\Δx}=\frac{x}{z}\mathrm{\Δx}---\left(8\right)$

在测量点T观测的程差变化为 $(\mathrm{\Δx}-\mathrm{\Δz})=\frac{z-x}{z}\mathrm{\Δx}---\left(9\right)$

上下摆动量为 $\mathrm{\Δx}=\frac{z}{z-x}(\mathrm{\Δx}-\mathrm{\Δz})---\left(10\right)$

其中(Δx-Δz)可由两条路径传到测量点电波的相位差确定。

附图说明

附图1是左右摆动测量的基本几何关系图。1为被测摆动点D；2为左反射点R_L；3为右反射点R_R；4为测量点T。a，b，c是直角三角形DTR_L和直角三角形DTR_R的边长。

附图2是上下摆动测量的基本几何关系图。1为被测摆动点D；4为测量点T；5为反射点R。x，y，z是直角三角形DRT的边长。

附图3是左右摆动测量系统电原理图。6是频率为f₁的正弦波源；7是功分器；8是左发射天线A_TL；9是右发射天线A_TR；10是左反射板R_L；11是右反射板R_R；12是左接收天线A_RL；13是右接收天线A_RR；14是频率为f₂的共用本振源；15是左低噪声放大器LNA_L；16是右低噪声放大器LNA_R；17是左混频器M_L；18是右混频器M_R；19是左中频放大器IFA_L；20是右中频放大器IFA_R；21是相位检波器PD；22是整个接收信道和相位测量的电路模块EM(图中虚线围起部分)；23是相位检波器PD的输出Δθ。

附图4是简化的左右摆动测量系统电原理图，图中无新的部件编号。

附图5是上下摆动测量系统电原理图，图中无新的部件编号。

具体实施方式

左右摆动程差变化的测量

图3为左右摆动测量系统图。在1被测点D安放6频率为f₁的正弦波源，经8左发射天线A_TL和9右发射天线A_TR同时向10左反射板R_L和11右反射板R_R发射电磁波。调整反射板角度，将入射波反射到12左接收天线A_RL和13右接收天线A_RR。用22电路模块对A_RL和A_RR的接收信号比相，测出二者相位差θ。相位差θ是由电波传播程差L引起的。

$L=\stackrel{\‾}{\left(A_{\mathrm{TL}}{R}_L{A}_{\mathrm{RL}}\right)}-\stackrel{\‾}{\left(A_{\mathrm{TR}}{R}_R{A}_{\mathrm{RR}}\right)}=(\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{TL}}{R}_L}+\stackrel{\‾}{R_L{A}_{\mathrm{RL}}})-(\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{TR}}{R}_R}+\stackrel{\‾}{R_R{A}_{\mathrm{RR}}})$

可以假定被测点D无摆动时程差L＝0。因为安装误差是固定值，系统校零时扣除之。

若被测点D摆动为Δb，则有：

程差变化量为 $\mathrm{\ΔL}=2\mathrm{\Δc}=\frac{2b}{c}\mathrm{\Δb}---\left(11\right)$

相位差变化为

左右摆动量为 $\mathrm{\Δb}=\frac{c}{2b}\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{c\λ}}{720b}\mathrm{\Δ\θ}---\left(13\right)$

简化的左右摆动程差变化测量

图3所示测量系统的左右部分不必对称，只要左右两边路径是固定的，系统校零时扣除固定的路径差。极端不对称是只用图1中的一个三角形，如图4所示。这时：

程差变化量为 $\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\Δc}=\frac{b}{c}\mathrm{\Δb}---\left(14\right)$

相位差变化为

左右摆动量为 $\mathrm{\Δb}=\frac{c}{b}\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{c\λ}}{360b}\mathrm{\Δ\θ}---\left(16\right)$

上下摆动程差变化的测量

图5为上下摆动测量系统图。与左右摆动测量不同的是在被测点下面安装11反射板，调整11反射板角度将一路电波反射到13右接收天线，另一路电波直接到12左接收天线。若上下摆动Δx，则程差变化(Δx-Δz)。21相位检波器PD测出相位差变化Δθ＝360°(Δx-Δz)/λ最后得上下摆动测量为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{z}{z-x}(\mathrm{\Δx}-\mathrm{\Δz})=\frac{z}{z-x}\·\frac{\mathrm{\λ}\·\mathrm{\Δ\θ}}{360}---\left(17\right)$

相位差Δθ的测量

以左右摆动测量系统为例说明：附图3中12左接收天线A_RL和13右接收天线A_RR收到的信号很微弱，首先经15左低噪声放大器LN_L和16右低噪声放大器LN_R放大，然后送入17左混频器M_L和18右混频器M_R，共用14频率为f₂的本振源将其变为频率低的中频信号，再经19左中频放大器IFA_L和20右中频放大器IFA_R放大后送到21相位检波器PD测量出相位差Δθ。

设：15左低噪声放大器LN_L和16右低噪声放大器LN_R的输出为：

A_L:Sin(ω₁t+θ_1L)和A_R Sin(ω₁t+θ_1R)                        (18)

14频率为f₂的本振源输出为：

2Sin(ω₂t+θ₂)                                              (19)

17左混频器M_L和18右混频器M_R的输出为：

A_L:Sin[(ω₁-ω₂)t+θ_1L-θ₂)]+A_L:Sin[(ω₁+ω₂)t+θ_1L+θ₂)]   (20)

A_R Sin[(ω₁-ω₂)t+θ_1R-θ₂)]+A_R:Sin[(ω₁+ω₂)t+θ_1R+θ₂)]   (21)

19左中频放大器IFA_L和20中频放大器右IFA_R放大过滤后为(设IFA_L和IFA_R的增益为1)：

A_L:Sin[(ω₁-ω₂)t+θ_1L-θ₂)]                                (22)

21相位检波器PD输出U_O为(设PD的增益为1)：

U_O＝A_LA_RSin(θ_1L-θ_1R)＝A_LA_RSinΔθ                         (23)

若采用线形相位检波器21相位检波器PD输出U_OL为：

U_OL＝A_LA_R(θ_1L-θ_1R)＝A_LA_RΔθ                              (24)

附图4和附图5中相位差Δθ的测量完全相同。一旦测出相位差Δθ相应摆动量为：

左右摆动测量时(见附图3)： $\mathrm{\Δb}=\frac{c}{2b}\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{c\λ}}{720b}\mathrm{\Δ\θ}---\left(13\right)$

简化左右摆动测量时(见附图3)： $\mathrm{\Δb}=\frac{c}{b}\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{c\λ}}{360b}\mathrm{\Δ\θ}---\left(16\right)$

上下摆动时测量(见附图3)： $\mathrm{\Δx}=\frac{z}{z-x}(\mathrm{\Δx}-\mathrm{\Δz})=\frac{z}{z-x}\·\frac{\mathrm{\λ}\·\mathrm{\Δ\θ}}{360}---\left(17\right)$

Claims (4)

1.一种电力线和桥梁的摆动测量系统，在被测点发射电波。电波经两条路径到达测量点，使两条路径的程差的变化量与摆动量成正比，比较两条路径传到测点电波的相位差，算出两条路径程差的变化量，从而得被测点的摆动量。

2.根据权利要求1，一种电力线和桥梁的摆动测量系统，左右摆动测量时，被测点发射的电波经左右反射板反射到测点的左右接收天线和左右低噪声放大器，用左右两个混频器，同一本振源混频到低频，用低频相位检波器测出两路电波的相位差，从而算出程差和左右摆动量。

3.根据权利要求1，一种电力线和桥梁的摆动测量系统，简化的左右摆动测量时，只用左右摆动测量系统的左或右半部分。

4.根据权利要求1，一种电力线和桥梁的摆动测量系统，上下摆动测量时，被测点发射的电波，一路直接传到测点，另一路经反射板传到测点，两路电波经左右接收天线和左右低噪声放大器，用左右两个混频器，同一本振源混频到低频，用低频相位检波器测出两路电波的相位差，从而算出程差和左右摆动量。

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