CN103673910A - 横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，涉及用于计量固体的形变方法技术领域。将光纤Bragg光栅固定在横担的各根主材上；通过固定在横担主材上的光纤Bragg光栅将横担主材的线性应变转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位；光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置进行连接；利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，得到横担主材的形变值。所述方法实现了对横担形变的实时测量，降低了由于横担主材发生过度形变引起危害的风险。

Description

横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法

技术领域

本发明涉及用于计量固体的形变方法技术领域，尤其涉及一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法。

背景技术

横担是线杆顶部横向固定的角铁，上面有瓷瓶，用来支撑架空电线的。横担是杆塔中重要的组成部分，它的作用是用来安装绝缘子及金具，以支承导线、避雷线，并使之按规定保持一定的安全距离。按用途可分为：直线横担、转角横担和耐张横担。按材料可分为：铁横担、瓷横担和合成绝缘横担。

直线横担：只考虑在正常未断线情况下，承受导线的垂直荷重和水平荷重；耐张横担：承受导线垂直和水平荷重外，还将承受导线的拉力差；转角横担：除承受导线的垂直和水平荷重外，还将承受较大的单侧导线拉力。

根据横担的受力情况，对直线杆或15度以下的转角杆采用单横担，而转角在15度以上的转角杆、耐张杆、终端杆、分支杆皆采用双横担。横担一般安装在距杆顶300mm处，直线横担应装在受电侧，转角杆、终端杆、分支杆的横担应装在拉线侧。因为横担的受力非常复杂，横担的应力应变化跟倾角不完全是简单的对应关系，所以很难对横担的受力情况进行实时监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，所述方法实现了对横担主材形变的实时测量，降低了由于横担发生过度形变引起危害的风险。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其特征在于：将光纤Bragg光栅固定在横担的各根主材上；通过固定在横担主材上的光纤Bragg光栅将横担主材的线性应变转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位；光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置进行连接；利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，然后通过计算得到横担主材的形变值。

优选的，将光纤Bragg光栅固定在横担主材的中部。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法直接将光纤Bragg光栅固定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方法，来实现对横担的状态进行实时在线监测，降低了由于横担主材发生过度形变引起危害的风险。

具体实施方式

一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，所述方法将光纤Bragg光栅固定在横担的各根主材上，当因各种外界条件影响使得横担所受导线张力及重力发生变化之后，横担主材所受内力也会发生相应改变，通过固定在横担主材上的光纤Bragg光栅将横担主材的线应变转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位，光纤Bragg光栅通过输入输出光纤与信号处理装置光连接。利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，优选的将光纤Bragg光栅固定在横担主材的中部，以增加测量的准确性。

根据结构力学横担主材的内力计算式为：

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

式中，为挂线点C至悬点D的竖向距离，G为竖向荷载，为张力，为横担下平面主材长度，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：

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

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

$\mathrm{\σ}=\frac{F_N}{A}---3)$

式中，为轴力；A为横担截面面积。

将式3）代入式2）得

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

光纤光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

△λ=λ(1-P_e)ε   5）

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

将式4）代入式5）得

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

将式1）代入式6），替换变量，由此可得光纤Bragg光栅波长移位与横担主材受力关系如下：

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

将式7）改写为矩阵形式：

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

根据线性代数的最小二乘法：

A^TAX=A^TB   9）式中， $A=\left[\begin{array}{cc}-\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\\ -\frac{l_1}{2h}& \frac{l_1}{b}(\frac{e}{h}-\frac{1}{2})\\ \frac{l_2}{2h}& \frac{l_2}{b}(\frac{e}{h}+\frac{1}{2})\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_1(1-P_e)}\\ \frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_2(1-P_e)}\\ \frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_3\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_3(1-P_e)}\\ \frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_4\mathrm{AE}}{{\mathrm{\λ}}_4(1-P_e)}\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}G\\ F_T\end{array}\right]$

则X可表示为：

X=(A^TA)^-1A^TB   10）可得：

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

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

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

所述方法直接将光纤Bragg光栅固定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方法，来实现对横担的状态进行实时在线监测，降低了由于横担主材发生过度形变引起危害的风险。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其特征在于：将光纤Bragg光栅固定在横担的各根主材上；通过固定在横担主材上的光纤Bragg光栅将横担主材的线性应变转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位；光纤Bragg光栅通过光纤与信号处理装置进行连接；利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，然后通过计算得到横担主材的形变值。

2.根据权利要求1所述的横担主材受力形变的光纤Bragg光栅测量方法，其特征在于：将光纤Bragg光栅固定在横担主材的中部。