CN104501863A - 复合横担应力应变在线监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明复合横担应力应变在线监测系统，包括有传感器模块，传感器模块连接有第一电光转换模块、第二光电转换模块，第一电光转换模块依次与第一光电转换模块、信号调理模块、A/D转换模块、数字信号处理器连接，数字信号处理器连接有报警模块、供电模块，数字信号处理器与上位机连接，供电模块依次与第二电光转换模块、第二光电转换模块连接。本发明还公开了上述监测系统的监测方法：将传感器模块的应变片安装于复合横担的节点上，将采集的应变信号转换成电信号；将电信号经处理后得到适合AD采样范围的电信号转换成数字信号，将数字信号输入数字信号处理器、上位机内。本发明的监测系统及其监测方法实现对复合横担结构状态的实时动态监测。

Description

复合横担应力应变在线监测系统及其监测方法

技术领域

本发明属于输电线路在线监测系统技术领域，具体涉及一种复合横担应力应变在线监测系统，本发明还涉及上述复合横担应力应变在线监测系统的监测方法。

背景技术

复合横担是近年来新研制出的一种绝缘横担结构，目前已经得到了较为广泛推广及应用，但存在的重要问题在于：在绝缘横担的运行过程中缺乏对其运行维护的经验。

复合横担是绝缘杆塔中的重要组成部分，其机械状态直接关系到电网系统的安全、可靠及稳定运行，一旦发生故障将会带来巨大的损失。随着传感技术、现场总线技术和人工智能的日趋成熟，如今对复合横担应力应变监测已经成为可能。

复合横担应力应变在线监测系统可对其机械状态进行实时监测，不仅提高了复合横担机械检修的自动化程度，而且提高了复合横担结构损坏或突发事件的反应速度。复合横担应力应变在线监测主要是通过电阻应变式传感器，将应变片焊接于复合横担的多个节点处进行监测，然后将监测得到的结果传输到上位机中进行分析处理，从而确定复合横担的机械状态。电阻应变式传感器可用于测量应变、力等多种参数，具有动态响应快、测量精度高及使用简便的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合横担应力应变在线监测系统，不仅能对复合横担多节点进行监测，还采用光电转换与传感器之间用光纤连接进行供电和信号传输，实现了对复合横担应力应变进行实时动态监测。

本发明的另一目的在于提供上述复合横担应力应变在线监测系统的监测方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，复合横担应力应变在线监测系统，包括有传感器模块，传感器模块分别通过光纤连接有第一电光转换模块、第二光电转换模块，第一电光转换模块依次与第一光电转换模块、信号调理模块、A/D转换模块、数字信号处理器连接，数字信号处理器分别连接有报警模块、供电模块，数字信号处理器通过GPRS模块与上位机连接，供电模块通过光纤依次与第二电光转换模块、第二光电转换模块连接。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

传感器模块为电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器内的应变片采用的是具有温度自补偿功能的应变片。

供电模块由太阳能电池板与蓄电池联合组成。

本发明所采用的第二种技术方案是，复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将多个传感器模块的应变片分别安装于复合横担的各个节点上，由应变片采集到的应变信号通过电桥测量电路转换成电信号；

步骤2、将经步骤1获得的电信号依次通过第一电光转换模块、第一光电转换模块及信号调理模块进行处理，获得适合AD采样范围的电信号；

步骤3、将经步骤2获得的适合AD采样范围的电信号送入A/D转换模块内，将电信号转换成数字信号；

步骤4、将经步骤3获得的数字信号送入数字信号处理器内进行处理，再将处理后的数字信号通过GPRS模块送至上位机，期间利用报警模块进行实时监控，完成整个信号的处理和传输。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、将多个传感器模块的应变片焊接到复合横担的节点位置上，每个节点上焊接6个应变片，焊接好应变片后在上面涂上硅树脂作防潮剂；

利用供电模块内的太阳能电池板与第二电光转换模块和第二光电转换模块连接，将转换后的电能通过光纤传输给传感器模块，用于传感器模块供电；

步骤1.2、经步骤1.1在复合横担上安装好传感器模块后，利用传感器模块采集应变信号，并通过传感器模块内的电桥测量电路将应变信号转换成电信号。

步骤1.2中涉及的电桥测量电路，包括有4个桥臂电阻，这4个桥臂电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄，供电电压为U_i，电桥输出电压为U_o，R₁为应变片，ΔR₁为R₁随被测量变化而产生的增量，R₂、R₃、R₄为固定电阻，应变片是纵向应变，即ε₁＝ε_x  (1)；

$\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}={\mathrm{K\ϵ}}_1---\left(2\right);$

得到应变片的电桥输出电压U1_o为：

${U1}_o=\mathrm{Ui}\frac{(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1)R_3-R_2{R}_4}{(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2)(R_3+R_4)}---\left(3\right);$

继而得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{U1}_o(R_3+R_4)(1+R_2/R_1)+\mathrm{Ui}(R_2{R}_4/R_1-R_3)}{K[{\mathrm{UiR}}_3-{U1}_o(R_3+R_4)]}---\left(4\right);$

其中：U_i为电桥电路供电电压，K为电阻应变片的灵敏度系数，ε_x为测量位置的纵向应变；

则得到其他5个电桥测量电路采集的电压值分别为U2_o、U3_o、U4_o、U5_o、U6_o；

根据U_o max＝MAX(U1_o，U2_o，U3_o，U4_o，U5_o，U6_o)，得到一个节点处的最大输出电压值，然后利用式(4)将其转化成应变值，最后通过如下算法将其转化成应力值：

σ＝Eε   (6)。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、将步骤1获得的电信号经过光纤输送至第一电光转换模块，在第一电光转换模块内进行处理，之后再输送至第一光电转换模块内进行处理；

步骤2.2、将经步骤2.1处理后的电信号送入信号调理模块内进行低通滤波，将输入电信号中的高频干扰信号滤除，滤除掉频率为20kHz以上的干扰信号，然后对过滤后的电信号进行差分放大，将其转换成适合AD采样范围的电信号。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、由供电模块为数字信号处理器供电；

将经步骤3得到的数字信号输送至数字信号处理器内，由数字信号处理器对输入的数字信号进行信号处理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号；

同时，将经步骤3得到的数字信号在数字信号处理器中的设定值进行比较，若待测点处的应力值超过了许用应力，则数字信号处理器驱动报警模块进行报警；

步骤4.2、将经步骤4.1得到的相应相频、幅频和谐波信号通过GPRS模块传输到上位机内，完成整个信号的处理和传输。

本发明的有益效果在于：

1.在本发明复合横担应力应变在线监测系统中，采用具有温度自补偿功能的应变片，一方面可以消除外界温度变化时应变片与横担热膨胀系数不同而造成的测量误差；另一方面可以补偿因外界温度变化而导致的应变片自身阻值的变化。

2.本发明复合横担应力应变在线监测系统中，不仅在后台设置有报警装置，还在设备上也设置了报警模块，这样更加便于操作人员及时发现故障，及时采取措施处理故障，避免了重大事故的发生。

3.本发明复合横担应力应变在线监测系统采用GPRS进行无线数据收发，既保证了信号传输的可靠性，又避免了雷击等自然灾害对设备和信号传输造成的损害。

4.本发明复合横担应力应变在线监测系统在复合横担的多个节点上均安装电阻应变式传感器，每个节点安装6个传感器，进行应力应变实时监测，从而获取多个节点应力变化的最大值，这样可以充分反映复合横担的机械状态。

附图说明

图1是本发明复合横担应力应变在线监测系统的结构示意图；

图2是本发明复合横担应力应变在线监测系统内的电桥电路图。

图中，1.传感器模块，2.第一电光转换模块，3.第一光电转换模块，4.信号调理模块，5.A/D转换模块，6.数字信号处理器，7.报警模块，8.GPRS模块，9.上位机，10.供电模块，11.第二电光转换模块，12.第二光电转换模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明复合横担应力应变在线监测系统，其结构如图1所示，包括有传感器模块1，传感器模块1分别通过光纤连接有第一电光转换模块2、第二光电转换模块12，第一电光转换模块2依次与第一光电转换模块3、信号调理模块4、A/D转换模块5、数字信号处理器6连接，数字信号处理器6分别连接有报警模块7、供电模块10，数字信号处理器6通过GPRS模块8与上位机9连接，供电模块10通过光纤依次与第二电光转换模块11、第二光电转换模块12连接。

本发明复合横担应力应变在线监测系统中各部件的作用如下：

传感器模块1采用的是电阻应变式传感器，电阻应变式传感器中的应变片选择具有温度自补偿功能的应变片，能够用来消除外界温度变化时因应变片与复合横担热膨胀系数不同而造成的测量误差；传感器模块1的安装方式为：直接将其应变片焊接在复合横担的节点上。

第一电光转换模块2是将传感器模块1采集到的电信号转换成光信号。

第一光电转换模块3是将光信号转换成电信号。

信号调理模块4具有信号滤波、差分放大的作用，主要是将输入电信号中的高频干扰信号滤除，然后对过滤后的电信号进行差分放大，其中，高频干扰信号是指频率为20kHz以上的干扰信号。

A/D转换模块5是将模拟信号转换为数字信号。

报警模块7：将实时采集的现场数据与数字信号处理器6中的设定值进行比较，当测点应力超过许用应力则数字信号处理器驱动报警模块7进行报警，报警模块7内设置有单片机和蜂鸣器。

与数字信号处理器6通过GPPRS模块8连接的上位机9，主要用于对接收的应力应变数据进行分析处理、实时显示和报警。

供电模块10采用太阳能电池板与蓄电池联合供电。

本发明复合横担应力应变在线监测系统为了在绝缘复合横担上能够进行信号传输，分别采用了两个光电转换模块(即第一光电转换模块3和第二光电转换模块12)和两个电光转换模块(即第一电光转换模块2、第二电光转换模块11)，其目的在于：传感器模块1与第一电光转换模块2之间通过光纤连接后，用于信号传输；传感器模块1和第二光电转换模块12之间通过光纤连接，用于传感器模块1的供电。

本发明复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将多个传感器模块1的应变片分别安装于复合横担的各个节点上，由应变片采集到的应变信号通过电桥测量电路转换成电信号，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、将多个传感器模块1的应变片分别安装到复合横担的节点位置上，每个节点上安装6个应变片；

应变片直接焊接于复合横担上，然后在上面涂上硅树脂作防潮剂；

供电模块10内的太阳能电池板与第二电光转换模块11和第二光电转换模块12连接，将转换后的电能通过光纤传输给传感器模块1，用于传感器模块1供电；

步骤1.2、经步骤1.1在复合横担上安装好传感器模块1后，利用传感器模块1采集应变信号，并通过传感器模块1内的电桥测量电路将应变信号转换成电信号；

传感器模块1内设置有电桥测量电路，其工作原理是将复合横担产生的应变转换，得到应变片电阻值的变化，再转换成电压的变化；每个应变片均由一个电桥测量电路组成，通过采集每个应变片的应变值，然后转化成应力值，对其进行比较，以获取每个节点应力变化的最大值；

电桥测量电路，如图2所示，包括有4个桥臂电阻，这4个桥臂电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄，供电电压为U_i，电桥输出电压为U_o，R₁为应变片，ΔR₁为R₁随被测量变化而产生的增量，R₂、R₃、R₄为固定电阻，应变片是纵向应变，即ε₁＝ε_x  (1)；

$\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}={\mathrm{K\ϵ}}_1---\left(2\right);$

得到应变片的电桥输出电压U1_o为：

${U1}_o=\mathrm{Ui}\frac{(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1)R_3-R_2{R}_4}{(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2)(R_3+R_4)}---\left(3\right);$

即得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{U1}_o(R_3+R_4)(1+R_2/R_1)+\mathrm{Ui}(R_2{R}_4/R_1-R_3)}{K[{\mathrm{UiR}}_3-{U1}_o(R_3+R_4)]}---\left(4\right);$

式中：U_i为电桥电路供电电压，K为电阻应变片的灵敏度系数，ε_x为测量位置的纵向应变；

以此类推，即可得到其他5个电桥测量电路采集的电压值分别为U2_o、U3_o、U4_o、U5_o、U6_o；

U_o max＝MAX(U1_o，U2_o，U3_o，U4_o，U5_o，U6_o)  (5)；

根据式(5)即可得到一个节点处的最大输出电压值，然后利用式(4)将其转化成应变值，最后通过如下算法将其转化成应力值；

σ＝Eε    (6)；

步骤2、将经步骤1获得的电信号依次通过第一电光转换模块2、第一光电转换模块3及信号调理模块4进行处理，获得适合AD采样范围的电信号，具体按照以下步骤实施；

步骤2.1、将步骤1获得的电信号经过光纤输送至第一电光转换模块2，在第一电光转换模块2内进行处理，之后再输送至第一光电转换模块3内进行处理；

步骤2.2、将经步骤2.1处理后的电信号送入信号调理模块4内进行低通滤波，将输入电信号中的高频干扰信号滤除，滤除掉频率为20kHz以上的干扰信号，然后对过滤后的电信号进行差分放大，将其转换成适合AD采样范围的电信号；

步骤3、将经步骤2获得的适合AD采样范围的电信号送入A/D转换模块5内，将电信号转换成数字信号；

步骤4、将经步骤3获得的数字信号送入数字信号处理器6内进行处理，再将处理后的数字信号通过GPRS模块8送至上位机9，期间利用报警模块7进行实时监控，完成整个信号的处理和传输，具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、由供电模块10为数字信号处理器6供电；

将经步骤3得到的数字信号输送至数字信号处理器6内，由数字信号处理器6对输入的数字信号进行信号处理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号；

同时，将经步骤3得到的数字信号在数字信号处理器6中的设定值进行比较，若待测点处的应力值超过了许用应力，则数字信号处理器6驱动报警模块7进行报警；

步骤4.2、将经步骤4.1得到的相应相频、幅频和谐波信号通过GPRS模块8传输到上位机9内，完成整个信号的处理和传输。

本发明复合横担应力应变在线监测系统及其监测方法，实现对复合横担应力应变进行实时动态监测，在复合横担的多个节点处安装电阻应变式传感器，通过电桥测量电路将应变的变化转化为电压的变化，采用光电转换与传感器之间用光纤连接进行供电和信号传输，然后对信号进行处理得到相应的相频、幅频和谐波信号，然后将其传输到上位机，进行分析处理、实时显示和报警，以实现对复合横担结构状态的实时动态监测。

Claims (9)

1.复合横担应力应变在线监测系统，其特征在于，包括有传感器模块(1)，所述传感器模块(1)分别通过光纤连接有第一电光转换模块(2)、第二光电转换模块(12)，所述第一电光转换模块(2)依次与第一光电转换模块(3)、信号调理模块(4)、A/D转换模块(5)、数字信号处理器(6)连接，数字信号处理器(6)分别连接有报警模块(7)、供电模块(10)，所述数字信号处理器(6)通过GPRS模块(8)与上位机(9)连接；

所述供电模块(10)通过光纤依次与第二电光转换模块(11)、第二光电转换模块(12)连接。

2.根据权利要求1所述的复合横担应力应变在线监测系统，其特征在于，所述传感器模块(1)为电阻应变式传感器。

3.根据权利要求2所述的复合横担应力应变在线监测系统，其特征在于，所述电阻应变式传感器内的应变片采用的是具有温度自补偿功能的应变片。

4.根据权利要求1所述的复合横担应力应变在线监测系统，其特征在于，所述供电模块(10)由太阳能电池板与蓄电池联合组成。

5.一种如权利要求1所述的复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将多个传感器模块(1)的应变片分别安装于复合横担的各个节点上，由应变片采集到的应变信号通过电桥测量电路转换成电信号；

步骤2、将经步骤1获得的电信号依次通过第一电光转换模块(2)、第一光电转换模块(3)及信号调理模块(4)进行处理，获得适合AD采样范围的电信号；

步骤3、将经步骤2获得的适合AD采样范围的电信号送入A/D转换模块(5)内，将电信号转换成数字信号；

步骤4、将经步骤3获得的数字信号送入数字信号处理器(6)内进行处理，再将处理后的数字信号通过GPRS模块(8)送至上位机(9)，期间利用报警模块(7)进行实时监控，完成整个信号的处理和传输。

6.根据权利要求5所述的复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、将多个传感器模块(1)的应变片焊接到复合横担的节点位置上，每个节点上焊接6个应变片，焊接好应变片后在上面涂上硅树脂作防潮剂；

利用供电模块(10)内的太阳能电池板与第二电光转换模块(11)和第二光电转换模块(12)连接，将转换后的电能通过光纤传输给传感器模块(1)，用于传感器模块(1)供电；

步骤1.2、经步骤1.1在复合横担上安装好传感器模块(1)后，利用传感器模块(1)采集应变信号，并通过传感器模块(1)内的电桥测量电路将应变信号转换成电信号。

7.根据权利要求6所述的复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤1.2中涉及的电桥测量电路，包括有4个桥臂电阻，这4个桥臂电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄，供电电压为U_i，电桥输出电压为U_o，R₁为应变片，ΔR₁为R₁随被测量变化而产生的增量，R₂、R₃、R₄为固定电阻，应变片是纵向应变，即ε₁＝ε_x(1)；

$\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}=K{\mathrm{\ϵ}}_1---\left(2\right);$

得到应变片的电桥输出电压U1_o为：

${U1}_o=\mathrm{Ui}\frac{(R_1+\mathrm{\Δ}{R}_1)R_3-R_2{R}_4}{(R_1+\mathrm{\Δ}{R}_1+R_2)(R_3+R_4)}---\left(3\right);$

继而得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{U1}_o(R_3+R_4)(1+R_2/R_1)+\mathrm{Ui}(R_2{R}_4/R_1-R_3)}{K[\mathrm{Ui}{R}_3-{U1}_o(R_3+R_4)]}---\left(4\right);$

其中：U_i为电桥电路供电电压，K为电阻应变片的灵敏度系数，ε_x为测量位置的纵向应变；

则得到其他5个电桥测量电路采集的电压值分别为U2_o、U3_o、U4_o、U5_o、U6_o；

根据U_omax＝MAX(U1_o，U2_o，U3_o，U4_o，U5_o，U6_o)，得到一个节点处的最大输出电压值，然后利用式(4)将其转化成应变值，最后通过如下算法将其转化成应力值：

σ＝Eε   (6)。

8.根据权利要求5所述的复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、将步骤1获得的电信号经过光纤输送至第一电光转换模块(2)，在第一电光转换模块(2)内进行处理，之后再输送至第一光电转换模块(3)内进行处理；

步骤2.2、将经步骤2.1处理后的电信号送入信号调理模块(4)内进行低通滤波，将输入电信号中的高频干扰信号滤除，滤除掉频率为20kHz以上的干扰信号，然后对过滤后的电信号进行差分放大，将其转换成适合AD采样范围的电信号。

9.根据权利要求5所述的复合横担应力应变在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、由供电模块(10)为数字信号处理器(6)供电；

将经步骤3得到的数字信号输送至数字信号处理器(6)内，由数字信号处理器(6)对输入的数字信号进行信号处理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号；

同时，将经步骤3得到的数字信号在数字信号处理器(6)中的设定值进行比较，若待测点处的应力值超过了许用应力，则数字信号处理器(6)驱动报警模块(7)进行报警；

步骤4.2、将经步骤4.1得到的相应相频、幅频和谐波信号通过GPRS模块(8)传输到上位机(9)内，完成整个信号的处理和传输。