CN104568251A - 一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统及其实现的数学模型 - Google Patents

Abstract

一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，将塔基土体的压力转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与光纤Bragg光栅解调仪连接，利用光纤Bragg光栅解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。本系统直接将光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，通过把土压力传感器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塔基土压力的状态进行实时在线监测，因此本系统的测量更准确，测到的各项数值更能反映塔基的健康状况。

Description

一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统及其实现的数学模型

技术领域

本发明具体涉及电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，属光电子测量技术领域。

背景技术

高压输电线路基本都采用架空线路，由于架设在空中，要承受自重、风力、冰雪等机械力的作用和空气中有害气体的侵蚀，同时还受温度变化的影响，运行条件恶劣。恶劣的冰灾天气会严重影响到输电安全，如2008年初的冰灾使得导线压断、塔基倒塌，严重影响了输电线路的安全。塔基周围挖沙石、挖土方会破坏塔基的地基，也会影响到输电线路的安全。塔基周围经常有挖沙石、玩土方的情况，一旦接近地基就有可能影响塔基的稳定，也将严重影响了输电线路的安全。

与本测量系统最接近的监测系统是一种特高压输电线路在线监测系统(参见文献：陈海波，“特高压输电线路在线监测技术的应用”，《电网技术》，2009年5月，第10期)。该方案涉及基于全球移动通信系统(GSM)对运行杆塔倾斜情况的实时监控和预警。因为是通过对塔杆的倾斜监测来间接判断塔基的移位，所以该技术不能直接反映塔基的健康状况。

发明内容

本发明的目的是提供电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，其测量准确，更能反映塔基土压力的复杂受力情况，可实现实时在线监测。

实现本发明目的所采取的技术方案是：将光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，将塔基土体的压力转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与光纤Bragg光栅解调仪连接，利用光纤Bragg光栅解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

本发明所述的光纤Bragg光栅土压力传感器的最佳埋放位置是在塔基的侧面，这样可以有效获得较准确的光纤Bragg光栅的波长移位值。

本发明的数学模型如下：

当光纤Bragg光栅土压力传感器受到非均布的偏心土压力P_{r，θ}作用时，与传感器表面垂直的平均法向土压力p₀由P_{r，θ}在土压力盒的一次膜片上的积分可得：

$p_0=\frac{{\∫}_{S_1}{P}_{\{r,\mathrm{\θ}\}}\mathrm{ds}}{S_1}---\left(1\right)$

式(1)中，S₁为一次膜片的总面积，r为一次膜片半径，θ为偏心土压力与一次膜片的夹角。

在传感器受到平均压力p₀后，土压力盒的二次膜片会受到均布压力p₀。此时二次膜片产生的挠度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}_2^2){(r_2^2-x^2)}^2}{16E_2{t}_2^3}{p}_0---\left(2\right)$

式(2)中，t₂为二次膜片厚度，E₂为二次膜片杨氏弹性模量，μ₂为二次膜片泊松比，r₂为二次膜片半径，x为从二次膜片中心沿半径方向的距离。

悬臂梁上的应变ε与匀布压力p₀的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{p}_0---\left(3\right)$

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε          (4)

式(4)中，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为波长移位量，P_e为有效弹-光系数，P_e＝0.22，ε为轴向应变量，h为土压力传感器中等强度悬臂梁厚度，l为土压力传感器中等强度悬臂梁长度，t₂为二次膜片厚度。

把(3)式代入(4)式，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与传感器所受到的法向土压力p₀的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=p_0(1-P_e)\frac{3h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{\mathrm{\λ}}_B---\left(5\right).$

本发明在电力铁塔的相对的2个塔基处埋放2个光纤Bragg光栅土压力传感器。

本发明的有益效果是：

实现了电力输电铁塔塔基土压力的实时在线监测，本测量系统直接将光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，通过把土压力传感器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塔基土压力的状态进行实时在线监测，因此本系统的测量更准确，测到的各项数值更能反映塔基的健康状况。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，本发明特征是：光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，将塔基土体的压力转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与光纤Bragg光栅解调仪连接，利用光纤Bragg光栅解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

本发明在电力铁塔的2个正对着的塔基处埋放2个光纤Bragg光栅土压力传感器。

实现一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统的数学模型，该数学模型为：

当光纤Bragg光栅土压力传感器受到非均布的偏心土压力P_{r，θ}作用时，与传感器表面垂直的平均法向土压力p₀由P_{r，θ}在土压力盒的一次膜片上的积分可得：

$p_0=\frac{{\∫}_{S_1}{P}_{\{r,\mathrm{\θ}\}}\mathrm{ds}}{S_1}---\left(1\right)$

式(1)中，S₁为一次膜片的总面积，r为一次膜片半径，θ为偏心土压力与一次膜片的夹角。

在传感器受到平均压力p₀后，土压力盒的二次膜片会受到均布压力p₀。此时二次膜片产生的挠度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}_2^2){(r_2^2-x^2)}^2}{16E_2{t}_2^3}{p}_0---\left(2\right)$

式(2)中，t₂为二次膜片厚度，E₂为二次膜片杨氏弹性模量，μ₂为二次膜片泊松比，r₂为二次膜片半径，x为从二次膜片中心沿半径方向的距离。

悬臂梁上的应变ε与匀布压力p₀的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{p}_0---\left(3\right)$

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε          (4)

式(4)中，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为波长移位量，P_e为有效弹-光系数，P_e＝0.22，ε为轴向应变量，h为土压力传感器中等强度悬臂梁厚度，l为土压力传感器中等强度悬臂梁长度，t₂为二次膜片厚度。

把(3)式代入(4)式，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与传感器所受到的法向土压力p₀的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=p_0(1-P_e)\frac{3h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{\mathrm{\λ}}_B---\left(5\right).$

具体步骤为：

1.沿塔基底柱开凿一个(约1.5)米深的孔洞，将土压力传感器放入孔洞中。

2.将压力盒沿塔基底柱两个相连边放入槽中，传感器周围人工回填剔除粒半径8cm以上的混凝土，用人工捣实且不得触及仪器。并注意保护仪器光缆。

3.光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ₁＝1535.000nm，λ₂＝1528.000nm。

4.将两条通道引出的光纤与接续盒中光缆的纤芯通过熔接的方式相连接，并将接续盒埋设于铁塔塔基附近。

5.将光缆通过埋设的方式引入主控室，再与光纤光栅解调仪相连，从而获取光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

Claims (3)

1.一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，其特征是：光纤Bragg光栅土压力传感器埋放在电力铁塔塔基的侧面，将塔基土体的压力转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过光纤与光纤Bragg光栅解调仪连接，利用光纤Bragg光栅解调仪得出光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

2.按照权利要求1所述的一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统，其特征是：在电力铁塔的2个正对着的塔基处埋放2个光纤Bragg光栅土压力传感器。

3.实现权利要求1所述的一种电力铁塔塔基土压力的光纤Bragg光栅检测系统的数学模型，其特征在于，该数学模型为：

当光纤Bragg光栅土压力传感器受到非均布的偏心土压力P_{r，θ}作用时，与传感器表面垂直的平均法向土压力p₀由P_{r，θ}在土压力盒的一次膜片上的积分可得：

$p_0=\frac{{\∫}_{S_1}{P}_{\{r,\mathrm{\θ}\}}\mathrm{ds}}{S_1}---\left(1\right)$

式(1)中，S₁为一次膜片的总面积，r为一次膜片半径，θ为偏心土压力与一次膜片的夹角；

在传感器受到平均压力p₀后，土压力盒的二次膜片会受到均布压力p₀；此时二次膜片产生的挠度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}_2^2){(r_2^2-x^2)}^2}{16E_2{t}_2^3}{p}_0---\left(2\right)$

式(2)中，t₂为二次膜片厚度，E₂为二次膜片杨氏弹性模量，μ₂为二次膜片泊松比，r₂为二次膜片半径，x为从二次膜片中心沿半径方向的距离；

悬臂梁上的应变ε与匀布压力p₀的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{p}_0---\left(3\right)$

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε    (4)

式(4)中，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为波长移位量，P_e为有效弹-光系数，P_e＝0.22，ε为轴向应变量，h为土压力传感器中等强度悬臂梁厚度，l为土压力传感器中等强度悬臂梁长度，t₂为二次膜片厚度；

把(3)式代入(4)式，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与传感器所受到的法向土压力p₀的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=p_0(1-P_e)\frac{3h(1-{\mathrm{\μ}}_2^2)r_2^4}{16E_2{l}^2{t}_2^3}{\mathrm{\λ}}_B---\left(5\right)$

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