CN105387958A - 一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器及方法 - Google Patents

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胡江华
戴栋
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress

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Abstract

本发明公开了一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，包括：敏感器件、转换器件、信号处理模块、单片机、WiFi转串口模块、电源模块、上位机/计算机，所述敏感器件为力敏感元件，用于采集杆塔受到的应力；所述转换器件用于将输入信号转化为电信号；所述信号处理模块用于处理转换器件输出的电信号；所述单片机用于将传来的信号进行模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯；所述单片机通过无线WiFi模式与上位机/计算机进行通讯。本发明还公开了一种采用所述的智能应力传感器进行输电铁塔监测的方法。本发明克服了现有输电铁塔应力在线监测的数据采集和处理的诸多缺点，克服环境因素对采集数据可靠性、准确性的影响。

Description

一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器及方法
技术领域
本发明涉及输电线路在线监测领域，特别涉及一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器及方法。
背景技术
输电线路遭受台风影响的问题受到广泛关注，而在线监测技术多集中在导线拉力、微气象因素、泄漏电流和图像监控层面，其数据采集也没有反映输电铁塔在受到外力作用时内在特性的变化情况。
目前输电铁塔的可靠性一方面是靠合理的设计、正确的施工来保障，这种方法的前提是输电铁塔建成后的实际性态与设计的预定性态具有一致性，然而由于工程结构受到以下几方面因素的影响，结构设计与实际运行不可避免的存在偏差：设计经验的限制，比如全球气候变化而导致之前的台风路径变化和台风强度对输电铁塔的影响都超出了以往设计经验的考量；由于施工误差或错误照成实际结构与设计不符；偶然超载如线路台风、沿海腐蚀等照成的结构性变化。另一方面依赖事后维修和定时维护来实现的，而事后维修缺乏及时性、主动性，定期维护缺乏目的性与经济性。
目前输电杆塔荷载时的应力监测的研究，普遍采用的手段是用力学传感器来采集信号再接测量，工作模式单一，外接测量装置不便，数据处理功能低，长期的在线监测环境因素对结果影响大，难以满足输电铁塔结构监测应用的复杂性和可靠性的要求。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种用于监测输电铁塔的智能应力传感器及方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，包括：
敏感器件，所述敏感器件为力敏感元件，用于采集杆塔受到的应力信号；
转换器件，用于将来自敏感器件的输入信号转化为电信号；
信号处理模块，用于处理转换器件输出的电信号，包括信号滤波、放大；
单片机、用于将信号处理模块传来的电信号进行模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯处理；
WiFi转串口模块，与单片机电路相连，用于通过无线WiFi模式与上位机/计算机进行通讯；
电源模块，所述电源模块分别与转换器件、信号处理模块和单片机相连，用于供电；
上位机/计算机，通过无线WiFi模式与WiFi转串口模块进行通讯，用于监控和数据接收及数据的保存和处理，直观的反映杆塔的受力。
所述电源模块分别与转换器件、信号处理模块和单片机相连；敏感器件与转换器件相连，转换器件与信号处理模块相连，信号处理模块与单片机相连，单片机与WiFi转串口模块相连；
进一步地，所述单片机型号为stm32f103c8t6。
进一步地，所述WiFi串口模块采用USR-WIFI232-B。
进一步地，所述电源模块采用风力发电装置、太阳能发电装置和蓄电池联合供电。
一种采用所述的智能应力传感器进行输电铁塔监测的方法，包括如下步骤：
第一步：检查并确认连接线，开启电源模块，启动上位机/计算机；
第二步：初始化智能应力传感器；
第三步：实验测量记录敏感器件力与电阻的关系，即施加连续外力在敏感器件上，用调节惠斯通电桥测量其电阻与力的关系，并将二者关系用数学表达式给出，再将其输入单片机；
第四步：输电铁塔发生风振时，敏感器件和转换器件将输电铁塔受到的应力转化为电信号；
第五步：信号处理模块将转换器件传来的电信号经过处理后再传输给单片机；
第六步：单片机将信号处理模块输出的电信号通过处理运算后由WiFi转串口模块以无线WiFi模式的数据通讯方式传给上位机/计算机；
第七步：上位机/计算机接受单片机传来的数据以概率统计的形式将不同区间段数据加以统计，并将数据用图表的方式呈现，以方便查看和调用。
进一步地，所述第五步中信号处理模块处理过程包括：信号滤波、放大。
进一步地，所述第六步中单片机处理运算过程包括：模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：
1、用于输电铁塔动监测的智能应力传感器，克服了现有输电铁塔应力在线监测的数据采集和处理的诸多缺点。
2、相比目前部分应用在输电铁塔在线监测的应力传感器，本发明中的智能应力传感器在不同的气候环境中可以通过单片机来进行数据校正，能克服环境因素对采集数据可靠性、准确性的影响。
3、传感设备无需断电对电力系统稳定运行无影响。
4、供电方式采用风能、太阳能和蓄电池联合供电，节能环保的同时保证供电可靠性。
5、本智能应力传感器也可以根据不同时期的需求，程序方面更新达到用户的目的，有很强的推广价值。
附图说明
图1是本发明的智能应力传感器的装置示意图。
图2是本发明的智能应力传感器的结构框图。
图3是本发明的智能应力传感器安装示意图。
图中示出：1-敏感器件，2-转换器件，3-信号处理模块，4-单片机，5-WiFi转串口模块，6-天线，7-电源模块，8-风力发电装置，9-太阳能发电装置，10-智能应力传感器，11-蓄电池，12-无线网络，13-上位机/计算机，14-输电铁塔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1和图2所示，一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，包括：
敏感器件1，所述敏感器件为力敏感元件，用于采集杆塔受到的应力信号；
转换器件2，用于将来自敏感器件1的输入信号转化为电信号；
信号处理模块3，用于处理转换器件2输出的电信号，包括信号滤波、放大；
单片机4、用于将信号处理模块3传来的电信号进行模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯处理，所述单片机4型号为stm32f103c8t6；
WiFi转串口模块5，与单片机电路相连，用于通过无线WiFi模式与上位机/计算机13进行通讯，所述WiFi串口模块5采用USR-WIFI232-B，包括有天线6；
电源模块7，所述电源模块分别与转换器件、信号处理模块和单片机相连，用于供电，所述电源模块7采用风力发电装置8、太阳能发电装置9和蓄电池11联合供电，节能环保的同时保证供电可靠性；
上位机/计算机13，通过无线WiFi模式与WiFi转串口模块5进行通讯，用于监控和数据接收及数据的保存和处理，直观的反映杆塔的受力。
所述电源模块分别与转换器件、信号处理模块和单片机相连；敏感器件与转换器件相连，转换器件与信号处理模块相连，信号处理模块与单片机相连，单片机与WiFi转串口模块相连；
本实施例在不同的气候环境中可以通过单片机来进行数据校正，能克服环境因素对采集数据可靠性、准确性的影响。传感设备无需断电对电力系统稳定运行无影响。供电方式采用风能、太阳能和蓄电池联合供电，节能环保的同时保证供电可靠性。
实施例二
如图3所示，将智能应力传感器安装于输电铁塔14的适当位置，其中，上位机/计算机13可设置于监控室内，一种采用所述的智能应力传感器进行输电铁塔监测的方法，包括如下步骤：
第一步：检查并确认连接线，开启电源模块7，所述电源模块7采用风力发电装置8、太阳能发电装置9和蓄电池11联合供电启动上位机/计算机13；
第二步：初始化智能应力传感器10；
第三步：实验测量记录敏感器件1力与电阻的关系，即施加连续外力在敏感器件1上，用调节惠斯通电桥测量其电阻与力的关系，并将二者关系用数学表达式给出，再将其输入单片机4；
第四步：输电铁塔4发生风振时，敏感器件1和转换器件2将输电铁塔4受到的应力转化为电信号；
第五步：信号处理模块3将转换器件2传来的电信号经过处理后再传输给单片机4，处理过程包括：信号滤波、放大；
第六步：单片机4将信号处理模块3输出的电信号通过处理运算后由WiFi转串口模块5以无线WiFi模式的数据通讯方式传给上位机/计算机13，所述单片机4处理运算过程包括：模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯；
第七步：上位机/计算机13接受单片机4通过以WiFi转串口模块5为基础的无线网络12传来的数据以概率统计的形式将不同区间段数据加以统计，并将数据用图表的方式呈现，以方便查看和调用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，其特征在于，包括：
敏感器件(1)，所述敏感器件为力敏感元件，用于采集杆塔受到的应力信号；
转换器件(2)，用于将来自敏感器件(1)的输入信号转化为电信号；
信号处理模块(3)，用于处理转换器件(2)输出的电信号，包括信号滤波、放大；
单片机(4)、用于将信号处理模块(3)传来的电信号进行模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯处理；
WiFi转串口模块(5)，与单片机电路相连，用于通过无线WiFi模式与上位机/计算机(13)进行通讯；
电源模块(7)，所述电源模块分别与转换器件、信号处理模块和单片机相连，用于供电；
上位机/计算机(13)，通过无线WiFi模式与WiFi转串口模块(5)进行通讯，用于监控和数据接收及数据的保存和处理，直观的反映杆塔的受力。
2.根据权利要求1所述一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，其特征在于：所述单片机(4)型号为stm32f103c8t6。
3.根据权利要求1所述一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，其特征在于：所述WiFi串口模块(5)采用USR-WIFI232-B。
4.根据权利要求1所述一种用于输电铁塔监测的智能应力传感器，其特征在于：所述电源模块(7)采用风力发电装置(8)、太阳能发电装置(9)和蓄电池(11)联合供电。
5.一种采用权利要求1-4中任一项所述的智能应力传感器进行输电铁塔监测的方法，包括如下步骤：
第一步：检查并确认连接线，开启电源模块(7)，启动上位机/计算机(13)；
第二步：初始化智能应力传感器；
第三步：实验测量记录敏感器件(1)力与电阻的关系，即施加连续外力在敏感器件(1)上，用调节惠斯通电桥测量其电阻与力的关系，并将二者关系用数学表达式给出，再将其输入单片机(4)；
第四步：输电铁塔(4)发生风振时，敏感器件(1)和转换器件(2)将输电铁塔(4)受到的应力转化为电信号；
第五步：信号处理模块(3)将转换器件(2)传来的电信号经过处理后再传输给单片机(4)；
第六步：单片机(4)将信号处理模块(3)输出的电信号通过处理运算后由WiFi转串口模块(5)以无线WiFi模式的数据通讯方式传给上位机/计算机(13)；
第七步：上位机/计算机(13)接受单片机(4)传来的数据以概率统计的形式将不同区间段数据加以统计，并将数据用图表的方式呈现，以方便查看和调用。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述第五步中信号处理模块处理过程包括：信号滤波、放大。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述第六步中单片机(4)处理运算过程包括：模数转换、数据校正、拉格朗日插值、数据通讯。
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