CN107367346B - 一种高压输电线张力无线无源检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线张力无线无源检测系统，包括张力传感器、夹持与张力传递机构以及无线阅读器；张力传感器通过夹持与张力传递机构安装于高压输电线的待检测处，并与无线阅读器信号传输连接。本发明通过表面横波应变敏感理论模型，综合应变灵敏度和频率温度系数等特性参数，设计专用的高压输电线张力测量的夹持和张力传递机构，可在输电线上任何被测点方便安装，并可防止弯矩、扭转等对张力测量产生影响。通过无线阅读器远距离查询安装在输电线上的STW谐振器频率偏移，即可得到检测点的张力值。无线阅读器可以安装在移动平台上，能够在10米远的距离对表面横波张力传感器进行巡检。

Description

一种高压输电线张力无线无源检测系统

技术领域

本发明涉及高压输电线张力检测技术领域，具体地，涉及一种基于表面横波(STW)的高压输电线张力无线无源检测系统。

背景技术

对运行中的高压输电线张力进行在线检测，以便在张力过大时对电塔和输电线路进行调整，使其在安全张力范围内工作，对确保电力系统安全运行具有重要意义。

目前，检测输电线张力的方法主要有监控视频观察法和弧垂检测法。但这两种检测装置都是间接的测量，成本高，且存在恶劣条件下工作不稳定、检测数据难以处理以及检测可靠性较低等缺点。

也有专利提出基于应变片的输电线张力测量方法，具有测量精度高，操作方便等特点。但在野外高空环境，如何给应变测量系统的可靠供电和实现远距离数据传输是其实际应用的难点，同时高压线上存在的强电磁干扰也会影响应变系统工作的可靠性。

声表面波传感器具有无线、无源的特点，且具有测量精度高、体积小、准数字输出等优点，此外，它抗电磁干扰能力强，可工作于恶劣的环境中，因此可把声表面波传感器应用于高压输电线的张力测量。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提出了一种基于表面横波的用于高压输电线张力检测的无线无源检测系统。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种高压输电线张力无线无源检测系统，包括张力传感器、夹持与张力传递机构以及无线阅读器；其中，所述张力传感器通过夹持与张力传递机构安装于高压输电线的待检测处，并与无线阅读器信号传输连接。

优选地，所述张力传感器包括：弹性体、基片、STW谐振器a、STW谐振器b、焊盘以及传感器天线；其中：

所述弹性体的中段外表面设有方形截面；

所述基片固定于弹性体的方形截面上；

所述STW谐振器a和STW谐振器b正交放置于基片上；

所述STW谐振器a的IDT的两个上下电极分别与STW谐振器b的IDT的两个上下电极通过汇流金属排连接，构成并联差分结构；

所述焊盘通过绝缘层过渡粘贴在弹性体上；

所述传感器天线连接在焊盘上；

所述弹性体设置于夹持与张力传递机构上。

优选地，所述基片采用欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)的石英单晶基片。

优选地，所述STW谐振器a和STW谐振器b的结构参数如下：

优选地，所述夹持与张力传递机构包括：对称设置的两部分，其中每一部分均包括夹持件a、夹持件b、调节杆、调节螺母a、调节螺母b以及连接法兰；其中：

所述夹持件a和夹持件b的外端分别设置于调节杆的两端部上；

所述调节螺母a和调节螺母b分别设置于调节杆上夹持件a和夹持件b的外侧；

所述连接法兰设置于调节杆上夹持件a和夹持件b之间的中心位置处；

所述对称设置的两部分通过夹紧螺栓安装于电线的待检测位置；

所述张力传感器通过连接法兰设置于调节杆上。

优选地，所述无线阅读器包括控制和信号处理单元、射频发送单元、射频接收单元、环形器以及阅读器天线；其中：

所述阅读器天线通过环形器与射频接收单元相连接，所述射频接收单元通过控制和信号处理单元与射频发送单元相连接，所述射频发送单元通过环形器与阅读器天线；所述阅读器天线与张力传感器信号连接。

优选地，所述高压输电线张力无线无源检测系统还包括移动平台，所述无线阅读器安装于移动平台上。

优选地，所述移动平台采用无人机。

本发明提供的高压输电线张力无线无源检测系统，基于表面横波，通过表面横波应变敏感理论模型，综合应变灵敏度和频率温度系数等特性参数，优选用于制作STW谐振器的石英基片切型，优化设计STW谐振器的结构参数，得到高Q值(品质因数)谐振器。设计一种高压输电线张力测量的夹持与张力传递机构，可在输电线上任何被测点方便安装，并可防止弯矩、扭转等对张力测量产生影响。通过无线阅读器远距离查询安装在输电线上的STW谐振器频率偏移，即可得到检测点的张力值。无线阅读器可以安装在无人机等移动平台上，在10米远的距离对表面横波张力传感器进行巡检。工作时阅读器以扫频方式发射射频短脉冲查询信号，谐振器天线接收到射频查询信号后，通过逆压电效应将电磁波转化为沿压电基片表面传播的机械波，然后又通过压电效应将该机械波转换化为电磁波并通过谐振器天线发射出去，由阅读器天线接收回波信号并估计其中心频率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于表面横波的应变传感器，是本征无线无源的固态传感器，且具有很强的抗电磁干扰能力和很高的可靠性，它不同于对现有基于瑞利波模式的SAWR，具有更高的Q值，从而有利于实现高压输电线张力的远距离测量。

2、本发明同时在STWR基片切型选择上，根据数值分析和综合最优原则，选出具有较大应变灵敏度的石英基片切型，并利用石英晶体的对称特性在同一块基片上一次制作两个性能更加接近的谐振器直接构成差动结构以提高应变敏感度并进一步减少温度等共模干扰的影响。

3、本发明采用双谐振器一体化模式既有助于实现两个谐振器特性的高度一致，也避免了连线的复杂工艺及其带来的稳定性和可靠性问题。通过设计专用的夹持和张力传递机构，一方面便于现场的快速方便安装，又可在不损伤输电线的前提下实现可靠夹持和张力传递。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明高压输电线张力无线无源检测系统结构示意图；图中：11为被测输电线，12为夹持与张力传递机构，13为夹持与张力传递机构的调节杆，14为张力传感器，15为传感器天线；

图2为张力传感器结构示意图；图中：21为STW谐振器a，22为焊盘a，23为石英基片，24为STW谐振器b，25为弹性体，26为焊盘b，27为传感器天线，28为阅读器，29为阅读器天线；

图3为夹持与张力传递机构结构示意图；图中：31是被测输电线，32是夹持件A的上端，33是夹持件A的下端，34是夹紧螺栓，35是夹持件B的上端，36是夹持件B的下端，37是张力传感器，38是连接法兰，39是调节杆，310是调节螺母；

图4为张力传感器的两个声表面波谐振器(STW谐振器)差分后频率与所受张力的关系。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种高压输电线张力无线无源检测系统，包括张力传感器、夹持与张力传递机构以及无线阅读器；其中，所述张力传感器通过夹持与张力传递机构安装于高压输电线的待检测处，并与无线阅读器信号传输连接。

进一步地，所述张力传感器包括：弹性体、基片、STW谐振器a、STW谐振器b、焊盘以及传感器天线；其中：

所述弹性体的中段外表面设有方形截面；

所述基片固定于弹性体的方形截面上；

所述STW谐振器a和STW谐振器b正交放置于基片上；

所述STW谐振器a的IDT的两个上下电极分别与STW谐振器b的IDT的两个上下电极通过汇流金属排连接，构成并联差分结构；

所述焊盘通过绝缘层过渡粘贴在弹性体上；

所述传感器天线连接在焊盘上；

所述弹性体设置于夹持与张力传递机构上。

进一步地，所述基片采用欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)的石英单晶基汽。

进一步地，所述STW谐振器a和STW谐振器b的结构参数如下：

进一步地，所述夹持与张力传递机构包括：对称设置的两部分，其中每一部分均包括夹持件a、夹持件b、调节杆、调节螺母a、调节螺母b以及连接法兰；其中：

所述夹持件a和夹持件b的外端分别设置于调节杆的两端部上；

所述调节螺母a和调节螺母b分别设置于调节杆上夹持件a和夹持件b的外侧；

所述连接法兰设置于调节杆上夹持件a和夹持件b之间的中心位置处；

所述对称设置的两部分通过夹紧螺栓安装于电线的待检测位置；

所述张力传感器通过连接法兰设置于调节杆上。

进一步地，所述高压输电线张力无线无源检测系统还包括移动平台，所述无线阅读器安装于移动平台上。

进一步地，所述移动平台采用无人机。

本实施例提供了一种高压输电线张力无线无源检测系统，该系统利用表面横波模式(STW)的谐振器，通过优化选择基片切型和双谐振器一体化结构，从而实现高压输电线张力远距离测量的无线无源器件。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1所示，基于声表面波的高压输电线张力无线无源检测系统结构示意图，右边部分为张力传感器及夹持与张力传递机构示意图，声表面波谐振器(STW谐振器)粘贴在金属弹性体上，弹性体通过夹持与张力传递机构装夹在被测输电线上，输电线上的张力通过夹持与张力传递机构作用在弹性体上，从而通过测量弹性体上的应变来间接测量输电线上的张力。

如图2所示，为基于表面横波的声表面波双谐振器一体化的张力传感器结构示意图，包括弹性体25，弹性体25表面粘贴固定有长方形石英基片23，焊盘22通过绝缘层过渡粘贴在弹性体25上，用于现场安装时传感器天线27的连接。石英基片23上通过IC工艺一次制作有两个正交放置的STW(表面横波)谐振器a21和STW谐振器b24，STW谐振器a21的IDT(叉指换能器)的两个上下电极分别与STW谐振器b24的IDT的两个上下电极通过汇流金属排连接，从而构成并联差分结构。石英基片23粘贴在转轴弹性体25上，张力载荷作用产生的应变会通过弹性体与石英基片23之间的胶层传递到STW谐振器a21和STW谐振器b24上，从而引起STW谐振器a21和STW谐振器b24的谐振频率发生偏移，通过阅读器28查询STW谐振器a21和STW谐振器b24的频率偏移量就可得到输电线张力大小。STW谐振器a21和STW谐振器b24分别敏感纵向应变和横向应变，由STW谐振器a21和STW谐振器b24构成的差动测量结构，可以抑制共模干扰，提高测试系统灵敏度。以温度稳定性好、存在零温度系数切型、加工制作工艺成熟等优点的石英晶体作为谐振器基片材料，根据压电晶体各向异性的特点，通过弹性力学的有限变形理论和压电晶体的本构方程及波动方程，结合力学、电学边界条件，利用摄动理论建立STW应变敏感机理的理论模型和SAW频率偏移与张力载荷之间的关系模型，通过数值计算分析不同切型下的STW灵敏度、机电耦合系数、温度系数等关键参数，综合选择具有较小频率温度系数(TCF)，较大机电耦合系数和较高应变敏感特性的切向作为制作STW谐振器的基片的切割和波传播方向。本实例选用了欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)的石英基片作为表面横波谐振器的基片。

在确定了谐振器的基片切型后，进一步利用桥本公开的FEM/SDA软件和COM理论设计谐振器的IDT与反射栅的指对数、宽度、间隔、镀膜厚度等结构参数，以获得高品质因数(Q值)、低插入损耗的STW谐振器。本实施例设计的中心频率为435MHz和438MHz两种STW结构参数如表1所示，理论仿真该结构器件的Q值可以达到14925。

表1 STW谐振器设计参数

实际制作的两种谐振器利用网络分析仪测试结果，435MHz谐振器的中心频率是435.80MHz，插入损耗是11.8dR，Q值是12301。438MHz谐振器中心频率为438.79MHz，插入损耗是11.42dB，Q值是11594。表明设计和制作的STW谐振器的性能良好，可以满足测量需求。

如图3所示，为夹持和张力传递机构结构示意图。在被测输电线31上通过紧固螺栓4将夹持件A(32、33)和B(35、36)固定在被测输电线上。夹持件上下均固定有通过连接法兰38连接表面横波张力传感器37的调节杆39。调节杆通过调节螺母310可以调节左右夹持件A、B之间的距离，使左右夹持件A、B之间的被测输电线31完全松弛，从而是张力全部作用在张力传感器37上。整个夹持和张力传递机构包括完全对称的上下两部分，可防止弯矩、扭转等对张力测量产生影响。为了抑制温度、振动和多普勒效应等共模干扰，张力传感器37上包括纵横正交放置的一对STW谐振器，测试时把这两组谐振器去零位数据进行差分，并进行最小二乘法直线拟合，得到的拟合结果如图4所示，结果表明测试结果准确可靠。

在本实施例中：

基片为石英单晶基片，切型欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)。

STW谐振器的IDT指对数为300，反射栅数为300×2，金属栅膜厚为3000A。

夹持与张力传递机构的两端具有锁紧电线的夹紧螺栓，中间为长度可调测力连杆(调节杆)，调节杆与粘贴有STW谐振器的弹性体通过连接法兰连接。

夹持与张力传递机构整体结构分为完全相同的上下两部分，各部分两端弹性压紧锁扣可通过调整螺母进行调整。

弹性体的中间为方形截面，一对STW谐振器按一纵一横方向粘贴在方形截面上，构成差分测量结构。

STW谐振器粘贴在弹性体上，用于敏感输电线张力值，采用一纵一横两个谐振器构成差分测量结构，以消除温度影响。

两个STW谐振器的中心频率分别为435MHZ与438MHZ。

无线阅读器如图1所示，包括控制和信号处理单元、射频发送单元、射频接收单元、环形器以及阅读器天线；其中：

所述阅读器天线通过环形器与射频接收单元相连接，所述射频接收单元通过控制和信号处理单元与射频发送单元相连接，所述射频发送单元通过环形器与阅读器天线；所述阅读器天线与张力传感器的传感器天线信号连接。

本实施例提供的高压输电线张力无线无源检测系统，基于表面横波，通过表面横波应变敏感理论模型，综合应变灵敏度和频率温度系数等特性参数，优选欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)的石英基片用于制作STW谐振器，优化设计STW谐振器的结构参数，其金属栅膜厚为3000A，IDT指对数为300，反射栅数为300×2。设计专用的高压输电线张力测量的夹持和张力传递机构，可在输电线上任何被测点方便安装，并可防止弯矩、扭转等对张力测量产生影响。通过无线阅读器远距离查询安装在输电线上的STW谐振器频率偏移，即可得到检测点的张力值。无线阅读器可以安装在无人机等移动平台上，在10米远的距离对表面横波张力传感器进行巡检。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，包括张力传感器、夹持与张力传递机构以及无线阅读器；其中，所述张力传感器通过夹持与张力传递机构安装于高压输电线的待检测处，并与无线阅读器信号传输连接；

所述张力传感器包括：弹性体、基片、STW谐振器a、STW谐振器b、焊盘以及传感器天线；其中：

所述弹性体的中段外表面设有方形截面；

所述基片固定于弹性体的方形截面上；

所述STW谐振器a和STW谐振器b正交放置于基片上；

所述STW谐振器a的IDT的两个上下电极分别与STW谐振器b的IDT的两个上下电极通过汇流金属排连接，构成并联差分结构；

所述焊盘通过绝缘层过渡粘贴在弹性体上；

所述传感器天线连接在焊盘上；

所述弹性体设置于夹持与张力传递机构上；

所述夹持与张力传递机构包括：对称设置的两部分，其中每一部分均包括夹持件a、夹持件b、调节杆、调节螺母a、调节螺母b以及连接法兰；其中：

所述夹持件a和夹持件b的外端分别设置于调节杆的两端部上；

所述调节螺母a和调节螺母b分别设置于调节杆上夹持件a和夹持件b的外侧；

所述连接法兰设置于调节杆上夹持件a和夹持件b之间的中心位置处；

所述对称设置的两部分通过夹紧螺栓安装于电线的待检测位置；

所述张力传感器通过连接法兰设置于调节杆上。

2.根据权利要求1所述的高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，所述基片采用欧拉角(α，β，γ)为(0，39，90)的石英单晶基片。

3.根据权利要求1所述的高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，所述STW谐振器a和STW谐振器b的结构参数如下：

4.根据权利要求1所述的高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，所述无线阅读器包括控制和信号处理单元、射频发送单元、射频接收单元、环形器以及阅读器天线；其中：

所述阅读器天线通过环形器与射频接收单元相连接，所述射频接收单元通过控制和信号处理单元与射频发送单元相连接，所述射频发送单元通过环形器与阅读器天线；所述阅读器天线与张力传感器信号连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，还包括移动平台，所述无线阅读器安装于移动平台上。

6.根据权利要求5所述的高压输电线张力无线无源检测系统，其特征在于，所述移动平台采用无人机。

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