CN109357803A - 一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置,涉及一种无线应力检测装置，解决了现有技术检测抱杆应力困难的问题。包括无线应力节点主体、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元；无线应力节点主体包括能耗管理单元、计算分析单元和无线通讯单元；能耗管理单元，用于对计算分析单元、无线通讯单元及所有测量单元进行能耗管理；计算分析单元，用于接收数据进行分析和处理，将计算结果发送至数据中心；应变及温度测量单元，将采集的测量点的温度测量值和应变测量值发送至计算分析单元；应变及抱杆姿态测量单元，将采集的测量点的应变测量值和抱杆姿态测量值发送至计算分析单元。本发明主要对抱杆施工的应力进行测量。

Description

一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置

技术领域

本发明涉及一种无线应力检测装置，具体涉及一种架空输电线路施工抱杆无线应力检测装置。

背景技术

在输电线路施工中通过绞磨、卷扬机、牵引机等驱动机构牵引连接在承力结构上的绳索而达到提升、移动、安装杆塔、附件等的一种起重设备，以下简称抱杆。抱杆主要有单抱杆、人字抱杆、摇臂抱杆、平臂抱杆、组合式抱杆等结构形式。电力在保障中国能源安全中具有特别重要的地位，电网建设是电力建设的重要组成部分。近几年是中国特高压输变电工程建设的关键时期，工程建设任务重、施工难度高、施工机具多，在影响工程施工质量及安全的五个主要因素“人、机、料、法、环”中，施工机具是仅次于施工人员的重要方面。随着国家对于安全生产工作的日益重视，一旦发生安全事故将造成极大的经济损失和负面的社会影响。施工机具特别是架空输电线路施工抱杆(简称抱杆)的安全性与可靠性对保障工程建设质量和施工人员安全具有重要作用，对抱杆结构和施工过程进行安全监测日益受到广泛关注。

架空输电线路施工抱杆运行于高空中，检测抱杆应力情况很困难，尤其在应力信号采集方法、数据处理方法、信号传输与功耗方面存在相互耦合的矛盾，而满足抱杆运行要求的应力检测节点必需平衡上述几方面达到性能的优化。目前国内用于架空输电线路施工抱杆运行的无线应力检测方面的专利比较少，已有的发明专利采用PLC方案，没有解决这一领域的技术痛点，即长续航时间，远距离传输，广泛通用性，灵活布置，在线计算等问题，因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明是为了解决现有技术检测抱杆应力困难的问题，具体表现为无法实现长续航、远距离传输、灵活布置及在线计算，因此，本发明提供了一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置。

一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，包括无线应力节点主体、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元；N为奇数；

无线应力节点主体包括能耗管理单元、计算分析单元和无线通讯单元；

能耗管理单元，用于对计算分析单元、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元和无线通讯单元进行能耗管理；

计算分析单元，用于接收N个温度测量值、N+1个应变测量值和一个抱杆姿态测量值，并对N个温度测量值进行均值处理，利用获得的温度均值分别对N+1个应变测量值进行温度补偿，从而获得N+1个应力值；还用于将计算得到的N+1个应力值与测量得到的抱杆姿态值通过无线通讯单元发送至数据中心；

应变及温度测量单元，将采集的测量点的温度测量值和应变测量值发送至计算分析单元；

应变及抱杆姿态测量单元，将采集的测量点的应变测量值和抱杆姿态测量值发送至计算分析单元。

优选的是，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元包括如下几种布置方式：

第一种、均匀分布在抱杆的圆周方向上；

第二种、串接在抱杆承托绳；

第三种、串接在抱杆外拉绳上；

第四种、即串接在抱杆承托绳上，又串接在抱杆外拉绳上。

优选的是，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元均通过线缆与计算分析单元进行数据通讯与供电。

优选的是，所述的计算分析单元，还嵌入有比较模块，比较模块内预设安全阈值，比较模块用于实现N个应力值分别与预设安全阈值进行比较，当计算获得的应力值超出预设安全阈值时，则发送触发危险报警信号至数据中心。

优选的是，无线通讯单元采用433Mhz的频率将数据发送至数据中心。

优选的是，无线应力节点主体还包括1号矩形壳体，能耗管理单元、无线通讯单元和计算分析单元封装在1号矩形壳体内，无线通讯单元与计算分析单元进行数据通信，无线通讯单元的天线伸出1号矩形壳体外。

优选的是，1号矩形壳体侧壁底部上设有多个走线孔1-1和侧壁上设有可开启的密封罩；

走线孔1-1，用于将1号矩形壳体内的器件的引线从1号矩形壳体内引出；

密封罩，用于密封1号矩形壳体内的器件的电器接口。

优选的是，应变及温度测量单元还包括2号矩形壳体，应变及温度测量单元封装在2号矩形壳体内；

2号矩形壳体的侧壁上设有1号接线端子和1号应变采集口；

1号接线端子，用于将2号矩形壳体内、外的器件进行电连接；

应变及温度测量单元的应变采集端通过1号应变采集口对测量点的应变进行采集。

优选的是，应变及抱杆姿态测量单元还包括3号矩形壳体，应变及抱杆姿态测量单元封装在3号矩形壳体内，

3号矩形壳体的侧壁上设有2号接线端子和2号应变采集口；

2号接线端子，用于将3号矩形壳体内、外的器件进行电连接；

应变及抱杆姿态测量单元的应变采集端通过2号应变采集口对测量点的应变进行采集。

优选的是，能耗管理单元和计算分析单元分别采用一个单片机实现；

能耗管理单元采用二级功耗管理方式进行能耗管理，能耗管理的具体过程为：使一级采用能耗管理单元掉电模式，二级采用关闭计算分析单元电源方式，此时，计算分析单元、N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元停止工作，然后根据能耗管理单元的预设掉电时间，定时启动计算分析单元开始工作，从而使N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元开始工作。

本发明进行单点应力测量方式采用一个应变及温度测量单元和一个无线应力节点主体，这种方式可以进行基本的测量，具有温度校正功能。该实施方案是一种长待机，低功耗的方案。

多点应力测量方式采用N个应变及温度测量单元和一个无线应力节点主体，这种方式可以同时测量多个关键位置的应变，也可以通过多个测量位置配置，实现抱杆的复杂负载应力分析。

姿态应力混合测量方式采用多个温度+应变测量+抱杆姿态单元和一个无线应力节点主体，这种方式在获得抱杆应力的同时，还可以获得抱杆的姿态，同时检测抱杆应力与工作姿态变化。

本发明带来的有益效果是，

1.本发明采用一体化分布设计，即一个中心，多个数据采集端的布置方式，实现数据计算和信号发射一体化，信号采集分布化，这种方式可以在保证节点体积小、布置灵活。

2.具有低功耗特点，采用二级节能的功耗管理方式，待机时间最大可达到一个月，因此，可以保证长时间检测，不用因为续航能力不足而重新启动导致的校准、安装等一系列问题，极大地保证了检测的效率、精度与稳定性。

3.传输距离远，采用433Mhz的传输频率，实现大于1km的传输距离，对于高塔式的施工方式具有很大的优势，保证检测的覆盖范围广，减少信号盲区。

4.体积小、重量轻，布置容易，具有温度校准功能，对抱杆结构没有破坏，对抱杆的正常工作没有干扰。

5.通用性扩展性好，可用于多种环境下，各类典型抱杆的应力测试，并根据实际情况扩展选择合适数量的测试模块。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置的原理示意图；

图2和图3均为无线应力节点主体的三维结构示意图；附图标记4表示无线通讯单元的天线；

图4和图5均为应变及温度测量单元的三维结构示意图；

图6和图7均为应变及抱杆姿态测量单元的三维结构示意图。

图8为应变及温度测量单元的三维装配图；附图标记2-3表示2号矩形壳体的上盖，附图标记2-4表示2号矩形壳体的箱体，附图标记2-5表示应变采集部分，2-6表示温度测量部分；

图9为应变及抱杆姿态测量单元的三维装配图；附图标记3-3表示3号矩形壳体的上盖，附图标记3-4表示3号矩形壳体的箱体，附图标记3-5表示姿态采集部分，3-6表示应变采集部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见图1、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，包括无线应力节点主体、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元；N为奇数；

无线应力节点主体包括能耗管理单元、计算分析单元和无线通讯单元；

能耗管理单元，用于对计算分析单元、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元和无线通讯单元进行能耗管理；

计算分析单元，用于接收N个温度测量值、N+1个应变测量值和一个抱杆姿态测量值，并对N个温度测量值进行均值处理，利用获得的温度均值分别对N+1个应变测量值进行温度补偿，从而获得N+1个应力值；还用于将计算得到的N+1个应力值与测量得到的抱杆姿态值通过无线通讯单元发送至数据中心；

应变及温度测量单元，将采集的测量点的温度测量值和应变测量值发送至计算分析单元；

应变及抱杆姿态测量单元，将采集的测量点的应变测量值和抱杆姿态测量值发送至计算分析单元。

本实施方式中，根据抱杆安全运行要求，本发明利用两类测量单元，即：应变及温度测量单元和应变及抱杆姿态测量单元，应变及温度测量单元包括应变采集部分2-5和温度测量部分2-6，可以有效降低系统的复杂性和应变采集部分2-5的难度，同时温度测量部分2-6采用温度传感器获得测试环境的实时温度，通过公式1，进行应变片的温度误差校正，保证测量的准确性。

式中，ε——为真实应变量；

ε_测——为测量得到的应变量；

ε_温——为温度引起的虚假应变量；

α_t——电阻丝温度系数；

α_g——弹性体线膨胀(对应变)影响系数；

α_s——敏感栅线膨胀(对应变)影响系数；

S——电阻丝的应变灵敏系数。

应变及抱杆姿态测量单元包括姿态采集部分3-5和应变采集部分3-6，姿态采集部分3-5具体可采用陀螺仪实现；应变及抱杆姿态测量单元除了能完成应力+温度测量单元的功能外，还可以通过陀螺仪测量抱杆的姿态，对于抱杆工作的安全角度进行监控(抱杆中心线与重力方向夹角，不超过10°)，保证抱杆在工作过程中不超过安全范围。

在弹性范围内，应变ε与应力σ可由广义虎克定律得到：

σ＝Eε (2)

式中，E——被测量物体的弹性模量。

无线通讯单元可实现远距离传输，通过计算分析单元可实现在线计算，能耗管理单元，用于对计算分析单元、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元和无线通讯单元进行能耗管理，实现了本发明所述无线应力检测装置的长续航时间；本发明包括N个应变及温度测量单元，可实现对测量点的灵活布置。

本实施方式所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置的通用性扩展性好，可用于多种环境下，各类典型抱杆的应力测试，并根据实际情况扩展选择合适数量的测试模块。.采用一体化分布设计，即一个中心，多个数据采集端的布置方式，实现数据计算和信号发射一体化，信号采集分布化，这种方式可以保证应力检测装置体积小、布置灵活。

参见图1具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元包括如下几种布置方式：

第一种、均匀分布在抱杆的圆周方向上；

第二种、串接在抱杆承托绳；

第三种、串接在抱杆外拉绳上；

第四种、即串接在抱杆承托绳上，又串接在抱杆外拉绳上。

本优选实施方式在具体的应用过程中，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元的布置方式灵活，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元可以均匀分布在抱杆的圆周方向上，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元也可以串接在抱杆承托绳上，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元也可以串接在外拉绳上，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元也可以同时串接在抱杆承托绳和外拉绳上。

参见图1具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元均通过线缆与计算分析单元进行数据通讯与供电。

本优选实施方式中，线缆连接的方式，保证数据传输的稳定性，及能耗管理单元通过计算分析单元对N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元进行能耗管理。

参见图1具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，所述的计算分析单元，还嵌入有比较模块，比较模块内预设安全阈值，比较模块用于实现N个应力值分别与预设安全阈值进行比较，当计算获得的应力值超出预设安全阈值时，则发送触发危险报警信号至数据中心。

本优选实施方式中，触发危险报警信号的发出，使数据中心及时发现危险信号的发生所对应的测量单元，并可及时对危险做出响应。

参见图1具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，无线通讯单元采用433Mhz的频率将数据发送至数据中心。

本优选实施方式中所述的无线通讯单元传输距离远，采用433Mhz的传输频率，实现大于1km的传输距离，对于高塔式的施工方式具有很大的优势，保证检测的覆盖范围广，减少信号盲区。

参见图1至图3具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，无线应力节点主体还包括1号矩形壳体1，能耗管理单元、无线通讯单元和计算分析单元封装在1号矩形壳体1内，无线通讯单元与计算分析单元进行数据通信，无线通讯单元的天线伸出1号矩形壳体1外。

参见图1至图3具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，1号矩形壳体1侧壁底部上设有多个走线孔1-1和侧壁上设有可开启的密封罩1-2；

走线孔1-1，用于将1号矩形壳体1内的器件的引线从1号矩形壳体1内引出；

密封罩1-2，用于密封1号矩形壳体1内的器件的电器接口。

本优选实施方式中，密封罩1-2的设置方式用来密封电器接口，采用螺栓连接，保证在野外雨天、有灰尘的地方可以工作，但需要用到接口时，可以拆下。

参见图1、4、5和8具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，应变及温度测量单元还包括2号矩形壳体2，应变及温度测量单元封装在2号矩形壳体2内；

2号矩形壳体2的侧壁上设有1号接线端子2-1和1号应变采集口2-2；

1号接线端子2-1，用于将2号矩形壳体2内、外的器件进行电连接；

应变及温度测量单元的应变采集端通过1号应变采集口2-2对测量点的应变进行采集。

参见图1和图9具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，应变及抱杆姿态测量单元还包括3号矩形壳体3，应变及抱杆姿态测量单元封装在3号矩形壳体3内，

3号矩形壳体3的侧壁上设有2号接线端子3-1和2号应变采集口3-2；

2号接线端子3-1，用于将3号矩形壳体3内、外的器件进行电连接；

应变及抱杆姿态测量单元的应变采集端通过2号应变采集口3-2对测量点的应变进行采集。

参见图1至图9具体说明本优选实施方式，优选实施方式为，能耗管理单元和计算分析单元分别采用一个单片机实现；

能耗管理单元采用二级功耗管理方式进行能耗管理，能耗管理的具体过程为：使一级采用能耗管理单元掉电模式，二级采用关闭计算分析单元电源方式，此时，计算分析单元、N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元停止工作，然后根据能耗管理单元的预设掉电时间，定时启动计算分析单元开始工作，从而使N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元开始工作。

本优选实施方式中，能耗管理单元具有低功耗特点，采用二级节能的功耗管理方式，待机时间最大可达到一个月，因此，可以保证长时间检测，不用因为续航能力不足而重新启动导致的校准、安装等一系列问题，极大地保证了检测的效率、精度与稳定性。；

本发明所述应力检测装置被放置在抱杆上后，开机后无线应力节点主体首先清空EEPROM的内容，EEPROM中的内容具有掉电保持的特点，可以用来存储抱杆参数，基准信息，校准结果等内容，但对新的测量需要清空，保证前一个抱杆测量不会影响之后的测量数据；抱杆参数设置将抱杆的材料、尺寸、应力阈值、安全姿态范围等信息输入无线应力节点主体，输入方式包括有线方式与无线方式；有线方式通过编程接口，以单片机固件方式上传道无线应力节点主体中，该方式只能进行离线设置，一旦抱杆开始运行，该方式就无法设置；无线方式通过与节点进行无线传输的集中控制器进行设置，并可通过433Mhz频率发送给节点进行设置，该方式既可以进行离线设置也可以进行在线设置。离线校准采集初始位置下抱杆上应变信息与抱杆姿态，作为基准，并将之存入到EEPROM中保存。接收在线校准信号通过无线信号获得开始校准的信号，并把此刻获得应变与抱杆姿态存入EEPROM作为基准，由于抱杆工作在半空中，在线校准是由施工人员触发，发送给测量点完成的；数据采集通过单片机控制器的IO口完成，并计算得到应力值，通过与预设的值比较判断应力与抱杆姿态是否超过安全阈值。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例。

Claims (10)

1.一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，包括无线应力节点主体、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元；N为奇数；

无线应力节点主体包括能耗管理单元、计算分析单元和无线通讯单元；

能耗管理单元，用于对计算分析单元、N个应变及温度测量单元、1个应变及抱杆姿态测量单元和无线通讯单元进行能耗管理；

计算分析单元，用于接收N个温度测量值、N+1个应变测量值和一个抱杆姿态测量值，并对N个温度测量值进行均值处理，利用获得的温度均值分别对N+1个应变测量值进行温度补偿，从而获得N+1个应力值；还用于将计算得到的N+1个应力值与测量得到的抱杆姿态值通过无线通讯单元发送至数据中心；

应变及温度测量单元，将采集的测量点的温度测量值和应变测量值发送至计算分析单元；

应变及抱杆姿态测量单元，将采集的测量点的应变测量值和抱杆姿态测量值发送至计算分析单元。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元包括如下几种布置方式：

第一种、均匀分布在抱杆的圆周方向上；

第二种、串接在抱杆承托绳；

第三种、串接在抱杆外拉绳上；

第四种、即串接在抱杆承托绳上，又串接在抱杆外拉绳上。

3.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元均通过线缆与计算分析单元进行数据通讯与供电。

4.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，所述的计算分析单元，还嵌入有比较模块，比较模块内预设安全阈值，比较模块用于实现N个应力值分别与预设安全阈值进行比较，当计算获得的应力值超出预设安全阈值时，则发送触发危险报警信号至数据中心。

5.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，无线通讯单元采用433Mhz的频率将数据发送至数据中心。

6.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，无线应力节点主体还包括1号矩形壳体(1)，能耗管理单元、无线通讯单元和计算分析单元封装在1号矩形壳体(1)内，无线通讯单元与计算分析单元进行数据通信，无线通讯单元的天线伸出1号矩形壳体(1)外。

7.根据权利要求6所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，1号矩形壳体(1)侧壁底部上设有多个走线孔(1-1)和侧壁上设有可开启的密封罩(1-2)；

走线孔(1-1)，用于将1号矩形壳体(1)内的器件的引线从1号矩形壳体(1)内引出；

密封罩(1-2)，用于密封1号矩形壳体(1)内的器件的电器接口。

8.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，应变及温度测量单元还包括2号矩形壳体(2)，应变及温度测量单元封装在2号矩形壳体(2)内；

2号矩形壳体(2)的侧壁上设有1号接线端子(2-1)和1号应变采集口(2-2)；

1号接线端子(2-1)，用于将2号矩形壳体(2)内、外的器件进行电连接；

应变及温度测量单元的应变采集端通过1号应变采集口(2-2)对测量点的应变进行采集。

9.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，应变及抱杆姿态测量单元还包括3号矩形壳体(3)，应变及抱杆姿态测量单元封装在3号矩形壳体(3)内，

3号矩形壳体(3)的侧壁上设有2号接线端子(3-1)和2号应变采集口(3-2)；

2号接线端子(3-1)，用于将3号矩形壳体(3)内、外的器件进行电连接；

应变及抱杆姿态测量单元的应变采集端通过2号应变采集口(3-2)对测量点的应变进行采集。

10.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的无线应力检测装置，其特征在于，能耗管理单元和计算分析单元分别采用一个单片机实现；

能耗管理单元采用二级功耗管理方式进行能耗管理，能耗管理的具体过程为：使一级采用能耗管理单元掉电模式，二级采用关闭计算分析单元电源方式，此时，计算分析单元、N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元停止工作，然后根据能耗管理单元的预设掉电时间，定时启动计算分析单元开始工作，从而使N个应变及温度测量单元和1个应变及抱杆姿态测量单元开始工作。