CN115164831A - 一种输电杆塔沉降监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于输电线路杆塔沉降监测技术领域，且公开了一种输电杆塔沉降监测装置，所述监测装置通过固定板固定于塔脚，所述监测装置包括有激光测距传感器、加速度传感器、中央处理模块和电池，所述激光测距传感器测量监测装置安装位置与地面之间的距离。本发明通过在塔脚安装加速度及测激光测距传感器，实时监测塔脚角度及距离变化，通过几何约束计算即可得到塔脚沉降的具体情况，并且在实现计算方式经过推导验证之后，实际测量时计算方法简单，处理器可以快速获取实时沉降状态并且反馈结果，并且本发明具备小巧、无需在基础开槽施工、低功耗、精准监测塔基沉降的特点，装配简单，施工难度低，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于输电线路杆塔沉降监测技术领域，具体为一种输电杆塔沉降监测装置及方法。
背景技术
输电线路是我国能源的重要输运通道，输电线路杆塔是电力线路的主要承载体，其结构安全性对线路运行至关重要。输电线路跨越地域广泛，不可避免地经过湿陷性黄土地区、煤炭采空区、地质运动区等地质易发生变化的地区，引发杆塔沉降、结构变形的事故时有发生。若能在输电杆塔基础发生沉降、引发杆塔主体发生变形的初期，对杆塔的状态进行监测，可为运维工作争取处置时间，有效地遏制事故的进一步发展，保障电能安全高效的传输。
目前杆塔沉降通常采用北斗载波相位差分法或水准仪法进行测量，其中北斗载波相位差分法需要在塔基上对混凝土进行开槽，安装北斗接收机及天线，利用北斗卫星及地基基准站信号差分实现塔基沉降监测。静力水准仪法利用连通器原理将感知模块依次固定在四个塔基上，通过在塔脚固定水箱测定液位差来获得沉降值，这两种方法分别存在局限性，施工难度大，需要开槽施工，装配难度大，经济效益不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电杆塔沉降监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种输电杆塔沉降监测装置及方法，所述监测装置通过固定板固定于塔脚，所述监测装置包括有激光测距传感器、加速度传感器、中央处理模块和电池；
所述激光测距传感器测量监测装置安装位置与地面之间的距离；
所述加速度传感器用于测量塔脚倾斜角度；
所述中央处理模块用于处理激光测距传感器和加速度传感器测量数据；
所述电池向激光测距传感器、加速度传感器和中央处理模块供电。
优选的，所述监测装置分别安装于输电塔的四个塔脚，且监测装置沿塔脊方向安装。
优选的，所述激光测距传感器与塔脊方向平行并指向于地面，所述加速度传感器为水平安装。
优选的，S1.计算初始量：初始安装时电塔处于未倾斜状态，设备距离地面高度为z，位于四个塔脚的监测设备后方延长线汇聚与塔顶A点并测量距离为L，后方延长线的反向延长线与地面的距离为x，加速度传感器的X，Y轴朝向外侧并相互垂直，塔Z轴的初始倾斜角度为0°；
S2.分析塔身倾斜方向：当塔倾斜时，加速度传感器可测量到倾斜角度α，根据X，Y轴上的加速度分量以及角度计输出的值可以判断出角度的α的正负，α>0时，表示该加速度传感器处于塔身向外倾斜；α<0时，表示该加速度传感器处于塔身向内倾斜；
S3.分析塔身向外倾斜状态：A为交汇点，a为一处监测装置安装点，a水平方向与A垂直向下延伸线交点设为o点，测量oa为R，a点垂直向下与地面的交点设为Q点；
塔身倾斜后检测装置位置为a’，其后方延长线的反向延长线与地面的距离为x’，交汇点A转移至A′，a′水平方向和A′垂直向下延伸线交点设为W点，o转移至o′，a′o′与A′垂直向下延伸线交点设为G；
在塔身倾斜前，ΔaQP～ΔAOa；塔身倾斜后可以得到Δa′Q′P′～ΔA′O′a′；
所以得到：
解出z′为当前倾斜状态监测装置高度值，其余初始状态下z的差值即为沉降值。
优选的，其中，A′a′＝L，x′测量可得。
优选的，其中，ΔA′o′G～Δa′WG，a′W的值可以通过ΔA′o′G～Δa′WG解出。
本发明的有益效果如下：
本发明通过在塔脚安装加速度及测激光测距传感器，实时监测塔脚角度及距离变化，通过几何约束计算即可得到塔脚沉降的具体情况，并且在实现计算方式经过推导验证之后，实际测量时计算方法简单，处理器可以快速获取实时沉降状态并且反馈结果，并且本发明具备小巧、无需在基础开槽施工、低功耗、精准监测塔基沉降的特点，装配简单，施工难度低，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的输电塔和监测装置布局简图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明的传感器安装俯视图；
图4为本发明塔身倾斜分析图；
图5为本发明监测装置的内部结构图；
图6为本发明监测装置的外部图。
图中：1、激光测距传感器；2、加速度传感器；3、中央处理模块；4、电池；5、固定板。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种输电杆塔沉降监测装置及方法，监测装置通过固定板5固定于塔脚，监测装置包括有激光测距传感器1、加速度传感器2、中央处理模块3和电池4，激光测距传感器1测量监测装置安装位置与地面之间的距离，加速度传感器2用于测量塔脚倾斜角度，中央处理模块3用于处理激光测距传感器1和加速度传感器2测量数据，电池4向激光测距传感器1、加速度传感器2和中央处理模块3供电。
在输电塔四个角abcd处分别安装监测装置(部署方式见图1)，设备安装时需沿着塔脊方向安装。保证监测装置内部的加速度传感器为水平状态，激光测距传感器测量法向与塔脊方向平行并指向地面，假设电塔为未倾斜状态，设备安装在离地高度为Z距离的位置。
将图简化，如图2所示，传感器后方延长线交汇于塔顶A点。
传感器安装时，将加速度传感器的x轴朝向为外，如下图3所示，下图为塔尖俯视图。
传感器安装位置到A点的距离通过设计图或测量可知，假设为L，初始安装位置下测距传感器测量得到的距离长度为x，塔Z轴上倾斜角为0°。
在塔倾斜过程中，监测系统中的传感器输出的倾斜角度、离地高度会不断变化。根据上文中的计算方法，可以得知当塔倾斜时，加速度计可以计算得到倾斜角度α。另外根据X,Y轴上的加速度分量以及角度计输出的值，可以判断出倾斜角度的正负。α>0时，表示该传感器处塔身向外倾斜，α<0时，表示该传感器处塔身向内倾斜。
如图4所示，分析塔身向外倾斜的状态，A为交汇点，a为一处设备安装点，蓝色线为塔身倾斜前的状态。测量得到ao假设为R，橙色虚线为塔身状态变化后的位置。塔身倾斜后传感器位置为a’，测距传感器测量得到的距离为x’。在塔身倾斜之前，ΔaQP～ΔAOa，塔身倾斜之后，同样可以看到Δa′Q′P′～ΔA′O′a′。所以有
其中A′a′＝L，x′测量可得，z′为当前传感器所在高度。
求得z′需要解析得到a′w值，在图中可以发现另外一个相似三角形ΔA′o′G～Δa′WG，根据相似三角形原理，
GW＝a′W tan α中央处理模块(3)
所以公式2可表示为
计算得到
将a′w代入公式1可以求得当前传感器离地高度z′。z′与z差值即为倾斜后该点沉降的值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种输电杆塔沉降监测装置，其特征在于：所述监测装置通过固定板(5)固定于塔脚，所述监测装置包括有激光测距传感器(1)、加速度传感器(2)、中央处理模块(3)和电池(4)；
所述激光测距传感器(1)测量监测装置安装位置与地面之间的距离；
所述加速度传感器(2)用于测量塔脚倾斜角度；
所述中央处理模块(3)用于处理激光测距传感器(1)和加速度传感器(2)测量数据；
所述电池(4)向激光测距传感器(1)、加速度传感器(2)和中央处理模块(3)供电。
2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔沉降监测装置及方法，其特征在于：所述监测装置分别安装于输电塔的四个塔脚，且监测装置沿塔脊方向安装。
3.根据权利要求1所述的一种输电杆塔沉降监测装置及方法，其特征在于：所述激光测距传感器(1)与塔脊方向平行并指向于地面，所述加速度传感器(2)为水平安装。
4.根据权利要求1-3所述的一种输电杆塔沉降监测装置的监测方法，其特征在于：
S1.计算初始量：初始安装时电塔处于未倾斜状态，设备距离地面高度为z，位于四个塔脚的监测设备后方延长线汇聚与塔顶A点并测量距离为L，后方延长线的反向延长线与地面的距离为x，加速度传感器(2)的X，Y轴朝向外侧并相互垂直，塔Z轴的初始倾斜角度为0°；
S2.分析塔身倾斜方向：当塔倾斜时，加速度传感器(2)可测量到倾斜角度α，根据X，Y轴上的加速度分量以及角度计输出的值可以判断出角度的α的正负，α>0时，表示该加速度传感器(2)处于塔身向外倾斜；α<0时，表示该加速度传感器(2)处于塔身向内倾斜；
S3.分析塔身向外倾斜状态：A为交汇点，a为一处监测装置安装点，a水平方向与A垂直向下延伸线交点设为o点，测量oa为R，a点垂直向下与地面的交点设为Q点；
塔身倾斜后检测装置位置为a’，其后方延长线的反向延长线与地面的距离为x’，交汇点A转移至A′，a′水平方向和A′垂直向下延伸线交点设为W点，o转移至o′，a′o′与A′垂直向下延伸线交点设为G；
在塔身倾斜前，ΔaQP～ΔAOa；塔身倾斜后可以得到Δa′Q′P′～ΔA′O′a′；
所以得到：
解出z′为当前倾斜状态监测装置高度值，其余初始状态下z的差值即为沉降值。
5.根据权利要求4所述的一种输电杆塔沉降监测装置的监测方法，其特征在于：其中，A′a′＝L，x′测量可得。
6.根据权利要求4所述的一种输电杆塔沉降监测装置的监测方法，其特征在于：其中，ΔA′o′G～Δa′WG，a′W的值可以通过ΔA′o′G～Δa′WG解出。
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