CN203758658U - 输电线路力学监测数字传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的输电线路力学监测数字传感器，包括传感器壳体，传感器壳体内设置有单片机，单片机分别通过导线连接有数据存储单元、信号处理模块及A/D转换模块及电源模块，单片机通过通信线连接有通信模块，信号处理及A/D转换模块通过导线依次与电阻应变片、弹性基体连接。本实用新型输电线路力学监测数字传感器，能够对输电线路导地线及杆塔受力进行实时监测及数据分析，将导地线及杆塔受力情况及时反馈给运维人员。
Description
技术领域
本实用新型属于输电线路监测装置技术领域，具体涉及一种输电线路力学监测数字传感器。
背景技术
输电线路导地线及杆塔的受力情况对输电线路安全及可靠的运行有很大的影响，尤其是一旦杆塔倾斜较为严重时，容易造成杆塔导地线的不平衡受力，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够的问题，当问题扩大时就容易造成倒杆断线，电气距离不够则容易引起跳闸等事故，会导致巨大的经济损失外，还会严重影响社会生活。
近年来，倒杆断线事故的频繁发生，严重影响电网的安全运行，使得大范围的输电线路受到了破坏。为了保证电网的安全运行，迫切需要能针对输电线路的力学传感器，能够实现对输电线路的力学情况实时监测并进行数据分析，将导地线及杆塔受力情况及时反馈给运维人员。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种输电线路力学监测数字传感器，能对输电线路导地线及杆塔受力进行实时监测，将导地线及杆塔受力情况及时反馈给运维人员。
本实用新型所采用的技术方案是，输电线路力学监测数字传感器，包括有传感器壳体，传感器壳体内设置有单片机，单片机通过通信线连接有通信模块，单片机分别通过导线连接有数据存储单元、信号处理模块及A/D转换模块及电源模块，信号处理模块及A/D转换模块通过导线依次与电阻应变片、弹性基体连接。
本实用新型的特点还在于，
传感器壳体包括有主壳体，主壳体的上端固定连接有悬挂部件，主壳体的下端中央垂直连接有平衡杆；
主壳体相对的两个表面上各设置有一圆形凹槽，弹性基体设置于圆形凹槽内，电阻应变片采用粘和剂粘合在弹性基体上；
悬挂部件的中央设置有挂环。
圆形凹槽内还设置有温补光纤光栅；电阻应变片还通过导线连接有绝缘保护片。
信号处理及A/D转换模块，包括有通过导线连接的A/D转换电路和CPU。
电源模块的型号为82AB2951。
单片机为STC12C5608AD单片机。
通信模块的型号为SP485EE。
通信模块连接有GPRS通信模块。
GPRS通信模块设置于传感器壳体的外壁处。
本实用新型的有益效果在于：
1.本实用新型的输电线路力学监测数字传感器具有测量力与输出之间线性度好、滞后小、重复性好及零点漂移小的优点；在测量的温度范围内，输出值的稳定性强，当被测力作用位置有偏移时，不影响测量力与输出之间的关系。
2.本实用新型的输电线路力学监测数字传感器有较强的抗偏载能力，同时，电阻应变片的体积小，灵敏度高，并且采用了双闭环圆型槽结构，电阻应变片分别设置在传感器壳体上、下表面的圆型槽内，提高了力学测量的精度。
附图说明
图1是本实用新型输电线路力学监测数字传感器的传感器壳体结构示意图；
图2是本实用新型输电线路力学监测数字传感器的结构示意图；
图3是本实用新型输电线路力学监测数字传感器的弹性基体应力与应变关系曲线图。
图中，1.传感器壳体，2.数据存储单元，3.信号处理及A/D转换模块，4.电阻应变片，5.弹性基体，6.电源模块，7.单片机，8.通信模块，9.圆形凹槽，10.挂环，11.主壳体，12.悬挂部件，13.GPRS通讯模块，14.平衡杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型输电线路力学监测数字传感器，如图1及图2所示，包括有传感器壳体1，传感器壳体1内设置有单片机7，单片机7通过通信线连接有通信模块8，单片机7分别通过导线连接有数据存储单元2、信号处理及A/D转换模块3及电源模块6，信号处理及A/D转换模块3通过导线依次与电阻应变片4、弹性基体5连接。
传感器壳体1采用刚体结构，能够满足输电线路对力学传感器刚度和强度的要求，如图1所示，传感器壳体1包括有主壳体11，主壳体11的上端固定连接有悬挂部件12，主壳体11的下端中央垂直固定连接有平衡杆14，用于维持传感器在输电导线上的平衡；主壳体11相对的两个表面上各设置有一圆形凹槽9，电阻应变片4及弹性基体5设置于圆形凹槽9内，圆形凹槽9内还设置有温补光纤光栅；悬挂部件12的中央设置有挂环10，用于将输电线路力学监测数字传感器悬挂于输电导线上。
数据存储单元2能够实现大容量闪存512K；用于存储系统运行的状态及信息。
信号处理及A/D转换模块3，包括有通过导线连接的A/D转换电路和CPU，主要用于数据信号的处理，将处理后的经A/D转换电路转化成复合要求的信号。
电阻应变片4呈金属箔状，电阻应变片4采用粘和剂紧密的粘合在产生力学应变的弹性基体5上，电阻应变片4还通过导线连接有绝缘保护片，当弹性基体5受力发生应力变化时，电阻应变片4也一起产生形变，使电阻应变片4的阻值发生改变，从而使加在电阻应变片4上的电压发生变化。
电源模块6的型号为82AB2951。
单片机7为STC12C5608AD单片机。
通信模块8的型号为SP485EE；传感器壳体内的通信模块8还外接有GPRS通信模块13。
本实用新型输电线路力学监测数字传感器中各部件的作用：
信号处理及A/D转换模块3用于处理来自输电线路力学监测数字传感器的各种信号，当弹性基体5受力发生应力变化时，电阻应变片4也一起产生形变，使电阻应变片4的阻值发生改变，从而使加在电阻应变片4上的电压发生变化，将采集到的电压模拟信号经A/D电路转换成拉力的数字信号，最终实现力学数据的在线监测。
电源模块6用于单片机7和通信模块8的供电。
单片机7输电线路力学监测数字传感器在线监测结构的核心，用于实时处理大量的数据。
通信模块8用于发送输电线路力学监测数字传感器当前监测到的信息以及接收来自监控中心CAG命令，通信模块8采取的采集单元数据报文格式，见表1所示：
表1
在实际中，运用本实用新型输电线路力学监测数字传感器对杆塔及导地线受力监测时，经常发生偏载现象，弯矩引起的弹性基体5上表面、下表面应变偏移量大小相等，方向相反，需要对2个电阻应变片4测量出的结果求均值，这样能有效减小偏载造成的测量误差，其中被测拉力与应变的关系为：
F=SAE(ε1+ε2)/2 （1）；
式（1）中：F为拉力；SA为弹性基体的横截面积；E为弹性基体的杨氏模量；ε1为弹性基体5上表面的应变值；ε2为弹性基体下表面的应变值。
本实用新型输电线路力学监测数字传感器中，电阻应变片4采用的是金属电阻应变片，且金属电阻应变片采用金属箔状的应变片。这种电阻应变片4在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种电阻应变片4都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给信号处理及A/D转换模块3、显示机构或执行机构。
电阻应变片4吸附在弹性基体5上，电阻应变片4随机械形变而产生电阻值变化，称为电阻应变效应，电阻应变片4的电阻值按照以下算法实施：
式（2）中，r为金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）；S为导体的截面积（cm2）；L为导体的长度（m）。
其中，设置温补光纤光栅是为了消除传感器应变测量温度影响的有效方案，具体方案如下：
在输电线路力学监测数字传感器上设置温补光纤光栅，在安装过程中要保证其不受力，那么温补光纤光栅波长的变化只能由温度的变化引起，因此用它可消除拉力测量中温度因素的影响，由于温度补偿的原因，拉力波长关系式写为：
(Δλ2+Δλ1-2ΔλtKt1)/2=KForceF （3）；
式（3）中：λ1、λ2分别为两个电阻应变片4产生的拉力传感FBG布喇格中心波长；Δλ1与Δλ2分别为两个电阻应变片4拉力传感FBG布喇格波长的变化量；Kt1为电阻应变片4拉力传感FBG对应温补光纤光栅14的温度补偿系数，即相同温度变化下，拉力传感FBG反射波中心波长变化与温补光纤光栅反射波长变化之比，该系数可通过实验确定；KForce为拉力传感系数。
除了温度的变化对本实用新型输电线路力学监测数字传感器的测量有一定的影响外，输电线路力学监测数字传感器的电源模块6提供电压的稳定性对其也有很大影响，因此，实际应用中应使电源模块6的电压始终保持稳定，才能使得测量的相关数据的准确度和精度符合实际的要求。
实施例：
为验证本实用新型输电线路力学监测数字传感器的测量性能，而且考虑杆塔及导地线覆冰后的传感器受到的拉力很大，拉力实验的量程一般设定为50kN；经多次实验表明：本实用新型输电线路力学监测数字传感器重复性良好；由多组数据拟合后的方程，可以看出本实用新型输电线路力学监测数字传感器有良好的线性度；利用ANSYS软件分析得到上、下表面为圆形结构传感器上弹性基体5所受的应力与形变；如图3所示，弹性基体5上所受到的应力与应变之间的对应关系为：随着受到外界环境拉力的不断增大，使得弹性基体5受到的形变也越来越大，且由公式σ=Eε可知：弹性基体5所受的应力也随之增大，其中σ为弹性基体的应力，E为弹性基体5的杨氏模量，ε为弹性基体5的应变值。
本实用新型输电线路力学监测数字传感器，实现输电线路的杆塔及导地线受力大小的实时监测，采用电阻应变片将基体上的应变转换成电信号，经过信号处理模块后由A/D转换模块实现模拟信号到数字信号的转换，再通过单片机对采集的信号进行分析处理，最终通过通信模块将处理后的信号发送到状态监测装置，使得输电线路中的杆塔和导地线所受的力始终保持在安全、稳定运行的状态范围内，将事故逐渐消除在萌芽之中。
Claims (9)
1.输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，包括有传感器壳体（1），所述传感器壳体（1）内设置有单片机（7），所述单片机（7）通过通信线连接有通信模块（8），所述单片机（7）分别通过导线连接有数据存储单元（2）、信号处理模块及A/D转换模块（3）及电源模块（6），所述信号处理模块及A/D转换模块（3）通过导线依次与电阻应变片（4）、弹性基体（5）连接。
2.根据权利要求1所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述传感器壳体（1）包括有主壳体（11），所述主壳体（11）的上端固定连接有悬挂部件（12），所述主壳体（11）的下端中央垂直连接有平衡杆（14）；
所述主壳体（11）相对的两个表面上各设置有一圆形凹槽（9），所述弹性基体（5）设置于所述圆形凹槽（9）内，所述电阻应变片（4）采用粘和剂粘合在所述弹性基体（5）上；
所述悬挂部件（12）的中央设置有挂环（10）。
3.根据权利要求2所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述圆形凹槽（9）内还设置有温补光纤光栅；
所述电阻应变片（4）还通过导线连接有绝缘保护片。
4.根据权利要求1所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于：所述信号处理及A/D转换模块（3），包括有通过导线连接的A/D转换电路和CPU。
5.根据权利要求1所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述电源模块（6）的型号为82AB2951。
6.根据权利要求1所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述单片机（7）为STC12C5608AD单片机。
7.根据权利要求1所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述通信模块（8）的型号为SP485EE。
8.根据权利要求1或7所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述通信模块（8）连接有GPRS通信模块（13）。
9.根据权利要求8所述的输电线路力学监测数字传感器，其特征在于，所述GPRS通信模块（13）设置于传感器壳体（1）的外壁处。
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Granted publication date: 20140806 |