[发明专利]基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置及方法

权利要求书

1.基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，其特征在 于，包括监控中心(1)和与监控中心(1)依次连接的变电站(7) 和监测终端(8)；所述的监测终端(8)包括若干个光纤光栅应变传 感器(5)，所述的光纤光栅应变传感器(5)通过OPGW与站内光 纤光栅解调仪(3)连接，与光纤光栅解调仪(3)连接的还有光纤光 栅倾斜传感器组(4)，光纤光栅倾斜传感器组(4)通过OPGW与 站内光纤光栅解调仪(3)连接；所述的光纤光栅解调仪(3)与检测 主机(2)连接，所述的监测主机(2)还与微气象传感器(6)连接； 所述的监测主机通过GSM/GPRS/3G/4G网络与监控中心进行数据传 输。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置，其特征在于，所述的若干光纤光栅应变传感器(5)设置 在铁塔承力关键点处。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置，其特征在于，所述的光纤光栅倾斜传感器组(4)包括两 个分别设置在铁塔中心线2/3高度处的和铁塔顶端的光纤光栅倾斜传 感器。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置，所述的光纤光栅倾斜传感器组(4)中的两个光纤光栅倾 斜传感器为钟摆式光纤光栅倾斜传感器，该传感器的测量范围为 -10°～10°，误差为±0.04°。

5.一种如权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在 线监测装置的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施，

步骤1，装置系统的调试和初始化，

步骤2，等待定时时间，

步骤3，利用传感器采集各项数据，

步骤4，由解调仪进行数据分析，

步骤5，电信号传输至监测主机后，由监测主机计算出铁塔横向 倾斜角和顺线倾斜角，并由横向倾斜角和顺线倾斜角计算出横向倾斜 度、顺线倾斜度并得到综合倾斜度，

步骤6，综合倾斜度和应变值数据传输至监控中心后，由监控中 心判断其是否超出阈值，如果超出阈值则报警，如果未超出阈值，返 回步骤2，进行下一次的监测。

6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤3中具体采集的数据 包括由倾斜角度变化引起的中心波长变化量和由应变引起的中心波 长变化量。

7.根据权利要求5或6所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变 在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：当铁 塔发生形变时，钟摆式光纤光栅倾斜传感器中光纤的反射波长会发生 变化，由反射波长的变化可得到铁塔的倾斜角度。所用光纤光栅应变 传感器是将光纤光栅附着在弹性应变片上，当应变片受到压力时光纤 光栅与应变片一起发生形变，导致光纤光栅中心波长发生变化，通过 监测中心波长变化量即可得到应变值，由铁塔形变引起的角度变化和 应力变化由光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器采集，并以光 的形式发送到站内光纤光栅解调仪。

8.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤4的具体步骤为：

站内光纤光栅解调仪将倾斜传感器和应变传感器发送来的光信 号进行解调，分析出各传感器监测到的各中心波长变化量，然后将中 心波长变化量以电信号输出至监测主机。

9.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线 监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤5具体为：

光纤光栅倾斜传感器工作时，由倾斜引起的传感器表面应变与两 光纤光栅总位移量有如下关系：

sinθ=Ebh2Δλ12(1-Pe)mgLλ0---(1)]]>

其中，Δλ为两光纤光栅的中心波长位移量，λ₀为入射光的中心 波长，P_e为光纤材料的光弹系数，m为摆锤的质量，L为等强度梁的 长度，E为材料的弹性模量，b为梁的宽度，h为梁的厚度；

监测主机由上式可分别计算出铁塔2/3处及顶部的顺线及横向倾 斜角，分别记为θ_h1、θ_h2、θ_v1、θ_v2，通过空间直角坐标系由监测主机 根据下式计算出顺线倾斜度TG_x，横向倾斜度TG_y，最终得到综合倾斜 度TG：

TGx=L1sin(θh1)+L2sin(θh2)L1+L2---(2)]]>

TGy=L1sin(θv1)+L2sin(θv2)L1+L2---(3)]]>

TG=(TGxTGx+TGyTGy)---(4)]]>

其中，θ_h1为倾斜传感器1顺线倾斜角度，θ_v1为倾斜传感器1横向 倾斜角度，θ_h2为倾斜传感器2顺线倾斜角度，θ_v2为倾斜传感器2横 向倾斜角度，L₁为2/3铁塔高度，L₂为铁塔2/3处至塔顶的高度；

光纤光栅应变传感器工作时，利用(5)式可计算出由应力引起 的布拉格反射波长，根据中心波长位移量Δλ_ε，可最终由式(6)得到 应变值Δε：

λ_Β＝2n_effΛ(5)

Δϵ=Δλϵ(1-Pe)λB---(6)]]>

式中，n_eff为光纤基模在布拉格波长上的有效折射率，Λ为光栅 的周期，Δλ_ε为应变变化引起的波长位移，P_e为光纤的弹光系数，Δε 为应变值；

最终，监测主机以得到的综合倾斜度最为监测铁塔发生宏观形变 的依据，以应变值作为监测铁塔发生微观形变的依据，并将得到的综 合倾斜度和应变值经GSM/GPRS/3G/4G传输至监控中心。