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EFT-ST电力(通信)铁塔监测概述
通信铁塔的设计使用年限一般在50年左右,当铁塔钢结构构件出现锈蚀,连接节点出现松动或基础混凝土因使用时间过长而碳化后,将会对铁塔的耐久性造成严重影响,甚至造成无法修复的破坏,比如倒塌、折断、严重倾斜等,不仅会对日常通讯造成影响,还可能会造成人身伤害。
因此,运用先进的光纤传感技术和数据传输技术、软件智能损伤识别和自动报警技术对通信铁塔运行状态进行在线监测,可有效把握通信铁塔整体健康状态,实现状态检修和事故预防的双重目的,具有明显的工程效益、经济和社会效益。
考虑到电力(通信)铁塔所处野外周围环境的特殊性,本方案中,采用耐久性良好、电磁免疫、抗雷击、适合远距离传输的光纤传感器进行结构应力变形、温度、振动、倾角等物理量的采集,并直接以光信号方式进行远距离传输。
光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件,是通过激光相位掩膜照射法在普通单模光纤上加工成的长度为10-15mm的温度、应变敏感区。如下图所示:

光纤光栅传感器本身不带电,本质安全,抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗雷击性能良好;此外,光纤光栅传感器是绝对波长编码,测量精度高、稳定性好,可以通过对传感器的设计,实现温度、应变、位移、加速度等一系列物理量的同时测量。多只相同或不同类型的光纤光栅传感器可以通过波分复用方式实现在单芯光纤上的串联或并联组网。

EFT-ST光纤传感系统主要产品构成:

光纤传感技术在二十世纪末开始在国内外桥梁、隧道、水利水工结构等土木工程结构健康领域广泛应用,众多成功应用表明:在合理的安装保护条件下,光纤传感器的使用寿命可达到数十年以上。在野外环境中应用时,光纤传感器宽温工作、抗电磁干扰、免受雷击损坏、可远距离传输信号的优势更加突出。
电力(通信)铁塔安全监测光纤传感系统构成
电力(通信)铁塔安全监测光纤传感系统主要由光纤应变计、温度计、倾角仪、加速度计等光纤传感器和光纤传感分析仪构成。
光纤传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质,为提高光纤对温度及应力、应变的敏感程度及准确定位能力,采用国际最先进的光纤局部加工技术,在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅,这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化,而光纤的其他部分只是用于信号传输,对机械应力和环境干扰不敏感,从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。

EFT-ST电力(通信)铁塔安全监测系统构成如下:

其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度、应力变形、振动的敏感特性,通过光纤传感分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算,以数字方式给出各监测点的物理量测量值,并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到远程安全监测信息管理系统。

主要硬件设备选型如下:

序号

监测项目

设备选型

主要性能指标

1

电力(通信)铁塔顶部振动

量程:±1g

分辨率:0.005%FS(0.05mg)

频响范围:0~120Hz

工作温度范围:-50℃~80℃

EFT-OFA10光纤振动传感器

2

电力(通信)铁塔垂直度

量程:±3°

分辨率:0.0005°

频响范围:0~20Hz

工作温度范围:-50℃~80℃

EFT-OFC03光纤倾角仪

3

杆件应力变形

量程:±1500με

分辨率:0.1με

安装标距:25mm

工作温度范围:-50℃~80℃

EFT-OFS10光纤应变计

4

环境温度场及天线、馈线温度

量程:-50℃~110℃

分辨率:0.01℃

测温精度:±0.5℃

EFT-OFT120光纤温度计

5

光纤传感主机

监测点数:1-48

同步采样频率:0-100Hz

应变分辨率:0.1με

测温精度:±0.5℃

加速度分辨率:0.05mg(典型值)

分辨率:0.0005°(典型值)

工作温度范围:-10~+50℃ (可定制)

通信接口:RS232、RS485、10/100M以太网,ZIGBEE/CDMA/GPRS可选配

EFT110-04E光纤传感分析仪

EFT-ST光纤传感器并联组网及与光纤传感分析仪连接示意图



EFT-ST光纤传感器串联组网及与光纤传感分析仪连接示意图

重要备注:
1)光纤传感器每根光纤上只能接一支,无法进行多只串连或并联;
2)光纤温度传感器可实现1-12只并接或1-25只串接;
3)光纤应变传感器可实现1-12只并接或1-12只串接;
4)其他类型光纤传感器只能实现1-5只串接或1-5只并接。

系统自动报警判据设定方法
报警判据设定方法:
1)如果存在极限数据,评价的依据就是监测实时数据值是否超过极限值。
2)界限值或者范围值存在,评价的依据是监测数据是否在范围之内。
3)如果健康状况或类似状况的估计值存在时,评价的依据是监测数据超出估计值。并给一个可以允许的误差范围。
4)可通过积累一段时期内的在线监测数据作为基准,然后将实时监测数据与前期数据进行比较,通过最大值、平均值、较大值出现次数等多种方式评估电力(通信)铁塔运行状况处于正常范围还是趋于劣化。
报警判据设定时应考虑的因素:
1.测量数据的不确定度
2.结构特性的变化
3.测量值与标准值之间应有一个范围值,作为健康度判据。
EFT-ST电力(通信)铁塔结构安全在线监测软件实现原理
电力(通信)铁塔结构安全在线监测软件采用模块化设计分为两部分:
数据采集和预处理模块:基于VC开发,实时性好,算法移植方便,主要实现底层硬件接口驱动,数据读取及预处理(如FFT变换、时域谱分析,降采样、数字滤波、时标同步及通信规约转换等),然后将处理好的监测数据及特征参量通过标准MODBUS协议送到数据显示、存储及报警模块。
数据显示、存储及报警模块:基于WEB版组态软件开发,人机界面友好,配置灵活,支持远程操作维护和数据访问。支持数字、曲线、报表等多种数据显示方式,提供电子地图式操作界面和图像、声光、短信、WEB页面等多种方式的自动报警手段。闸门健康监测软件架构如下图所示:

EFT-ST电力(通信)铁塔运行状态在线监测系统软件架构

电力(通信)铁塔结构安全在线监测软件为B/S模式,系统用户可在授权允许的情况下,通过局域网或Internet访问本系统,客户端不需安装任何软件,使用IE即可访问。
电力(通信)铁塔结构安全在线监测软件具有数据共享接口,方便进行后续开发和数据共享。

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