基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器及監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，包括有MCU運算控制單元，MCU運算控制單元分別通過導(dǎo)線連接有供電模塊、光感模塊，MCU運算控制單元通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)依次連接有Zigbee通訊模塊、上位機。本發(fā)明還公開了上述傳感器的監(jiān)測方法，將輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器安裝于輸電導(dǎo)線上；MCU運算控制單元進行初始化，由光感模塊依次進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理輸出光纖相位變化電信號；將光纖相位變化電信號輸送至MCU運算控制單元得到振幅值和頻率；將振幅值和頻率經(jīng)過Zigbee無線通訊模塊發(fā)送至上位機。本發(fā)明的傳感器解決了現(xiàn)有懸臂梁式微風(fēng)振動監(jiān)測傳感器存在的頻率響應(yīng)效果差及對溫度較為敏感的問題。
【專利說明】基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，本發(fā)明還涉及上述輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器的監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)測振標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的微風(fēng)振動檢測采用彎曲振幅法，而我國現(xiàn)行的《架空輸電線路微風(fēng)振動在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》中也采用該辦法進行監(jiān)測。該檢測方法使用的測振儀均采用懸臂梁式傳感器，主要是測量輸電導(dǎo)線的彎曲幅度，一般將懸臂梁式傳感器安裝在線夾出口 89_處來監(jiān)測輸電導(dǎo)線的變形量，懸臂梁式傳感器的一端固定在線夾上，另一端和輸電導(dǎo)線接觸，輸電導(dǎo)線的振動直接傳遞給懸臂梁式傳感器，懸臂梁式傳感器受壓后的輸出為與變形量成線性關(guān)系的信號量，經(jīng)采集傳感器輸出信號來計算出微風(fēng)振動的振幅和頻率信息。但機械懸臂梁一般由金屬材料制作，其固有的熱脹冷縮導(dǎo)致的懸臂梁對溫度的交叉靈敏成為該類傳感器性能提高的瓶頸。雖然相關(guān)文獻采用了諸如:雙金屬材料補償法、雙重疊等腰三角形懸臂梁方法、機械補償結(jié)構(gòu)設(shè)計以及參考光纖光柵等技術(shù)方法對溫度造成的誤差進行補償，盡管在一定程度上可以達到溫度交叉敏感補償?shù)哪康?，但這些方法都比較復(fù)雜且溫度補償范圍有限。
[0003]光纖器件具有良好的抗電磁干擾能力，近年來被廣泛應(yīng)用于振動測量中，特別是塑料光纖，由于其相對較為柔軟、重量較輕、成本較低，并且易安裝，使其在測量領(lǐng)域應(yīng)用頗為廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，解決了現(xiàn)有懸臂梁式微風(fēng)振動監(jiān)測傳感器存在的頻率響應(yīng)效果差及對溫度較為敏感的問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供上述輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器的監(jiān)測方法。
[0006]本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，包括有MCU運算控制單元，MCU運算控制單元分別通過導(dǎo)線連接有供電模塊、光感模塊，MCU運算控制單元通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)依次連接有Zigbee通訊模塊、上位機。
[0007]本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點還在于:
[0008]光感模塊，包括有光源發(fā)射裝置，光源發(fā)射裝置通過復(fù)合式光纖與光電轉(zhuǎn)換器連接，所述光電轉(zhuǎn)換器通過導(dǎo)線與所述放大電路連接。
[0009]復(fù)合式光纖由兩根完全相同的單根多模塑料光纖組成，一根作為接收光纖，另一根作為發(fā)射光纖；復(fù)合式光纖的長度為89mm。
[0010]光電轉(zhuǎn)換器采用的是PIN光電二極管；放大電路采用LM358運算放大器。
[0011 ] 供電模塊，包括有導(dǎo)線互感取能模塊和蓄電池，導(dǎo)線互感取能模塊和蓄電池分別通過導(dǎo)線與控制器連接，控制器通過導(dǎo)線與開關(guān)電源芯片連接，開關(guān)電源芯片與MCU運算控制單元連接。
[0012]導(dǎo)線互感取能模塊采用的是開環(huán)電流互感器；蓄電池為鋰電池；開關(guān)電源芯片的型號為tps61130。
[0013]MCU運算控制單元的型號為MSP430。
[0014]本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，
[0015]步驟1、將基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器安裝于輸電導(dǎo)線上:
[0016]在輸電導(dǎo)線上的線夾處垂直設(shè)置第一擋板和第二擋板，第一擋板和第二擋板之間的距離為89mm ；
[0017]將光感模塊內(nèi)的光源發(fā)射裝置設(shè)置于第一擋板上，光源發(fā)射裝置發(fā)出的光源能照射在第二擋板上，將復(fù)合式光纖緊貼于輸電導(dǎo)線粘附，將光感模塊內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器及放大器分別通過支撐裝置安裝在輸電導(dǎo)線上；
[0018]再將MCU運算控制單元通過支撐裝置安裝在輸電導(dǎo)線上，MCU運算控制單元分別與供電模塊及Zigbee通訊模塊連接。
[0019]步驟2、經(jīng)步驟I安裝完基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器后，啟動供電模塊，監(jiān)測開始，MCU運算控制單元進行初始化，由光感模塊依次進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，輸出光纖相位變化電信號:
[0020]步驟3、將經(jīng)步驟2得到的光纖相位變化電信號作為輸入信號輸送至MCU運算控制單元，經(jīng)MCU運算控制單元的計算，得到輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動的振幅值和頻率；
[0021]步驟4、將經(jīng)步驟3計算得到的輸電線路微風(fēng)振動的振幅值A(chǔ)和頻率仁經(jīng)過Zigbee無線通訊模塊發(fā)送至上位機。
[0022]本發(fā)明第二種技術(shù)方案的特點還在于:
[0023]步驟2具體按照以下步驟實施:
[0024]步驟2.1、經(jīng)步驟I安裝完基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器后，啟動供電模塊，監(jiān)測開始，MCU運算控制單元進行初始化；
[0025]步驟2.2、經(jīng)步驟2.1，光感模塊內(nèi)的光源發(fā)射裝置發(fā)射出光源，由光源產(chǎn)生出光信號，光信號經(jīng)光源耦合到發(fā)射光纖，再經(jīng)發(fā)射光纖傳輸，射向第二擋板，被第二擋板反射到接收光纖，接著由光電轉(zhuǎn)換器接收；
[0026]步驟2.3、將步驟2.2，光電轉(zhuǎn)換器將接收的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的小電流信號后傳輸給放大電路，經(jīng)放大電路將小電流信號放大，得到光纖相位變化電信號。
[0027]步驟3具體按照以下算法實施:
[0028]步驟3.1、將經(jīng)步驟2得到的光纖相位變化電信號送入MCU運算控制單元；
[0029]步驟3.2、MCU運算控制單元內(nèi)已經(jīng)嵌入了智能計算方法，用上述智能計算方法來處理經(jīng)步驟3.1輸入的光纖相位變化電信號，經(jīng)計算得到輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動的振幅值和頻率，具體按照以下步驟實施:
[0030]步驟3.2.1、利用MCU運算控制單元內(nèi)嵌的智能計算方法，并根據(jù)接收到的光纖相位變化電信號，計算得到光纖相位變化量Δ供，具體按照以下算法實施:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，包括有MCU運算控制單元(5)，所述MCU運算控制單元(5)分別通過導(dǎo)線連接有供電模塊(7)、光感模塊(8)，所述MCU運算控制單元(5)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)依次連接有Zigbee通訊模塊(6)、上位機(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述光感模塊(8)，包括有光源發(fā)射裝置(1)，所述光源發(fā)射裝置(I)通過復(fù)合式光纖(2)與所述光電轉(zhuǎn)換器(3)連接，所述光電轉(zhuǎn)換器(3)通過導(dǎo)線與所述放大電路(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述復(fù)合式光纖(2)由兩根完全相同的單根多模塑料光纖組成,一根作為接收光纖，另一根作為發(fā)射光纖； 所述復(fù)合式光纖(2)的長度為89mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換器(3)采用的是PIN光電二極管； 所述放大電路(4)采用LM358運算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述供電模塊(7)，包括有導(dǎo)線互感取能模塊(9)和蓄電池(10)，所述導(dǎo)線互感取能模塊(9)和蓄電池(10)分別通過導(dǎo)線與控制器(11)連接，所述控制器(11)通過導(dǎo)線與開關(guān)電源芯片(12)連接，所述開關(guān)電源芯片(12)與所述MCU運算控制單元(5)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)線互感取 能模塊(9)采用的是開環(huán)電流互感器； 所述蓄電池(10)為鋰電池； 所述開關(guān)電源芯片(12)的型號為tps61130。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器，其特征在于，所述MCU運算控制單元(5)的型號為MSP430。
8.基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器的監(jiān)測方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施: 步驟1、將基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器安裝于輸電導(dǎo)線(17)上: 在輸電導(dǎo)線(17)上的線夾處垂直設(shè)置第一擋板(14)和第二擋板(18)，第一擋板(14)和第二擋板(18)之間的距離為89mm ； 將光感模塊(8)內(nèi)的光源發(fā)射裝置(I)設(shè)置于第一擋板(14)上，光源發(fā)射裝置(I)發(fā)出的光源能照射在第二擋板(18)上，將復(fù)合式光纖(2)緊貼于輸電導(dǎo)線(17)粘附，將光感模塊(8 )內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器(3 )及放大器(4)分別通過支撐裝置安裝在輸電導(dǎo)線(17 )上；再將MCU運算控制單元(5)通過支撐裝置安裝在輸電導(dǎo)線(17)上，MCU運算控制單元(5)分別與供電模塊(7)及Zigbee通訊模塊(6)連接。 步驟2、經(jīng)步驟I安裝完基于光纖的輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器后，啟動供電模塊(7)，監(jiān)測開始，MCU運算控制單元(5)進行初始化，由光感模塊(8)依次進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，輸出光纖相位變化電信號: 步驟3、將經(jīng)步驟2得到的光纖相位變化電信號作為輸入信號輸送至MCU運算控制單元(5)，經(jīng)MCU運算控制單元(5)的計算，得到輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動的振幅值和頻率； 步驟4、將經(jīng)步驟3計算得到的輸電線路微風(fēng)振動的振幅值A(chǔ)和頻率fn經(jīng)過Zigbee無線通訊模塊(6 )發(fā)送至上位機(13)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器的監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟2具體按照以下步驟實施: 步驟2.1、經(jīng)步驟I安裝完基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器后，啟動供電模塊(7)，監(jiān)測開始，MCU運算控制單元(5)進行初始化； 步驟2.2、經(jīng)步驟2.1，光感模塊(8)內(nèi)的光源發(fā)射裝置(I)發(fā)射出光源，由光源產(chǎn)生出光信號，光信號經(jīng)光源耦合到發(fā)射光纖(15)，再經(jīng)發(fā)射光纖(15)傳輸，射向第二擋板(18)，被第二擋板(18)反射到接收光纖(16)，接著由光電轉(zhuǎn)換器(3)接收； 步驟2.3、將步驟2.2，光電轉(zhuǎn)換器(3)將接收的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的小電流信號后傳輸給放大電路(4)，經(jīng)放大電路(4)將小電流信號放大，得到光纖相位變化電信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光纖的輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測數(shù)字傳感器的監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟3具體按照以下步驟實施: 步驟3.1、將經(jīng)步驟2得到的光纖相位變化電信號送入MCU運算控制單元(5)； 步驟3.2、MCU運算控制單元(5)內(nèi)已經(jīng)嵌入了智能計算方法，用上述智能計算方法來處理經(jīng)步驟3.1輸入的光纖相位變化電信號，經(jīng)計算得到輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動的振幅值和頻率，具體按照以下步驟實施: 步驟3.2.1、利用MCU運算控制單元(5)內(nèi)嵌的智能計算方法，并根據(jù)接收到的光纖相位變化電信號，計算得到光纖相位變化量Δ爐，具體按照以下算法實施:
【文檔編號】G01H9/00GK103868580SQ201410072916
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】黃新波, 張亞維, 王玉鑫, 李自清 申請人:西安工程大學(xué)