基于光纤的输电导线微风振动监测数字传感器及监测方法

摘要

本发明的基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器，包括有MCU运算控制单元，MCU运算控制单元分别通过导线连接有供电模块、光感模块，MCU运算控制单元通过Zigbee网络依次连接有Zigbee通讯模块、上位机。本发明还公开了上述传感器的监测方法，将输电线路微风振动监测数字传感器安装于输电导线上；MCU运算控制单元进行初始化，由光感模块依次进行数据采集、数据处理输出光纤相位变化电信号；将光纤相位变化电信号输送至MCU运算控制单元得到振幅值和频率；将振幅值和频率经过Zigbee无线通讯模块发送至上位机。本发明的传感器解决了现有悬臂梁式微风振动监测传感器存在的频率响应效果差及对温度较为敏感的问题。

主权项

基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器的监测方法，该方法依赖于基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器，该输电线路微风振动监测数字传感器，包括有MCU运算控制单元(5)，所述MCU运算控制单元(5)分别通过导线连接有供电模块(7)、光感模块(8)，所述MCU运算控制单元(5)通过Zigbee网络依次连接有Zigbee通讯模块(6)、上位机(13)；所述光感模块(8)包括有光发射装置(1)，所述光发射装置(1)通过复合式光纤(2)与光电转换器(3)连接，所述光电转换器(3)通过导线与放大电路(4)连接；所述复合式光纤(2)由两根完全相同的单根多模塑料光纤组成，一根作为接收光纤，另一根作为发射光纤；所述复合式光纤(2)的长度为89mm；所述光电转换器(3)采用的是PIN光电二极管；所述放大电路(4)采用LM358运算放大器；所述供电模块(7)包括有导线互感取能模块(9)和蓄电池(10)，所述导线互感取能模块(9)和蓄电池(10)分别通过导线与控制器(11)连接，所述控制器(11)通过导线与开关电源芯片(12)连接，所述开关电源芯片(12)与MCU运算控制单元(5)连接；所述MCU运算控制单元(5)的型号为MSP430；所述导线互感取能模块(9)采用的是开环电流互感器；所述蓄电池(10)为锂电池；所述开关电源芯片(12)的型号为tps61130；基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、将基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器安装于输电导线(17)上：在输电导线(17)上的线夹处垂直设置第一挡板(14)和第二挡板(18)，第一挡板(14)和第二挡板(18)之间的距离为89mm；将光感模块(8)内的光发射装置(1)设置于第一挡板(14)上，光发射装置(1)发出的光源能照射在第二挡板(18)上，将复合式光纤(2)紧贴于输电导线(17)粘附，将光感模块(8)内的光电转换器(3)及放大电路(4)分别通过支撑装置安装在输电导线(17)上；再将MCU运算控制单元(5)通过支撑装置安装在输电导线(17)上，MCU运算控制单元(5)分别与供电模块(7)及Zigbee通讯模块(6)连接；步骤2、经步骤1安装完基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器后，启动供电模块(7)，监测开始，MCU运算控制单元(5)进行初始化，由光感模块(8)依次进行数据采集、数据处理，输出光纤相位变化电信号，具体按照以下步骤实施：步骤2.1、经步骤1安装完基于光纤的输电线路微风振动监测数字传感器后，启动供电模块(7)，监测开始，MCU运算控制单元(5)进行初始化；步骤2.2、经步骤2.1，光感模块(8)内的光发射装置(1)发射出光，光信号经光源耦合到发射光纤(15)，再经发射光纤(15)传输，射向第二挡板(18)，被第二挡板(18)反射到接收光纤(16)，接着由光电转换器(3)接收；步骤2.3、经步骤2.2，光电转换器(3)将接收的光信号转化为相应的小电流信号后传输给放大电路(4)，经放大电路(4)将小电流信号放大，得到光纤相位变化电信号；步骤3、将经步骤2得到的光纤相位变化电信号作为输入信号输送至MCU运算控制单元(5)，经MCU运算控制单元(5)的计算，得到输电导线微风振动的振幅值和频率，具体按照以下步骤实施：步骤3.1、将经步骤2得到的光纤相位变化电信号送入MCU运算控制单元(5)；步骤3.2、MCU运算控制单元(5)内已经嵌入了智能计算方法，用上述智能计算方法来处理经步骤3.1输入的光纤相位变化电信号，经计算得到输电导线微风振动的振幅值和频率，具体按照以下步骤实施：步骤3.2.1、利用MCU运算控制单元(5)内嵌的智能计算方法，并根据接收到的光纤相位变化电信号，计算得到光纤相位变化量具体按照以下算法实施：式中：λ为光源的波长；n₁为复合式光纤芯的折射率；L为复合式光纤的长度；p₁₁为发射光纤的光弹系数，p₁₂为接收光纤的光弹系数；u为复合式光纤材料的泊松比；ε为复合式光纤的纵向应变；步骤3.2.2、经步骤3.2.1得到光纤相位变化量后，再根据应变与振动振幅之间的关系，计算得到输电线路微风振动的振幅值，具体按照以下算法实施：ε＝KAd；式中，A为输电线路微风振动的振幅值；ε为复合式光纤的纵向应变；d为输电线路的直径；$K=\frac{2\pi L}{\lambda }\{n_1-\frac{1}{2}{n}_1^3[(1-u)p_{12}-{\mathrm{up}}_{11}\left]\right\};$步骤3.2.3、利用傅立叶算法FFT，得到输电线路振动的频率f_n：对经步骤3.2.2得到的输电线路微风振动的振幅值A利用快速傅里叶算法处理，计算得到输电线路振动相应的频率f_n，具体按照以下算法实施：$f_n=(n_2-1)\times \frac{f_s}{N};$式中，n₂为第n个点；f_s为采样频率，采样频率取0～50Hz；N为FFT变换点数；步骤4、将经步骤3计算得到的输电线路微风振动的振幅值A和频率f_n经过Zigbee无线通讯模块(6)发送至上位机(13)。