基于光纖光柵的鐵塔擺幅監測方法研究

黃平平，王昌，劉小會，郭健

(1.中國人民解放軍92325部隊，山西 大同037000;2.山東省科學院激光研究所，山東 濟南250014)

在短波發射臺中，大型架空天線幕依靠鐵塔支撐在空中。鐵塔有的高達二百多米，靠3個水平方向上相間120°角的斜拉索固定［1］，天線幕和鐵塔結構如圖1所示。

由于受到熱脹冷縮、風速風向等因素的影響，吊索和斜拉索的張力也隨著天氣環境的變化發生改變。所以鐵塔的平衡狀態是一個動態變化的過程，在水平方向總存在一定的擺幅和傾斜，一旦鐵塔的擺幅(即鐵塔頂端的橫向位移)或傾斜超過一定的限值，就有攔腰折斷的危險，造成重大安全事故。為了保證大型天線的安全運行，在天線的日常維護過程中，對鐵塔擺幅等變化情況要進行監測，并根據監測數據，對拉索長度和天線幕高度作相應的調節，這是必須且非常重要的工作內容。傳統的監測手段是用經緯儀在露天測量鐵塔的擺幅，對整個天線系統測量一次需要一個多星期。但是在有雨或風沙天氣時無法測量，甚至在無云的晴天也難以測量，這使得測量周期會更長，耗時費力，而且不能隨時掌握天線鐵塔平衡系統的變化狀態。遇有嚴寒或強風等氣象條件，只有靠經驗判斷來降低天線幕的高度，以犧牲天線的輻射效率為代價滿足對鐵塔平衡狀態的要求。這種長期以來的做法主觀、片面性強，既不能及時發現問題，又不能有針對性地解決問題，因此迫切需要一套實時、可靠的監測系統對鐵塔進行監測［1－2］。

圖1 天線幕和鐵塔結構示意圖Fig.1 Illustration of antenna curtains and towers

光纖傳感器自20世紀70年代問世以來，受到了廣泛的關注，特別是近幾年，光纖傳感器的工程應用研究發展迅速。其中，光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器，可以直接傳感溫度和應變，具有抗電磁干擾、不怕雷擊、可以遠距離傳輸以及多傳感器復用等特點，應用范圍越來越廣［3－5］。對光纖傳感器在輸電桿塔監測方面的應用已有研究［6－7］，但都是在鐵塔本身上進行應變監測。本文基于光纖光柵傳感技術，提出了一種實時監測鐵塔斜拉索應變和頂端擺幅的新方法，監測精度高，能夠滿足對天線鐵塔擺幅的監測要求，可以為維護、運行天線提供24小時不間斷的狀態數據。

1 傳感器設計原理

光纖光柵是在光纖纖芯內介質折射率呈周期性變化的一種光纖無源器件。當一束寬光譜光λ經過光纖光柵時，被光柵反射回一單色光λB，相當于一個窄帶的反射鏡，見圖2。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和有效折射率neff有關:

λB=2neffΛ。

光纖光柵上溫度、應變的變化會引起周期Λ和折射率neff的變化，從而使光纖光柵反射光的中心波長λB發生變化，通過檢測λB的變化，就可以獲得相應的溫度和應變的信息，這就是用光纖光柵檢測溫度和應變的基本原理。當光纖上無應變，溫度變化ΔT時，有

圖2 光纖光柵原理圖Fig.2 Schematic diagram of a fiber grating

式中KT為光纖Bragg光柵的溫度系數，由此可見，波長的漂移與溫度的變化成線性關系。當溫度不變，光纖受到軸向應力作用而產生軸向應變ε時，有

式中Kε為光纖Bragg光柵的應變系數。因此，波長的漂移與應變成線性關系［8］。

由于光纖光柵很脆弱，直接用于工程現場測試易損壞，需要封裝成傳感器使用，為此設計了如圖3所示的光纖光柵應變傳感器。首先根據測試及安裝要求，設計剛度適中的彈性梁，然后將光纖光柵固定在彈性梁兩端。彈性梁兩端通過安裝座安裝到被測物體上，當被測物體產生應變時，彈性梁隨之變形，光纖光柵上也產生與被測應變成比例的變形。通過標定可以得到被測應變和光纖光柵波長的關系，見圖4。另外，由于光纖光柵波長同時受溫度影響，在進行應變測量時必須將其消除，所以還需在測應變的光纖光柵上串聯一根不受力的光纖光柵，只對溫度敏感，這樣就可以對應變測量實現溫度補償，達到精確測量應變的目的。

圖3 光纖光柵應變傳感器結構示意圖Fig.3 Illustration of a fiber grating strain sensor

2 鐵塔監測方案

由于鐵塔很高，直接測試鐵塔擺幅，即鐵塔頂端的橫向位移是比較困難的。但可以測試鐵塔上的三條斜拉鋼索的應變，通過計算得到鐵塔頂端的橫向位移。因此在三條鋼索上安裝光纖應變傳感器，分別測得三條鋼索的應變變化為ε1、ε2和ε3。如圖5所示建立坐標系，將任何方向的擺動位移都可分解為x方向和y方向的位移，由x方向位移引起的三條鋼索上的應變分別用ε1x、ε2x和ε3x表示，y方向的用ε1y、ε2y和ε3y表示。另外，由于環境的溫度變化，三條鋼索熱脹冷縮引起的應變可以認為是一致的，用εT表示。則我們所測得的應變可表示為:

圖4 應變傳感器標定曲線Fig.4 The scaled-curve of a strain sensor

由于鋼索都是與地面成45°角的，由幾何關系可得∠CO'x'= ∠BO'x'≈ 110°，∠AO'x'=45°，∠AO'y'=90°，∠BO'y'≈ 128°，∠CO'y'≈52°。假定斜拉鋼索長度為l，當塔頂在x'方向有位移Sx，由于Sx＜＜l，由幾何關系有

當塔頂在y'方向有位移Sy，則有

聯立(1)～(5)式可以得到Sx，Sy:

圖5 鋼索應變計算圖Fig.5 Strain calculation of a stay cable

則塔頂點擺幅S和方向角α為

所以，通過3支光纖應變傳感器測量的應變值可以計算鐵塔頂端的搖擺幅度。

假定光纖應變傳感器的精度為1 με，鐵塔高為240 m，斜拉索長度l≈340 m，那么由式(2)知測試橫向位移的最小分辨率為0.48 mm，對應的傾斜度為0.48 mm/240 m=1/500 000。若光纖應變傳感器分辨率為10 με，橫向位移測量分辨率為4.8 mm，對應的傾斜度為1/50 000。而一般通信鐵塔的傾斜度報警值為1/1 500，所以采用這種方法測試，在精度上完全能滿足應用。

3 現場試驗

通常一套天線幕包含十幾座支撐鐵塔，每座鐵塔都需要監測。利用光纖光柵傳感器可以遠距離傳輸和復用組網的特性，可以非常方便地實現對整個天線幕鐵塔的監測。如圖6所示，在某通信站的3×6的鐵塔陣列里，每座鐵塔的三根斜拉索上各安裝一個光纖應變傳感器，用一根光纖串聯起來，接在地面監控室中的光纖光柵解調儀上，解調儀將每個傳感器的應變計算出來，通過網線傳輸到監控計算機上，監控計算機進行擺幅、傾斜度等的計算，并實現顯示和報警等功能。

圖6 光纖光柵鐵塔監測系統框圖Fig.6 Block diagram of a fiber grating tower monitoring system

在現場測試中，同時采用全站儀(精度2″)測試塔頂擺幅，與光纖測試結果進行對比，如表1所示，測試偏差基本上在10 mm以內，相當于1/24 000的傾斜度，大大低于1/1 500的報警值，完全能夠滿足鐵塔監測報警的要求。

表1 測試數據對比Table 1 Comparison of measurement data

續表1

4 結語

本文針對大型短波架空天線幕鐵塔的安全監測需求，采用光纖光柵傳感技術，設計了一套鐵塔擺幅的實時監測系統，并應用于現場測試。試驗結果證明，該系統可以準確測試鐵塔的擺幅，傾斜度誤差約1/24 000，能夠滿足鐵塔安全報警的要求，可以代替人工定期測試的方法。并可以實現24 h不間斷的監測，提高了報警的實時性。與電子類傳感器相比，光纖光柵傳感器不怕雷擊、抗電磁干擾、可以遠距離傳輸且能復用，一臺儀器可以接成百上千個傳感器，非常適用于露天的大陣列鐵塔監測，推廣潛力很大。

［1］阮忠耿.談談中短波天線桅桿拉線拉力及其測試和調整［J］.廣播電視信息(下半月刊)，2007(8):64－68.

［2］楊艾青，郝軍，郝天順.談短波發射天線系統的管理與維護［J］.內蒙古廣播與電視技術，1999(2):40－42.

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［5］黃運，陳瑋，李伯楠.光纖光柵傳感器在鋼橋面鋪裝長期監測中的應用［J］.城市道橋與防洪，2012(6):327－329.

［6］王旭，劉知貴，白克強，等.基于光柵傳感器的高壓輸電線桿塔監測［J］.西南科技大學學報，2012，27(2):69－72.

［7］黃春林，張利平.光柵傳感技術在輸電桿塔傾斜監測中的應用［J］.電力系統通信，2009，30(204):28－31.

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