FAST主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

王曉琳 李東平 朱明 周庠天 王雄彪 黃漢斌

摘 要：對500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行了研究.確定了主要監(jiān)測內(nèi)容，設(shè)計了系統(tǒng)整體架構(gòu)，并對硬件所涉及的傳感器技術(shù)、電磁兼容進(jìn)行了研究.基于美國NI公司labwindows /CVI平臺開發(fā)了軟件系統(tǒng)，選用MySQL數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng).研究了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及預(yù)警方法.并成功在FAST工程施工期、服役期實際應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：FAST；主動反射面；健康監(jiān)測；安全預(yù)警；傳感器

中圖分類號：TU311 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.014

0 引言

中國科學(xué)院國家天文臺500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，簡稱FAST）工程建設(shè)于貴州省某地，2016年9月投入使用，F(xiàn)AST效果圖如圖1所示.FAST利用山區(qū)凹地建造世界最大口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其主動反射面系統(tǒng)是一個口徑500 m的球面，包含圈梁、主索網(wǎng)、反射面、促動器、下拉索、地錨等構(gòu)件.主索網(wǎng)與環(huán)形圈梁相連接，有2 000多個核心節(jié)點，在主索網(wǎng)上安裝有約4 000多個反射面單元，每個節(jié)點下方連接一個下拉索，下拉索通過促動器與地錨連接，通過控制促動器，實現(xiàn)瞬時拋物面，從而進(jìn)行天文觀測[1]. 結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

FAST 圈梁與格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，體系龐大，且因為格構(gòu)柱高度差異的影響，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜.在FAST 服役過程中，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)變位，導(dǎo)致圈梁與格構(gòu)柱的結(jié)構(gòu)形態(tài)、構(gòu)件應(yīng)力變化.在圈梁與格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)施工完成、索網(wǎng)張拉成型后，吊裝設(shè)備會利用圈梁做為軌道吊裝反射面板.這些因素都加劇了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此，對FAST 圈梁與格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程以及服役過程的健康監(jiān)測是非常有必要的.構(gòu)建健康監(jiān)測系統(tǒng)可以同時為FAST 施工期和服役期提供技術(shù)支持，實時反饋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，掌控FAST 整體的運行安全性.本文主要對主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與應(yīng)用研究.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

FAST主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項主要包括主動反射面系統(tǒng)自主監(jiān)測項和FAST 測控系統(tǒng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測項兩個部分.監(jiān)測期分為施工期與服役期兩個階段.監(jiān)測項內(nèi)容如表1所示.

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

如1.1所述，系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)應(yīng)變、主索索力、環(huán)境荷載（風(fēng)速風(fēng)向）、圈梁牽索板節(jié)點位置、促動器相關(guān)信息（油溫、油壓、氣溫、氣壓、位置、下拉索索力）、節(jié)點位移等相關(guān)參數(shù).為便于利用FAST工程環(huán)網(wǎng)，系統(tǒng)可采用分布式架構(gòu)，所有采集設(shè)備應(yīng)采用就近原則，利用現(xiàn)場的12個中繼室進(jìn)行布置；所有光纖傳感器都接入7#-12#共6個中繼室內(nèi)的光纖采集子站.主索振弦傳感器都接至1#、2#、6#共3個中繼室采集子站.風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用光纖傳輸至12#中繼室.監(jiān)測系統(tǒng)可分為傳感器層、數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層，架構(gòu)圖如圖3所示.

2 系統(tǒng)硬件

FAST工程傳感器及儀器的選型主要從先進(jìn)性、可靠性、耐久性、可維護(hù)性、精度適中以及防電磁干擾等因素考慮[2].測控系統(tǒng)監(jiān)測項直接從總控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，本文不做考慮.自主監(jiān)測項主要包括主索索力監(jiān)測、圈梁格構(gòu)柱應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測、圈梁風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測4個監(jiān)測參數(shù).

2.1 主索索力

從科學(xué)經(jīng)濟(jì)的角度考慮，不可能對每一根主索的索力都進(jìn)行監(jiān)控，只能選擇部分代表性的、風(fēng)險較大的拉索布設(shè)監(jiān)測傳感器.設(shè)計時主要從4個方面考慮：1）邊緣區(qū)域拉索；2）應(yīng)力幅變化較大的拉索；3）內(nèi)力較大的拉索；4）對稱布設(shè).

目前較為成熟的拉索索力測量的方法有振弦傳感法[3]、光纖光柵傳感法[4]、磁通量法[5].結(jié)合3種不同技術(shù)的原理、傳輸距離、測量精度及電磁屏蔽方式的特點，選擇在大窩凼鍋底部位傳輸距離較近的位置的拉索安裝振弦傳感器，在邊緣主索部位精度要求高的位置同時安裝光纖光柵傳感器和磁通量傳感器，其余中間部位傳輸距離較長的關(guān)鍵拉索安裝光纖光柵傳感器.

1）振弦傳感法

振弦式應(yīng)變計監(jiān)測原理：在兩塊安裝塊之間張拉一根鋼弦，在待測拉索錨頭部位沿軸向表面焊接兩個安裝塊.拉索索力的變化會引起錨杯表面處應(yīng)力變化，使得兩個安裝塊相對運動，從而導(dǎo)致鋼弦張拉力的變化，用緊貼鋼弦的電磁線圈激勵鋼弦并測量出其共振頻率，共振頻率與鋼弦張力成比例關(guān)系，根據(jù)這個原理測量出拉索索力[6].如圖4所示.

2）光纖光柵法

光纖光柵傳感器測量原理：主要是光纖光柵傳感器反射的中心波長會隨著應(yīng)力的變化而漂移，通過獲取光柵反射的中心波長的變化值而間接地測量其應(yīng)力值[7].使用定制的安裝底座將光纖光柵傳感器軸向安裝于拉索錨頭線性應(yīng)變部位，并通過保護(hù)外罩將補償光纖光柵溫度計與應(yīng)變計一并進(jìn)行固定及保護(hù)，提高了傳感器的耐久性，解決了應(yīng)變計與溫度計的溫度一致性.使用溫度-應(yīng)變補償方法來解決存在的應(yīng)變溫度交叉敏感問題[8].如圖5所示.

3）磁通量法

磁通量傳感器的監(jiān)測原理：當(dāng)鐵材質(zhì)的拉索受到外界荷載作用時，其內(nèi)部將會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，相應(yīng)地磁導(dǎo)率會發(fā)生改變，通過測量磁導(dǎo)率變化來反映應(yīng)力的變化.在同一溫度條件下，鐵磁材料內(nèi)應(yīng)力與磁導(dǎo)率變化存在一定的規(guī)律，利用拉索的磁導(dǎo)率-應(yīng)力關(guān)系曲線，從而可以測量出拉索索力[9]，如圖6所示.磁通量傳感器安裝方式為直接袖套在拉索上面.考慮到其電磁干擾的影響，不納入在線監(jiān)測系統(tǒng)中，后期采用人工巡檢方式進(jìn)行測量，安裝圖如圖7所示.

2.2 圈梁及格構(gòu)柱應(yīng)力應(yīng)變

圈梁與格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測測點布置結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的施工過程、服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點及受力特性進(jìn)行了綜合考慮.從50個格構(gòu)柱中對稱選擇關(guān)鍵的10個格構(gòu)柱以及對應(yīng)的圈梁段進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點分布如圖8所示.將傳感器焊接在相應(yīng)的格構(gòu)柱水平拉桿、柱底柱肢、圈梁的斜腹桿、下弦桿、內(nèi)側(cè)環(huán)向弦桿.

圈梁與格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測也選用光纖光柵應(yīng)變計和振弦應(yīng)變計，其測量原理與拉索索力測量原理類似.

2.3 圈梁風(fēng)速風(fēng)向

基于電磁屏蔽的考慮，圈梁風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測選用光纖光柵傳感原理.風(fēng)速傳感器基于風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比的原理.風(fēng)向傳感器是通過風(fēng)向標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度可以確定風(fēng)向，通過換能元件把風(fēng)向標(biāo)角度的變化及時準(zhǔn)確地傳遞給光纖光柵，使得光纖光柵中心波長移位，利用光纖光柵中心波長變化量可得出風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度[10].傳感器采用法蘭安裝方法安裝在圈梁上.風(fēng)速風(fēng)向?qū)嵨锶鐖D9所示.

2.4 環(huán)境溫度

FAST工程為大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，直接暴露在室外，環(huán)境溫度的測量受周圍環(huán)境溫度變化影響非常顯著[11].本系統(tǒng)布設(shè)的傳感器均有溫度補償用溫度計，共計600余支，并均勻分布在FAST各索網(wǎng)上，滿足溫度場的監(jiān)測.故不需單獨再布設(shè)溫度計.

2.5 電磁屏蔽

監(jiān)測系統(tǒng)使用諸多儀器儀表、傳感器等電子設(shè)備，其產(chǎn)生的電磁輻射可能會通過空間輻射或線路傳導(dǎo)的方式被FAST接收，當(dāng)干擾信號強度超過FAST接收靈敏度時，就會影響到正常觀測.基于以上的情況，監(jiān)測系統(tǒng)必須要考慮電磁屏蔽.

監(jiān)測系統(tǒng)主要的采集儀器有：光纖光柵解調(diào)儀、振弦傳感器采集儀、磁彈儀、風(fēng)速風(fēng)向采集儀等.光纖光柵解調(diào)儀直接布設(shè)在中繼室內(nèi)，振弦傳感器采集儀器需要在中繼室外單獨布設(shè)保護(hù)機(jī)柜，將電信號轉(zhuǎn)換為光纖信號后，再接入到中繼室內(nèi)部.中繼室整體做電磁屏蔽處理.磁通量傳感器做為離線檢測設(shè)備，F(xiàn)AST進(jìn)行觀測時不采集數(shù)據(jù).故不考慮其電磁屏蔽.采集儀器保護(hù)機(jī)柜按照軍標(biāo)C級屏蔽柜標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并通過EMC測試.機(jī)柜的整體設(shè)計示意圖如圖10所示，電磁兼容試驗示意圖見圖11.

3 系統(tǒng)軟件

3.1 軟件架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件選用美國NI公司labwindows/ CVI平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用由瑞典的AB 公司研發(fā)的開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL.采用Datasocket通信技術(shù)實現(xiàn)各中繼室終端之間的數(shù)據(jù)實時交互及分布式管理的.

軟件系統(tǒng)主要包括工況信息管理、硬件設(shè)備參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集及管理、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定及預(yù)警、系統(tǒng)管理等功能.如圖12—圖14所示.

3.2 數(shù)據(jù)庫

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析后監(jiān)測數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)（閾值）、極值監(jiān)測數(shù)據(jù)、工況維護(hù)數(shù)據(jù)6大類.針對監(jiān)測點、安裝部位、傳感器類型、傳感器參數(shù)、測量值以及觀測工況之間的邏輯關(guān)系，設(shè)計了數(shù)據(jù)庫邏輯圖，如圖15所示.

系統(tǒng)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括各監(jiān)測點不同時間的環(huán)境溫度、環(huán)境荷載（風(fēng)速風(fēng)向）、應(yīng)變、索力以及測控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)等.系統(tǒng)對采集到的原始數(shù)據(jù)按不同時間周期（如日、月、季度、年）進(jìn)行存儲及分析處理.并對處理前后的數(shù)據(jù)分開存儲，以便后期分析故障或報警原因時數(shù)據(jù)可回溯.并通過對原始信號的時域分析、頻域分析，建立特征數(shù)據(jù)表.

3.3 數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中因為一些信號干擾，會出現(xiàn)異常值.假如將這些數(shù)據(jù)直接去評估或預(yù)警，將會錯誤地觸發(fā)預(yù)警閾值.軟件設(shè)計采用了3種數(shù)據(jù)處理方式：

1）采用帶通濾波的方式，對超出傳感器正常數(shù)值范圍之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除.

2）采用拉依達(dá)（PauTa）準(zhǔn)則剔除異常值[12].先計算測量值Xi（i=1，2，…，n）的均值[X]以及殘余誤差Ui=Xi-[X]，并且按照貝塞爾公式計算出測量值的標(biāo)準(zhǔn)差S，如果某測量值Xd的殘余誤差Ud=Xd-[X]（1≤d≤n）滿足公式|Ud|>3 S，可以認(rèn)為Xd是異常值，需剔除.

3）剔除了粗差后會出現(xiàn)某一時間缺少測量值，采用全段拉格朗日一次插值法進(jìn)行補差[13].處理前后效果見圖16、圖17所示.

選取A017#—A023# 拉索，2017年5月23日—2017年6月4日采集到了3 009個索力及溫度樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.溫度與索力存在正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.587 4.通過觀測發(fā)現(xiàn)，促動器的動作和環(huán)境溫度的變化是FAST索網(wǎng)索力變化最關(guān)鍵的兩個因素.如圖18所示.

3.4 評估與預(yù)警

系統(tǒng)結(jié)合FAST工程設(shè)計單位建模分析后提供的各測點預(yù)警值信息.如表2所示.

本文研究設(shè)計了自動報警軟件.在軟件設(shè)置報警相關(guān)參數(shù)，運營期如有異常，將會按對應(yīng)等級的報警信息發(fā)送至總控系統(tǒng)，總控系統(tǒng)根據(jù)報警等級，再下發(fā)控制指令.并能對對應(yīng)的管理人員信箱發(fā)送報警信息.系統(tǒng)也定期自動出具固定格式的周、月、年監(jiān)測報告.

4 結(jié)論

1）主要結(jié)合FAST工程特點，設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，確定了監(jiān)測的對象.對監(jiān)測點布置進(jìn)行了設(shè)計.設(shè)計了分布式架構(gòu)的FAST結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng).

2）基于Labwindows/CVI平臺和MySQL數(shù)據(jù)庫平臺開發(fā)了系統(tǒng)軟件，研究了數(shù)據(jù)處理方法、評估預(yù)警方法，并成功在FAST工程中實現(xiàn)施工階段、服役階段的監(jiān)測應(yīng)用.

3）系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理及報警等功能，但還需結(jié)合FAST有限元模型以及FAST測控系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)等監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)綜合評估方面做進(jìn)一步研究.

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Design and application of health monitoring system of main reflector system for FAST

WANG Xiaolin1， LI Dongping1， ZHU Ming2， ZHOU Xiangtian1， WANG Xiongbiao1， HUANG Hanbin1

（1. Liuzhou OVM Structural Insepection Technology Co.， LTD.， Liuzhou 545006， China； 2. National Astronomical Observatories of China， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100039， China ）

Abstract：The design and application of health monitoring system of main reflector system for the five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope （FAST） was researched. The main monitoring content was determined and the overall architecture of the system was designed. The sensor technology and electromagnetic compatibility of the hardware were researched. Based on the NI company labwindows/CVI platform， the software system was developed， and MySQL database was used to establish the data management system. Data acquisition， data processing and early warning methods were studied. The system was applied in the construction and operation of the FAST project.

Key words： FAST； active reflector system； health monitoring； safety warning； sensor

（學(xué)科編輯：張玉鳳）