基于光纖光柵的鐵塔擺幅監(jiān)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(xué)院激光研究所，山東 濟南250014)

在短波發(fā)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(jié)構(gòu)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(huán)境的變化發(fā)生改變。所以鐵塔的平衡狀態(tài)是一個動態(tài)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(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對拉索長度和天線幕高度作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，這是必須且非常重要的工作內(nèi)容。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段是用經(jīng)緯儀在露天測量鐵塔的擺幅，對整個天線系統(tǒng)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(tǒng)的變化狀態(tài)。遇有嚴寒或強風等氣象條件，只有靠經(jīng)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(tài)的要求。這種長期以來的做法主觀、片面性強，既不能及時發(fā)現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)對鐵塔進行監(jiān)測［1－2］。

圖1 天線幕和鐵塔結(jié)構(gòu)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(guān)注，特別是近幾年，光纖傳感器的工程應(yīng)用研究發(fā)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(yīng)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(fù)用等特點，應(yīng)用范圍越來越廣［3－5］。對光纖傳感器在輸電桿塔監(jiān)測方面的應(yīng)用已有研究［6－7］，但都是在鐵塔本身上進行應(yīng)變監(jiān)測。本文基于光纖光柵傳感技術(shù)，提出了一種實時監(jiān)測鐵塔斜拉索應(yīng)變和頂端擺幅的新方法，監(jiān)測精度高，能夠滿足對天線鐵塔擺幅的監(jiān)測要求，可以為維護、運行天線提供24小時不間斷的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1 傳感器設(shè)計原理

光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)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(jīng)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(guān):

λB=2neffΛ。

光纖光柵上溫度、應(yīng)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(fā)生變化，通過檢測λB的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖光柵檢測溫度和應(yīng)變的基本原理。當光纖上無應(yīng)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(shù)，由此可見，波長的漂移與溫度的變化成線性關(guān)系。當溫度不變，光纖受到軸向應(yīng)力作用而產(chǎn)生軸向應(yīng)變ε時，有

式中Kε為光纖Bragg光柵的應(yīng)變系數(shù)。因此，波長的漂移與應(yīng)變成線性關(guān)系［8］。

由于光纖光柵很脆弱，直接用于工程現(xiàn)場測試易損壞，需要封裝成傳感器使用，為此設(shè)計了如圖3所示的光纖光柵應(yīng)變傳感器。首先根據(jù)測試及安裝要求，設(shè)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(chǎn)生應(yīng)變時，彈性梁隨之變形，光纖光柵上也產(chǎn)生與被測應(yīng)變成比例的變形。通過標定可以得到被測應(yīng)變和光纖光柵波長的關(guān)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(yīng)變測量時必須將其消除，所以還需在測應(yīng)變的光纖光柵上串聯(lián)一根不受力的光纖光柵，只對溫度敏感，這樣就可以對應(yīng)變測量實現(xiàn)溫度補償，達到精確測量應(yīng)變的目的。

圖3 光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of a fiber grating strain sensor

2 鐵塔監(jiān)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(yīng)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(yīng)變傳感器，分別測得三條鋼索的應(yīng)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(yīng)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(huán)境的溫度變化，三條鋼索熱脹冷縮引起的應(yīng)變可以認為是一致的，用εT表示。則我們所測得的應(yīng)變可表示為:

圖4 應(yīng)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(guān)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(guān)系有

當塔頂在y'方向有位移Sy，則有

聯(lián)立(1)～(5)式可以得到Sx，Sy:

圖5 鋼索應(yīng)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(yīng)變傳感器測量的應(yīng)變值可以計算鐵塔頂端的搖擺幅度。

假定光纖應(yīng)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(yīng)的傾斜度為0.48 mm/240 m=1/500 000。若光纖應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。

3 現(xiàn)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(jiān)測。利用光纖光柵傳感器可以遠距離傳輸和復(fù)用組網(wǎng)的特性，可以非常方便地實現(xiàn)對整個天線幕鐵塔的監(jiān)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(yīng)變傳感器，用一根光纖串聯(lián)起來，接在地面監(jiān)控室中的光纖光柵解調(diào)儀上，解調(diào)儀將每個傳感器的應(yīng)變計算出來，通過網(wǎng)線傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機上，監(jiān)控計算機進行擺幅、傾斜度等的計算，并實現(xiàn)顯示和報警等功能。

圖6 光纖光柵鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of a fiber grating tower monitoring system

在現(xiàn)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(jié)果進行對比，如表1所示，測試偏差基本上在10 mm以內(nèi)，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(jiān)測報警的要求。

表1 測試數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of measurement data

續(xù)表1

4 結(jié)語

本文針對大型短波架空天線幕鐵塔的安全監(jiān)測需求，采用光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計了一套鐵塔擺幅的實時監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場測試。試驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)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(xiàn)24 h不間斷的監(jiān)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(fù)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(jiān)測，推廣潛力很大。

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