基于光纖傳感器的輸電桿塔角鋼應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)研究

杜志葉， 趙鵬飛， 伍 川， 龍振華， 孟圣淳， 郝兆揚(yáng)

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 河南 鄭州 450015；3.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

輸電線路桿塔作為電力系統(tǒng)中輸電環(huán)節(jié)的重要樞紐，是電力輸送網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的重要保障。隨著中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，新型電力系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)智能化建設(shè)提出了更高的要求[1]。目前針對(duì)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要還是依靠人工運(yùn)維巡檢和無人機(jī)巡檢[2]，但是這些方式存在巡檢周期長(zhǎng)和監(jiān)測(cè)遲滯性的問題，并不能實(shí)時(shí)掌握輸電桿塔結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此，如何對(duì)輸電線路桿塔健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)一直都是電網(wǎng)運(yùn)維檢修重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展[3]，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)輸電桿塔的在線監(jiān)測(cè)展開研究，相關(guān)理論方法也取得了一定成果。高明等[4]基于傾角傳感器研究了對(duì)輸電桿塔傾斜角度監(jiān)測(cè)的方法；范貝貝[5]利用圖像處理的方式研究了基于智能視頻的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測(cè)方法；劉艷等[6]研究了基于衛(wèi)星技術(shù)的桿塔形變監(jiān)測(cè)方法。但是上述監(jiān)測(cè)方法只能間接監(jiān)測(cè)桿塔整體受力傾斜及形變的狀況，無法直接有效監(jiān)測(cè)到桿塔角鋼結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。近年來,新型傳感技術(shù)不斷向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展[7]，部分學(xué)者開始對(duì)桿塔角鋼應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。劉福營(yíng)[8]研究了基于電阻式應(yīng)變傳感器的桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，但是電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量精度受自然環(huán)境影響很大，必須對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行防水、防潮處理，采用的金屬基片容易疲勞導(dǎo)致靈敏度下降。黃新波等[9]采用一種粘貼光纖應(yīng)變片的方式對(duì)輸電桿塔角鋼應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但應(yīng)變片的安裝方式對(duì)測(cè)量精度影響較大。初金良等[10]在輸電桿塔不同高度位置上焊接振弦應(yīng)變計(jì)獲取角鋼應(yīng)變數(shù)據(jù)，對(duì)輸電桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)及疲勞破壞分析，但是焊接式的振弦應(yīng)變計(jì)存在使用壽命短和測(cè)量誤差大的問題。

針對(duì)上述輸電桿塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法存在的問題，本文基于光纖光柵傳感器提出了一種考慮傳感器安裝位置及方式的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)方法，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了輸電桿塔角鋼應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)某220 kV輸電線路桿塔進(jìn)行了安裝測(cè)試運(yùn)行，研究結(jié)果在實(shí)際工程應(yīng)用中具有較高的參考價(jià)值。

1 輸電桿塔角鋼表面應(yīng)變特性分析

1.1 角鋼表面應(yīng)變特性有限元模型

輸電線路中的角鋼鐵塔是一種空間超靜定結(jié)構(gòu)，工程上采用有限元分析理論對(duì)其進(jìn)行力學(xué)仿真計(jì)算[11]。在ANSYS軟件中多采用BEAM188單元來模擬桿塔角鋼，該單元基于Timoshenko梁理論，考慮了剪切變形效應(yīng)且變形后橫截面保持平面不發(fā)生扭曲，適用于對(duì)桿塔角鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[12]。

輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)需要在角鋼桿件上安裝應(yīng)變傳感器，通過獲取測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變值來判斷角鋼受力情況。然而對(duì)于傳感器在角鋼表面上的安裝位置，根據(jù)角鋼自身特點(diǎn)一共有4個(gè)面可以選擇，因此，為了提高角鋼應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)角鋼表面的應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，以輸電桿塔上L65×5規(guī)格的角鋼為研究對(duì)象進(jìn)行有限元仿真計(jì)算來提取其表面不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

BEAM188單元截面中的每個(gè)柵格內(nèi)含4個(gè)積分點(diǎn)，在材料本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算中，角鋼單元的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果先在截面的積分點(diǎn)處計(jì)算，然后再外推至截面的角節(jié)點(diǎn)處，在ANSYS軟件中通過定義單元表可以提取不同位置處的單元截面中的角節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。單元截面柵格的劃分情況如圖1所示，其中的數(shù)字表示角節(jié)點(diǎn)編號(hào)，A面和D面中的單元截面角節(jié)點(diǎn)(5、7、9、11、13和16、23、26、29、32)屬于角鋼外表面節(jié)點(diǎn)，B面和C面中的單元截面角節(jié)點(diǎn)(17、18、19、20、21和17、24、27、30、33)屬于角鋼內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)。

圖1 角鋼單元截面的角節(jié)點(diǎn)分布Figure 1 Nodes distribution of angle steel element section

1.2 角鋼表面應(yīng)變響應(yīng)仿真分析

對(duì)上述角鋼進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變仿真時(shí)，通過約束角鋼一端的全部自由度，對(duì)另一端模型分別施加z方向的軸向力和x、y方向的非軸向力，大小分別為200、400、600、800 N，，共模擬組合形成12種不同的外力荷載工況進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明：當(dāng)角鋼受軸向荷載時(shí)，四個(gè)面的角節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)變都一樣，并且外力荷載越大，節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)變?cè)酱?；?dāng)角鋼受非軸向荷載時(shí)，四個(gè)面的截面角節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果不同，對(duì)比分析不同表面的截面節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)變結(jié)果可知，相同工況下角鋼外表面的A面和D面比內(nèi)表面的B面和C面應(yīng)變響應(yīng)值大。當(dāng)外力為x方向的400 N非軸向荷載時(shí)，每個(gè)面上不同單元截面節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)變隨角鋼長(zhǎng)度變化的分布關(guān)系如圖2所示。

圖2 角鋼不同表面節(jié)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果Figure 2 Results of section nodes strain on angle steel

由圖2可以看出，當(dāng)角鋼受到非軸向荷載時(shí)，相同工況下角鋼外表面比內(nèi)表面的曲線斜率大，即角鋼外表面比內(nèi)表面的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度高，因此在對(duì)桿塔角鋼進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)要使所測(cè)角鋼應(yīng)變誤差相對(duì)較小，應(yīng)該考慮將傳感器安裝在應(yīng)變響應(yīng)靈敏度較大的角鋼外表面位置。

2 傳感器安裝方式對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響

2.1 光纖光柵傳感器的工作原理

光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器相比于傳統(tǒng)的傳感器具有靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。目前相關(guān)光纖傳感技術(shù)已比較成熟，將其用于測(cè)量輸電桿塔角鋼應(yīng)變可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)。其工作原理如圖3所示，寬譜光源發(fā)出的光進(jìn)入光柵，纖芯內(nèi)的光柵將滿足布拉格條件特定波長(zhǎng)的光反射回來，根據(jù)光纖光柵模式耦合理論可知反射光的中心波長(zhǎng)為

圖3 光纖光柵傳感器的工作原理Figure 3 Schematic diagram of FBG strain sensor

λB=2neffΛ。

(1)

式中：λB為反射光的中心波長(zhǎng)；neff為纖芯有效折射率；Λ為光纖光柵周期。

當(dāng)光纖光柵受到所處環(huán)境中應(yīng)變或溫度等物理量的影響時(shí)，neff和Λ將會(huì)發(fā)生變化，從而引起λB發(fā)生偏移，因此可以通過檢測(cè)λB的偏移量來監(jiān)測(cè)所處環(huán)境中應(yīng)變或溫度的變化。

反射光中心波長(zhǎng)λB的總偏移量與應(yīng)變和溫度的變化關(guān)系表達(dá)式如下：

(2)

式中：Pe為光纖有效彈光系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化；α和β為光纖的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化。

2.2 光纖光柵傳感器的標(biāo)定

在利用光纖光柵傳感器測(cè)量角鋼應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。在實(shí)驗(yàn)室中將長(zhǎng)度為800 mm的Q235角鋼置于拉伸試驗(yàn)機(jī)上，將其一端固定，另一端施加軸向拉伸和壓縮載荷使其產(chǎn)生應(yīng)變，測(cè)量記錄角鋼的實(shí)際應(yīng)變值ε(正方向表示拉伸，負(fù)方向表示壓縮)，即角鋼變化量ΔL與原長(zhǎng)度L的比值。通過光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)記錄反射光的中心波長(zhǎng)值，將記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)圖利用MATLAB曲線擬合得到光纖光柵應(yīng)變傳感器的靈敏度標(biāo)定曲線，如圖4所示。

圖4 傳感器的靈敏度標(biāo)定曲線Figure 4 Sensitivity calibration curve of strain sensor

反射光波長(zhǎng)和角鋼應(yīng)變的表達(dá)關(guān)系式為

λB=0.742 4×10-6ε+1.545×106。

(3)

從圖4中可以看出，反射光中心波長(zhǎng)和角鋼應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)為99.98%，因此可以將光纖光柵應(yīng)變傳感器用于準(zhǔn)確測(cè)量角鋼的應(yīng)變，其測(cè)量精度滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

2.3 傳感器安裝方式對(duì)角鋼應(yīng)變測(cè)量的影響

目前在FBG封裝方式上較多采用不會(huì)改變光纖光柵應(yīng)變傳感特性的毛細(xì)鋼管光纖光柵封裝工藝，并且經(jīng)研究表明在此封裝工藝基礎(chǔ)上采用兩端設(shè)置夾持構(gòu)件的傳感器應(yīng)變傳遞率最高[15]，因此本文選擇采用毛細(xì)鋼管封裝工藝的夾持式傳感器對(duì)桿塔角鋼應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于野外輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)，選擇合適的光纖光柵傳感器安裝方式，使角鋼應(yīng)變可以精準(zhǔn)有效地傳遞到光纖光柵傳感器中，也是實(shí)現(xiàn)角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

為了使光纖光柵傳感器與被測(cè)角鋼結(jié)構(gòu)緊密貼合，目前常見的安裝方式主要有膠粘劑粘貼和焊接兩種方式[16]。采用焊接方式會(huì)改變或損壞角鋼原有的結(jié)構(gòu)性能，使實(shí)際測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。因此本文根據(jù)輸電桿塔結(jié)構(gòu)中L角鋼的形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可拆卸手環(huán)式的L型專用夾具，如圖5所示，上下兩片L夾具可以將傳感器和角鋼緊密貼合產(chǎn)生協(xié)同形變。

圖5 傳感器夾具設(shè)計(jì)圖Figure 5 Schematic diagram of fixture design for sensor

在實(shí)驗(yàn)室中搭建測(cè)試平臺(tái)，采用本文設(shè)計(jì)的傳感器夾具和不同膠粘劑材料[16]將傳感器固定在角鋼外表面同一位置開展角鋼應(yīng)變實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如圖6所示。通過在其端部施加大小不同的荷載對(duì)角鋼應(yīng)變進(jìn)行多次測(cè)量并記錄，保持傳感器的安裝位置等其他因素不變，對(duì)比分析傳感器不同安裝方式對(duì)角鋼應(yīng)變測(cè)量的影響。為了避免偶然誤差，同一荷載作用下進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量取均值作為測(cè)量結(jié)果。

圖6 光纖光柵傳感器安裝方式Figure 6 The installation method of FBG sensor

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果的散點(diǎn)圖擬合曲線對(duì)比如圖7所示。將實(shí)測(cè)擬合方程中的一次項(xiàng)系數(shù)與仿真擬合方程的一次項(xiàng)系數(shù)之比定義為應(yīng)變傳遞系數(shù)，則302AB膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為57.88%；502膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為40.21%；704硅橡膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為35.60%；夾具安裝方式的應(yīng)變傳遞系數(shù)為94.34%。通過對(duì)比可以看出，采用夾具安裝方式下的角鋼應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的應(yīng)變傳遞系數(shù)和測(cè)量精度相對(duì)最高，因此使用本文設(shè)計(jì)的夾具方式固定傳感器對(duì)角鋼應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量能保證角鋼應(yīng)變可以有效傳遞給光纖光柵傳感器。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果擬合曲線Figure 7 Curves of experimental measurement results

3 算例分析

3.1 輸電塔線體系有限元模型

在對(duì)輸電桿塔角鋼應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)時(shí)，選擇合適的安裝位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)既要能充分反映輸電桿塔結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性的信息，也要考慮傳感器安裝數(shù)量和成本問題。以河南省境內(nèi)容易受大風(fēng)災(zāi)害影響的某220 kV輸電線路桿塔為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際線路圖在ANSYS軟件里面建立1∶1三維精細(xì)化輸電塔線體系有限元模型，如圖8所示。

圖8 輸電塔線體系局部模型Figure 8 Model of transmission tower line system

3.2 傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置分析

考慮鐵塔角鋼桿件的結(jié)構(gòu)和幾何非線性，在ANSYS有限元軟件中對(duì)模型循環(huán)施加風(fēng)荷載，風(fēng)速為5～30 m/s，風(fēng)向角為30°、60°、90°，共組合成18種不同的風(fēng)荷載工況。當(dāng)風(fēng)荷載的風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)向角為90°時(shí)，輸電桿塔模型的軸向應(yīng)力及位移分布云圖如圖9所示?？梢钥闯觯瑔卧獞?yīng)力集中分布在桿塔主材上，最大拉應(yīng)力為315 MPa，最大壓應(yīng)力為338 MPa。

圖9 輸電桿塔有限元仿真結(jié)果Figure 9 Finite element simulation results of tower

對(duì)于角鋼桿件，一般以屈服強(qiáng)度作為判斷其失效的依據(jù)，即當(dāng)其所受應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，角鋼失效變形導(dǎo)致承載力迅速下降。因此，基于上述有限元仿真，計(jì)算出桿件軸向應(yīng)力和自身屈服強(qiáng)度的比值絕對(duì)值，整理導(dǎo)出桿塔各角鋼單元應(yīng)力比值較大的單元并排序，將不同工況下出現(xiàn)角鋼薄弱點(diǎn)次數(shù)最多的角鋼單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，輸電桿塔角鋼薄弱單元的位置分布如圖10所示。

圖10 角鋼薄弱單元分布Figure 10 Distribution of weak elements in angle steel

由圖10可以看出，此輸電桿塔角鋼桿件最易出現(xiàn)薄弱點(diǎn)的位置是塔腿和塔身的部分角鋼，尤其是鐵塔塔身中間主材部位出現(xiàn)了多處薄弱角鋼的集中分布，這說明此輸電線路鐵塔在大風(fēng)作用下塔身中部會(huì)發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形或承載失效，甚至發(fā)生倒塔事故。因此,結(jié)合上述仿真計(jì)算結(jié)果，選取這些角鋼薄弱點(diǎn)作為光纖光柵傳感器的安裝位置，可以最直接有效地監(jiān)測(cè)輸電桿塔結(jié)構(gòu)薄弱角鋼的狀態(tài)。

4 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

4.1 輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵傳感器的輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖11所示，該系統(tǒng)主要包含：太陽能供電系統(tǒng)模塊、光纖光柵傳感器應(yīng)變測(cè)量與采集模塊、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊等。在輸電桿塔角鋼薄弱點(diǎn)位置依次安裝光纖光柵傳感器，由于光纖光柵傳感器同時(shí)對(duì)應(yīng)變和溫度敏感，因此在實(shí)際的角鋼應(yīng)變測(cè)量中還需要考慮溫度交叉敏感帶來光纖波長(zhǎng)變化的問題。本文在設(shè)計(jì)方案中采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹硐郎囟绕茙淼挠绊懀丛诿總€(gè)應(yīng)變通道中串聯(lián)一個(gè)溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償，當(dāng)桿塔角鋼受到外部荷載，應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵解調(diào)儀可以實(shí)時(shí)解調(diào)傳感器反射光的中心波長(zhǎng)，從而同步監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)角鋼應(yīng)變值的大小，然后數(shù)據(jù)傳輸終端通過5G-LTE公網(wǎng)將監(jiān)測(cè)的角鋼應(yīng)變數(shù)據(jù)上傳至實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心即可實(shí)現(xiàn)對(duì)角鋼測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析。

圖11 輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Figure 11 Design drawing of transmission pole tower angle steel monitoring system

將搭建好的輸電桿塔角鋼應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在上述某220 kV實(shí)際線路中的輸電桿塔上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，為掌握輸電桿塔所處環(huán)境的實(shí)時(shí)風(fēng)速，同時(shí)安裝了風(fēng)速測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速及風(fēng)向情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)一切正常，光纖光柵傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)況圖如圖12所示。

圖12 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝實(shí)況圖Figure 12 Construction drawing for monitoring system installation

4.2 實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)分析

此在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自安裝后所有設(shè)備一直在持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，整理統(tǒng)計(jì)2021年12月7日至13日期間光纖光柵傳感器的在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，其部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13所示，選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速中14個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證，不同提取點(diǎn)的具體風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)如表1所示。

圖13 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果變化曲線Figure 13 Curve of strain measurement results

表1 風(fēng)速提取點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Extraction results of wind speed data points

將上述實(shí)測(cè)情況下不同時(shí)刻的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)導(dǎo)入輸電塔線體系有限元仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)不同情況下各測(cè)點(diǎn)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果整理統(tǒng)計(jì)分析，其中部分測(cè)點(diǎn)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖14所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Figure 14 Comparison of simulation and measurement

由圖14可知，采用本文方法設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)滿足一致性，兩者數(shù)據(jù)點(diǎn)的結(jié)果吻合度較高，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變測(cè)量誤差小于1.5×10-5，最大相對(duì)誤差小于6.28%，有效驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也滿足實(shí)際測(cè)量需求，具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

針對(duì)目前輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法及測(cè)量精度存在的不足，本文基于光纖光柵傳感器提出了一種考慮傳感器安裝位置及方式的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)方法，研究結(jié)論如下。

(1) 角鋼不同表面的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度存在一定差異，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)將傳感器安裝在角鋼外表面的位置可以獲得較小的測(cè)量誤差。

(2) 實(shí)驗(yàn)證明采用本文設(shè)計(jì)的L型夾具安裝方式對(duì)角鋼應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量可以保證應(yīng)變結(jié)果有效傳遞給光纖光柵傳感器，且其測(cè)量精度也相對(duì)最高。

(3) 利用本文方法設(shè)計(jì)搭建的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證具有較高的測(cè)量精度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的應(yīng)變測(cè)量誤差小于1.5×10-5，最大相對(duì)誤差小于6.28%，滿足實(shí)際工程測(cè)量需求，研究結(jié)果為輸電桿塔的精準(zhǔn)運(yùn)維提供了一定的參考。