一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，包括依次连接的控制器、主控单元，控制器还连接有弧形聚合物电池和太阳能电池板，主控单元分别连接有4G无线模块、蓝牙模块、驱动模块和A/D模块。能更好的识别输电铁塔螺栓是否发生松动，同时实现对输电铁塔螺栓的在线监测，为输电线路安全运行提供保障。本发明专利技术还公开了利用该基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的监测方法，在铁塔的待测杆件上安装本装置中的激励装置和传感器，计算铁塔的阻尼比矩阵；对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔阻尼比矩阵；得到铁塔的日常状态的固有频率矩阵，判断输电铁塔结构是否为正常状态。

A monitoring system and method for bolt loosening of transmission tower based on artificial excitation

The invention discloses a monitoring system for bolt loosening of transmission tower based on manual excitation, which comprises a controller connected in turn and a main control unit, which is also connected with an arc-shaped polymer battery and a solar panel. The main control unit is connected with a 4G wireless module, a Bluetooth module, a driving module and a/D module, respectively. It can better identify whether the bolts of transmission tower loosen or not, and realize on-line monitoring of the bolts of transmission tower, so as to ensure the safe operation of transmission lines. The invention also discloses a monitoring method based on the manual excitation monitoring system for bolt loosening of transmission tower, installs the excitation device and sensor in the device on the pole to be measured, calculates the damping ratio matrix of the tower, monitors and evaluates the tower in good condition, and obtains the transmission tower under normal structure. Damping ratio matrix; get the natural frequency matrix of the tower's daily state, and judge whether the transmission tower structure is in normal state.

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统及方法
本专利技术型专利属于输电线路在线状态监测与故障诊断领域，涉及一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动识别装置，本专利技术还涉及利用该监测系统进行的螺栓松动识别方法。
技术介绍
螺栓连接由于拆装方便，利于检修等诸多优点，起着连接塔材的作用，广泛用于输电铁塔上，其连接的可靠性直接关系到输电线路的安全运行。由于输电铁塔安装在自然环境中，正常条件下气候环境直接作用于输电铁塔。输电线路在风载荷作用下，伴随着输电导线微风振动甚至舞动，输电铁塔要承受各种动态载荷，塔身角钢所受轴力交错变化，易引起铁塔节点螺栓的松动甚至脱落。此外，环境温差的变化更会加剧螺栓松动的发生,这将严重影响铁塔的稳定性。在大风、大雪的极端气候条件下，极易造成倒塔事故，严重影响输电线路的安全可靠运行，对国民经济造成严重的影响。目前，对于螺栓松动的研究有学者研究了风载作用下输电铁塔螺栓连接松动特性研究。但输电铁塔实际运行时自然风载大小不一，作用不连续，这将对研究制造一定的困难。对与螺栓松动的检测主要还是依靠人工巡线的方法，定期的去紧固螺栓。但人工巡线费时费力，输电铁塔螺栓遍布，螺栓易松动点往往位于高处的螺栓，这更加大了人工的操作难度，对于无人职守的地段更是很难做到及时的排查，往往是事故扩大造成停电、倒塌等严重事故时，才会发现。在发生事故的现场经常可以看到脱落的螺栓螺母,倒塔事故分析报告也表明了螺栓连接失效是倒塔事故的主要原因。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，能更好的识别输电铁塔螺栓是否发生松动，同时实现对输电铁塔螺栓的在线监测，为输电线路安全运行提供保障。本专利技术的技术方案是，一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，包括依次连接的控制器、主控单元，控制器还连接有弧形聚合物电池和太阳能电池板，主控单元分别连接有4G无线模块、蓝牙模块、驱动模块和A/D模块。本专利技术的特点还在于，所述的驱动模块还和激励装置连接，主控单元通过IO口输出高低电平的方式控制驱动模块驱动激励装置工作，A/D模块分别连接有激励装置、加速度传感器A、加速度传感器B和加速度传感器C，主控单元通过SPI同步串行通信的方式与A/D模块通讯。所述的激励装置，包括壳体和位于壳体底部的磁力底座，圆环形的磁力底座定在壳体底部，磁力底座强力磁性可以让整个装置牢牢的吸附在铁塔上，在磁力底座上设置有套筒，螺旋弹簧等间距缠绕在套筒上；在螺旋弹簧的顶部固定有直径大于套筒的圆环形电磁铁，所述的电磁铁上连接有伸缩导线，伸缩导线制作为线圈形状固定在壳体顶部，冲击传感器通过连接杆固定在电磁铁的下方，锤头通过螺母可以旋转固定在冲击力传感器上。本专利技术的另一目的是，提供一种利用该基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的监测方法。本专利技术的另一技术方案是，利用所述的基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的监测方法，具体按以下步骤实施：步骤1，在铁塔的待测杆件上安装本装置中的激励装置和传感器，步骤2，计算铁塔的阻尼比矩阵ξi；步骤3，利用步骤2的方法，对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔阻尼比矩阵ξ0；步骤4，利用步骤3中的方法，对持续的日常监测中得到的铁塔状态进行监测评估，得到铁塔的日常状态的固有频率矩阵其中为监测主杆件位置处阻尼比矩阵，为其相邻杆件位置处的阻尼比矩阵；步骤5，判断输电铁塔结构是否为正常状态。本专利技术的特点还在于，所述的步骤1具体为，在输电铁塔螺栓易松动杆件上加装加速传感器A，并在相邻杆件分别加装加速度传感器B和加速度传感器C，并在其上一级铁塔斜材处加装激励装置；控制器，弧形聚合物电池，主控单元，4G无线模块，蓝牙模块，驱动模块，A/D模块和激励装置放置于长方形不锈铁钢箱体内，安装在铁塔横担处。所述的步骤2具体为，步骤2.1，通过主控单元及驱动模块控制激励装置产生脉冲激励，使得输电铁塔发生振动，加速度传感器A、加速度传感器B和加速度传感器C同时拾取此时的铁塔振动信息，同时主控通过A/D模块采样得到激励装置的脉冲激励信号；步骤2.2，对步骤2.1中得到的脉冲激励信号和加速度信号进行处理，得出铁塔不同位置的阻尼比矩阵。所述的步骤2.2具体为：步骤2.2.1，利用步骤2.1中得到的脉冲激励信号和加速度信号，利用主控单元中的滤波算法进行滤波，然后建立输电铁塔系统频率响应函数，步骤2.2.2，对输电铁塔系统频率响应函数进行拟合误差计算，步骤2.2.3，计算得到分母系数矩阵α的特征值λr和具体的计算方法为，要让输电铁塔系统的误差达到最小值，只需计算式(8)对各个未知的输电铁塔多项式系数θ的一阶偏导数，并令其等于零，即的得到如下正则方程：因输电铁塔系统的极点只与分母矩阵系数α有关，利用式(12)中上面一行来消去分子系数矩阵βo，得到压缩方程，式中，可由测量的输电铁塔的频率响应函数得到，求解式(13)可得到分母系数矩阵α的特征值λr和步骤2.2.4，求出测量的输电铁塔系统的阻尼比矩阵ξr的值，具体方法为：特征值λr、固有频率ωr和阻尼比ξr之间的关系为：由式(15)求出测量的输电铁塔系统的阻尼比矩阵ξr的值，即，其中，Re表示实部，Im表示虚部，步骤3，利用步骤2的方法，对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔阻尼比矩阵ξ0。所述的步骤2.2.1具体为，对步骤2.2.1中，滤波后的脉冲激励信号和加速度信号进行离散傅立叶变换，得到激励装置产生的脉冲激励信号的输入参数矩阵为A(ω)，加速度测量装置产生的加速度数据的输出参数矩阵为Bo(ω)，其中ω为铁塔系统的频率，输电铁塔系统频率响应函数为Ho(ω)，则，可以得到以下关系：[Ho(ω)]＝[Bo(ω)][A(ω)]-1(1)且，其中，o＝1，2…N0,其中N0为在采样时间Δt内采集的数据点数；Ωr＝e-jωΔt·r为输电铁塔系统多项式基本项；r为输电铁塔模型的阶次，r的取值为0到P；Δt为采样时间；αr为分母多项式系数，βor为分子多项式系数含有输电铁塔模态信息是带估计的输电塔系统参量，将多项式系数写成矩阵形式有：其中，θ为铁塔系统的多项式系数矩阵，包含所有的分母系数α和分子系数β，则，式(2)中的输电铁塔系统频率响应函数可写成矩阵多项式系数θ的函数H(ωf,θ)，f＝1,2…Nf,其中，Nf为需要分析的识别频段内包含的谱线数。所述的步骤2.2.2具体为，其中，是关于输电铁塔多项式系数矩阵系θ的非线性最小二乘(NLS)误差函数，Ho(ωf,θ)为理论的输电铁塔系统频率响应函数；为实测的输电铁塔系统频率响应函数，输电铁塔系统在所有频率点的总体误差函数可表示为：其中，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵的迹，使其对未知系数矩阵θ的偏导数等于零，则此时误差函数达到最小值，为简化计算，给(1)两端乘输入参数矩阵A(ω)，得到简化后的输电铁塔最小二乘(NLS)误差函数表达式：对于输电铁塔系统一个输出的所有频率点，其误差表达式集合成误差矩阵式中:为Kronecker积，类似式(5)的关于参数矩阵θ的非线性最小二乘(NLS)误差函数的线性表达式为：将式(7)带入式(8)中有：其中，J是Jacobian矩阵其表达式如下：为了表示方便，定义中间变量R0、S0、T0为：所述的步骤5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，其特征在于，包括依次连接的控制器(1‑2)、主控单元(1‑4)，控制器(1‑2)还连接有弧形聚合物电池(1‑3)和太阳能电池板(1‑1)，主控单元(1‑4)分别连接有4G无线模块(1‑5)、蓝牙模块(1‑6)、驱动模块(1‑7)和A/D模块(1‑8)。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，其特征在于，包括依次连接的控制器(1-2)、主控单元(1-4)，控制器(1-2)还连接有弧形聚合物电池(1-3)和太阳能电池板(1-1)，主控单元(1-4)分别连接有4G无线模块(1-5)、蓝牙模块(1-6)、驱动模块(1-7)和A/D模块(1-8)。2.根据权利要求1所述的基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，其特征在于，所述的驱动模块(1-7)还和激励装置(1-9)连接，主控单元(1-4)通过IO口输出高低电平的方式控制驱动模块(1-7)驱动激励装置(1-9)工作，A/D模块(1-7)分别连接有激励装置(1-9)、加速度传感器A、加速度传感器B和加速度传感器C，主控单元(1-4)通过SPI同步串行通信的方式与A/D模块通讯。3.根据权利要求1所述的基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统，其特征在于，所述的激励装置(1-9)，包括壳体(2-8)和位于壳体(2-8)底部的磁力底座(2-1)，圆环形的磁力底座(2-1)定在壳体(2-8)底部，磁力底座(2-1)强力磁性可以让整个装置牢牢的吸附在铁塔上，在磁力底座(2-1)上设置有套筒，螺旋弹簧(2-2)等间距缠绕在套筒(2-3)上；在螺旋弹簧(2-2)的顶部固定有直径大于套筒(2-3)的圆环形电磁铁(2-4)，所述的电磁铁上连接有伸缩导线(2-9)，伸缩导线(2-9)制作为线圈形状固定在壳体(2-8)顶部，冲击传感器(2-5)通过连接杆(2-7)固定在电磁铁(2-4)的下方，锤头(2-6)通过螺母可以旋转固定在冲击力传感器(2-5)上。4.利用权利要求1所述的基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的监测方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，在铁塔的待测杆件上安装本装置中的激励装置和传感器，步骤2，计算铁塔的阻尼比矩阵ξi；步骤3，利用步骤2的方法，对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔阻尼比矩阵ξ0；步骤4，利用步骤3中的方法，对持续的日常监测中得到的铁塔状态进行监测评估，得到铁塔的日常状态的固有频率矩阵其中为监测主杆件位置处阻尼比矩阵，为其相邻杆件位置处的阻尼比矩阵；步骤5，判断输电铁塔结构是否为正常状态。5.根据权利要求4所述的利用基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的监测方法，其特征在于，所述的步骤1具体为，在输电铁塔螺栓易松动杆件上加装加速传感器A(1-10)，并在相邻杆件分别加装加速度传感器B(1-11)和加速度传感器C(1-12)，并在其上一级铁塔斜材处加装激励装置(1-9)；控制器(1-2)，弧形聚合物电池(1-3)，主控单元(1-4)，4G无线模块(1-5)，蓝牙模块(1-6)，驱动模块(1-7)，A/D模块(1-8)和激励装置(1-9)放置于长方形不锈铁钢箱体(1)内，安装在铁塔横担处。6.根据权利要求4所述的利用基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的方法，其特征在于，所述的步骤2具体为，步骤2.1，通过主控单元(1-4)及驱动模块(1-7)控制激励装置(1-9)产生脉冲激励，使得输电铁塔发生振动，加速度传感器A、加速度传感器B和加速度传感器C同时拾取此时的铁塔振动信息，同时主控(1-4)通过A/D模块采样得到激励装置(1-9)的脉冲激励信号；步骤2.2，对步骤2.1中得到的脉冲激励信号和加速度信号进行处理，得出铁塔不同位置的阻尼比矩阵。7.根据权利要求6所述的利用基于人工激励的输电铁塔螺栓松动监测系统进行的方法，其特征在于，所述的步骤2.2具体为：步骤2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新波，赵钰，赵隆，郑天堂，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61