一种输电塔结构健康监测方法及设备技术

本发明专利技术的输电塔结构健康监测方法，包括步骤：获取输电塔的加速度信号，进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；接收数据并对其进行恢复；针对恢复后的数据求解其固有频率；设定判别条件进行判断。本发明专利技术的输电塔结构健康监测设备，包括设置于输电塔上振动加速度传感模块，振动加速度传感模块连接于分析仪，振动加速度传感模块用于获取加速度信号、进行预处理、压缩后进行无线传输，分析仪用于数据恢复并计算固有频率进行判定。本发明专利技术通过获取输电塔的振动加速度信号，预处理后压缩数据进行无线传输，然后重构恢复数据后计算前后两段时间内的固有频率的平均值差，判断输电塔的健康状况，实现了对输电塔结构健康的实时监测。

A Health Monitoring Method and Equipment for Transmission Tower Structure

The health monitoring method for transmission tower structure of the present invention includes steps: acquiring acceleration signal of transmission tower, compressing data after pretreatment and sending it by wireless mode; receiving data and restoring it; solving its natural frequency for restored data; setting discriminant conditions for judgment. The health monitoring device for transmission tower structure includes a vibration acceleration sensor module installed on the transmission tower, a vibration acceleration sensor module connected to the analyzer, a vibration acceleration sensor module used for acquiring acceleration signal, preprocessing, compression and wireless transmission, and an analyzer used for data recovery and natural frequency determination. The invention realizes real-time monitoring of the structure health of transmission tower by acquiring the vibration acceleration signal of transmission tower, pre-processing compressed data and wireless transmission, then reconstructing and restoring the data and calculating the average difference of natural frequencies in two periods before and after recovery, and judging the health status of transmission tower.

【技术实现步骤摘要】
一种输电塔结构健康监测方法及设备
本专利技术属于输电线路检测
，具体涉及一种输电塔结构健康监测方法，还涉及实现该检测方法的健康监测设备。
技术介绍
输电塔在输电线路中起着非常重要的作用，但是由于运行环境的特殊性，会出现一些例如倒塌、折断等事故。尽管铁塔的结构也进行了改进，也仍然不能避免出现损坏的风险。而这些事故均是由于受力异常导致，而倾斜、沉降都是导致受力异常的原因。现有技术中基于倾角传感器的监测方法是针对明显倾斜进行监测，基于图像处理的方法只能对较大的变形进行识别，但是塔材出现显著变形时，铁塔已经处于危险状态；而输电塔在局部损伤、较小变形时，现有技术的这些方法均无法进行监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种输电塔结构健康监控方法，其通过获取输电塔身的振动加速度信号，然后通过计算其固有频率变化即可实现对输电塔局部损伤、微小变形的实时监测，从而可在事故萌芽阶段及时处理，为输电线路安全运行提供保障。本专利技术的目的还在于提供一种实现上述监测方法的设备。本专利技术所采用的一种技术方案是：一种输电塔结构健康监测方法，包括步骤：步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复；步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的平均值；步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔结构健康。进一步地，所述步骤1具体为：步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度信号出现偏离极限的趋势项：上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a0至am均为系数，m为该式的阶次；消除趋势项的加速度为：其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示传感器第k个采样点测量加速度；步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：A0＝Ψ0·a+e其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ0是压缩矩阵，m×n阶矩阵，e是随机噪声；A0是压缩后的加速度数据，m阶向量；然后将A0通过无线方式进行发送。进一步地，所述步骤2具体为：通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记为A1，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ0对应的列，得到新的压缩矩阵Ψ1，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：A1＝Ψ1·a+e＝Ψ1Hx+e(3)其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；通过求解1-范数最优化的方法求解x：其中，ε是误差上限；将式(4)代入式(3)中，重构恢复出数据a。进一步地，所述步骤3中，采用协方差驱动的随机子空间方法，求解出固有频率。事例性地，所述步骤4中，判别的时间段为相邻的两个小时，频率变化阈值为0.5Hz。本专利技术所采用的另一种技术方案是：一种输电塔结构健康监测设备，包括若干个设置于输电塔上不同采样点的振动加速度传感模块，所述若干个振动加速度传感模块均通过无线方式信号连接于分析仪，所述分析仪预存有平均振动频率范围，所述若干个振动加速度传感模块用于间隔采样并将采样信号压缩处理后传输给所述分析仪，所述分析仪用于根据接收到的压缩数据进行恢复，然后根据恢复的数据计算相邻两个时间段内的平均振动频率差、并判断所述平均振动频率差是否处于所述预警频率范围得到所述输电塔结构的健康状况。进一步的，所述分析仪包括相连的无线接收模块和处理模块，所述若干个振动加速度传感模块均包括相连的传感信号获取单元、微处理单元以及无线发送模块，所述微处理单元和处理模块之间通过无线发送模块和无线接收模块实现无线信号传输。事例性的，所述无线接收模块为zigbee模块。进一步的，所述健康监测设备还包括监控中心，所述分析仪还包括与所述处理模块相连的无线发射模块，所述分析仪的处理模块和所述监控中心通过所述无发射模块实现无线信号传输。进一步的，所述分析仪连接有风速风向传感器。本专利技术的有益效果是：本专利技术的输电塔结构健康监测方法及设备，通过获取输电塔上不同采样点的振动加速度信号，预处理后压缩数据进行无线传输，然后重构恢复数据后计算前后两段时间内的固有频率的平均值，并与预设的预警频率差值进行比较得出输电塔的健康状况，进一步还可向监控中心进行报警，从而实现了对输电塔结构健康的实时监测，为输电线路的安全运行提供保障。附图说明图1是本专利技术的输电塔结构健康监控方法的流程图；图2是本专利技术实施例经过无线传输后的数据的加速度变化图；图3是本专利技术实施例经过数据重构后的加速度变化图；图4是本专利技术实施例测量数据的结果图；图5是本专利技术的输电塔结构健康监测设备的结构示意图。图中，1.振动加速度传感模块，2.风速风向传感器，3.分析仪，4.监控中心，31.zigBee模块，32.处理模块，33.3G模块，34.电源模块。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。参见图1，本专利技术提供一种输电塔结构健康监测方法，包括步骤：步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送，具体为：步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度信号出现偏离极限的趋势项：上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a0至am均为系数，m为该式的阶次；消除趋势项的加速度为：其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示传感器第k个采样点测量加速度；步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：A0＝Ψ0·a+e其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ0是压缩矩阵，m×n阶矩阵，e是随机噪声；A0是压缩后的加速度数据，m阶向量；然后将A0通过无线方式进行发送。步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复，具体为：通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记为A1，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ0对应的列，得到新的压缩矩阵Ψ1，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：A1＝Ψ1·a+e＝Ψ1Hx+e(3)其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；通过求解1-范数最优化的方法求解x：其中，ε是误差上限，满足||e||2≤ε，但ε越小，计算结果越精确，但计算时间越长因此ε可根据情况进行设定；将式(4)代入式(3)中，重构恢复出数据a。步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的平均值；事例性的，可以采用协方差驱动的随机子空间方法，求解出固有频率。步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔结构健康。事例性地，判别的时间段为相邻的两个小时，频率变化阈值可以为0.5Hz。参见图5，本专利技术还提供一种实现上述监测方法的输电塔结构健康监测设备，包括若干个设置于输电塔上不同采样点的振动加速度传感模块1，若干个振动加速度传感模块1均通过无线方式信号连接于分析仪3，分析仪3预存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输电塔结构健康监测方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复；步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的平均值；步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔结构健康。

【技术特征摘要】
1.一种输电塔结构健康监测方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复；步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的平均值；步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔结构健康。2.如权利要求1所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度信号出现偏离极限的趋势项：上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a0至am均为系数，m为该式的阶次；消除趋势项的加速度为：其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示传感器第k个采样点测量加速度；步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：A0＝Ψ0·a+e其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ0是压缩矩阵，m×n阶矩阵，e是随机噪声；A0是压缩后的加速度数据，m阶向量；然后将A0通过无线方式进行发送。3.如权利要求2所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记为A1，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ0对应的列，得到新的压缩矩阵Ψ1，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：A1＝Ψ1·a+e＝Ψ1Ηx+e(3)其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；通过求解1-范...

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