基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，包括光纤型振动位移传感器和电源/信号传输系统两部分组成。光纤型振动位移传感器主要包括对外接口、电源模块、信号转换模块、中央处理模块、传感采集模块和传感器保护外壳等组成；电源/信号传输系统主要由动力电缆、光纤、网线、光纤交换机和控制中心计算机等几部分组成。本发明专利技术采用光纤传感技术，具有信号质量好、传输距离远，抗电磁干扰，在潮湿泄流环境下不易损坏等优点，而且，光纤本身体积小、重量轻、造价低，施工难度和线缆成本较低。和线缆成本较低。和线缆成本较低。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统


[0001]本专利技术涉及水利工程泄流建筑物振动监测系统设备领域，具体为基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统。

技术介绍

[0002]随着我国一大批水头高、流量大、河谷狭窄、泄洪功率大的高坝大库水利工程的建成，泄洪诱发的振动问题更加突出，因此泄流结构振动位移安全监测系统广泛应用于大型水电站工程，通过结构振动位移实时监测泄流建筑物的动力学特性，进而准确评估其运行状态。然而，传统的泄洪振动监测系统采用电压型传感器采集信号，并采用水工电缆进行信号传输和传感器供电，具有潮湿泄流环境下极易损坏，长距离传输易发生信号衰减，水工电缆本身抗干扰能力弱、重量大、造价高、不易施工等缺点。因此，亟需开发一种操作简便、耐久可靠，适应水工潮湿环境、长期稳定的动态监测系统及方法，用于对泄流结构的运行状态进行实时监测，科学诊断和尽早预警，从而及时调度，改变运行方式，提高泄流结构安全性，避免灾难性事故发生。

技术实现思路

[0003]针对上述传统技术的不足，本专利技术旨在提供一种基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，解决现有技术中泄流结构振动位移实时安全监测信号质量差、传输距离短，抗电磁干扰性差，在潮湿泄流环境下易损坏，不便于施工，成本高的问题。
[0004]为达到上述目的，本专利技术是通过下述技术方案实现的：
[0005]基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，包括光纤型振动位移传感器和电源/信号传输系统两个部分。
[0006]进一步的，光纤型振动位移传感器主要由对外接口、电源模块、信号转换模块、中央处理模块、传感采集模块和传感器保护外壳等几个部分组成。电源/信号传输系统主要由动力电缆、光纤、网线、光纤交换机和控制中心计算机组成。
[0007]光纤型振动位移传感器的对外接口模块中通过连接动力电缆对其进行供电，经电源模块对其内部其他模块进行电源转换；振动位移数据由光纤型振动位移传感器的传感采集模块采集，经中央处理模块进行数据处理，然后传输至信号转换模块后将振动位移数据转为光纤信号，最终通过对外接口模块的SC光纤接口连接的光纤传输至光纤交换机，光纤交换机通过网线与控制中心计算机连接，获取到振动位移实时波形图。
[0008]进一步的，传感采集模块采用灵敏度高、且有较好的低频响应能力的振芯，以实现振动这一物理信号的采集，同时能够适应泄流结构低频微幅振动的特点。此外，该传感采集的安装布置、接线方式、接口型号和设置等可根据具体要求定制。
[0009]进一步的，中央处理模块是光纤型振动位移传感器的控制核心和数据处理中心，所有的设备控制、任务调度、功能协调和数据存储及传输程序都将在该模块的支持下完成。基于水利工程泄流结构振动位移实时监测的具体需求，该模块可采用微型电脑主板——树
莓派作为主体部件，配有集成程序存储器、静态存储器、定时器以及计数器，支持睡眠模式，达到降低总体功耗，具有外部通用I/O端口和通信接口，以满足处理器和其他功能部件的通信功能。满足以下要求：
①
外形小，以便于在光纤型振动位移传感器内安装。
②
集成度高，中央处理模块需要集成程序存储器、静态存储器、定时器以及计数器等。
③
功耗较低并且可以支持睡眠模式，以便降低总体功耗。
④
运行速度快，能够在短时间内完成数据采集和传输工作。
⑤
具有外部通用I/O端口和通信接口，以满足处理器和其他功能部件的通信功能。
⑥
有安全性保证，一方面要保护内部代码不被窃取，另一方面为安全存储和安全通信提供必要的硬件支持。
[0010]进一步的，电源模块包括AC
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DC电源转换模块及DC
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DC电源转换模块，其中AC
‑
DC电源转换模块将交流电转换为直流电，并进行降压变换；DC
‑
DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器，输入电压为12V，输出为固定的正负5V。从而使传感采集采用220V市电进行供电，传感采集中的振芯输入电压为正负12V，传感采集输出电压为正负5V。
[0011]进一步的，信号转换模块将传感采集采集的微弱振动数据先通过放大器进行放大，然后将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号转换为光信号，从而实现光纤传感。模拟
‑
数字信号转换器应支持双极性信号，并具有高速、低功耗特点。
[0012]进一步的，传感器保护外壳采用不锈钢板材料焊接而成，内置基座方便将硬件器件固接在外壳上，防止硬件器件互相之间碰撞，以便将光纤型振动位移传感器的各个模块合理装配，同时防止光纤型振动位移传感器在运输和使用过程中可能导致的损坏。
[0013]进一步的，动力电缆能够满足220V电压供电需求和国家标准。光纤采用千兆单模单纤型光纤，最大传输距离不小于20km，其端口类型可为单纤LC。
[0014]进一步的，光纤交换机的光口数目不少于所连接的光纤型振动位移传感器数目，便于光纤组网，端口支持线速转发，能够在高密度条件下实现高性能、低延迟、长时间稳定运行。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0016]本专利技术的光纤型振动位移传感器可以直接将物理信号(模拟信号)转化为光信号，进而通过光纤进行信号传输。由于光纤在信号传输时本身不带电，因此具有极强的抗电磁干扰能力，而且相比传统的电信号通信方式，光信号通信的灵敏度和通信容量均大幅提高，信号传输距离由传统监测系统的1km左右提高到20km以上。
[0017]同时，由于光纤本身体积小、重量轻，因此在监测系统施工过程中的运输、敷设和线缆保护措施安装都更为简便。同样长度的单模铠装光纤和五芯水工电缆相比，成本降低了十倍以上，因此本专利技术的具有良好的经济性，并且光纤还具有耐高温、耐腐蚀的特点，能够在泄流建筑物附近的恶劣环境下长期工作，具有良好的耐久性。
[0018]该专利技术的核心在于在监测系统中通过传感器的改进设计，动力电缆、光纤和光纤交换机的合理布置，引入光纤传感技术，从而使泄流结构振动位移实时安全监测达到信号质量好，传输距离远，抗电磁干扰，在潮湿泄流环境下不易损坏，便于施工，经济性好的目的。
附图说明
[0019]图1为基于光纤信号传输的泄流结构实时安全监测系统图；
[0020]图2为本专利技术提供的一种光纤型振动位移传感器结构示意图；
[0021]图3为本专利技术提供的一种光纤型振动位移传感器的安装示意图；
[0022]图4为基于光纤信号传输的泄流结构安全监测系统的振动位移实时波形图；
[0023]附图标记：
[0024]1、光纤型振动位移传感器；1
‑
1、对外接口；1
‑
2、电源模块；1
‑
3、传感采集模块；1
‑
4、中央处理模块；1
‑
5、信号转换模块；2、光纤交本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，其特征在于：包括光纤型振动位移传感器和电源/信号传输系统两部分组成；所述光纤型振动位移传感器主要由对外接口、电源模块、信号转换模块、中央处理模块、传感采集模块和传感器保护外壳组成；所述电源/信号传输系统主要由动力电缆、光纤、网线、光纤交换机和控制中心计算机组成；光纤型振动位移传感器的对外接口模块中通过连接动力电缆对其进行供电，经电源模块对其内部其他模块进行电源转换；振动位移数据由光纤型振动位移传感器的传感采集模块采集，经中央处理模块进行数据处理，然后传输至信号转换模块后将振动位移数据转为光纤信号，最终通过对外接口模块的SC光纤接口连接的光纤传输至光纤交换机，光纤交换机通过网线与控制中心计算机连接，获取到振动位移实时波形图。2.根据权利要求1所述的基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，其特征在于：所述传感采集模块采用灵敏度高、且有较好的低频响应能力的振芯，以实现振动这一物理信号的采集，同时能够适应泄流结构低频微幅振动的特点。此外，该传感采集的安装布置、接线方式、接口型号和设置等可根据具体要求定制。3.根据权利要求1所述的基于光纤信号传输的泄流结构振动位移实时安全监测系统，其特征在于：所述中央处理模块是光纤型振动位移传感器的控制核心和数据处理中心，所有的设备控制、任务调度、功能协调和数据存储及传输程序都将在该模块的支持下完成；基于水利工程泄流结构振动位移实时监测的具体需求，该模块采用微型电脑主板——树莓派作为主体部件，配有集成程序存储器、静态存储器、定时器以及计数器，支持睡眠模式，达到降低总体功耗，具有外部通用I/O端口和通信接口，以满足处理器和其他功能部件的通信功能。4.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：练继建，许文靓，刘昉，梁超，汪祥胜，姚烨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：