基于光纤光栅的铁塔摆幅监测方法研究

黄平平，王昌，刘小会，郭健

(1.中国人民解放军92325部队，山西 大同037000;2.山东省科学院激光研究所，山东 济南250014)

在短波发射台中，大型架空天线幕依靠铁塔支撑在空中。铁塔有的高达二百多米，靠3个水平方向上相间120°角的斜拉索固定［1］，天线幕和铁塔结构如图1所示。

由于受到热胀冷缩、风速风向等因素的影响，吊索和斜拉索的张力也随着天气环境的变化发生改变。所以铁塔的平衡状态是一个动态变化的过程，在水平方向总存在一定的摆幅和倾斜，一旦铁塔的摆幅(即铁塔顶端的横向位移)或倾斜超过一定的限值，就有拦腰折断的危险，造成重大安全事故。为了保证大型天线的安全运行，在天线的日常维护过程中，对铁塔摆幅等变化情况要进行监测，并根据监测数据，对拉索长度和天线幕高度作相应的调节，这是必须且非常重要的工作内容。传统的监测手段是用经纬仪在露天测量铁塔的摆幅，对整个天线系统测量一次需要一个多星期。但是在有雨或风沙天气时无法测量，甚至在无云的晴天也难以测量，这使得测量周期会更长，耗时费力，而且不能随时掌握天线铁塔平衡系统的变化状态。遇有严寒或强风等气象条件，只有靠经验判断来降低天线幕的高度，以牺牲天线的辐射效率为代价满足对铁塔平衡状态的要求。这种长期以来的做法主观、片面性强，既不能及时发现问题，又不能有针对性地解决问题，因此迫切需要一套实时、可靠的监测系统对铁塔进行监测［1－2］。

图1 天线幕和铁塔结构示意图Fig.1 Illustration of antenna curtains and towers

光纤传感器自20世纪70年代问世以来，受到了广泛的关注，特别是近几年，光纤传感器的工程应用研究发展迅速。其中，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接传感温度和应变，具有抗电磁干扰、不怕雷击、可以远距离传输以及多传感器复用等特点，应用范围越来越广［3－5］。对光纤传感器在输电杆塔监测方面的应用已有研究［6－7］，但都是在铁塔本身上进行应变监测。本文基于光纤光栅传感技术，提出了一种实时监测铁塔斜拉索应变和顶端摆幅的新方法，监测精度高，能够满足对天线铁塔摆幅的监测要求，可以为维护、运行天线提供24小时不间断的状态数据。

1 传感器设计原理

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的一种光纤无源器件。当一束宽光谱光λ经过光纤光栅时，被光栅反射回一单色光λB，相当于一个窄带的反射镜，见图2。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和有效折射率neff有关:

λB=2neffΛ。

光纤光栅上温度、应变的变化会引起周期Λ和折射率neff的变化，从而使光纤光栅反射光的中心波长λB发生变化，通过检测λB的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤光栅检测温度和应变的基本原理。当光纤上无应变，温度变化ΔT时，有

图2 光纤光栅原理图Fig.2 Schematic diagram of a fiber grating

式中KT为光纤Bragg光栅的温度系数，由此可见，波长的漂移与温度的变化成线性关系。当温度不变，光纤受到轴向应力作用而产生轴向应变ε时，有

式中Kε为光纤Bragg光栅的应变系数。因此，波长的漂移与应变成线性关系［8］。

由于光纤光栅很脆弱，直接用于工程现场测试易损坏，需要封装成传感器使用，为此设计了如图3所示的光纤光栅应变传感器。首先根据测试及安装要求，设计刚度适中的弹性梁，然后将光纤光栅固定在弹性梁两端。弹性梁两端通过安装座安装到被测物体上，当被测物体产生应变时，弹性梁随之变形，光纤光栅上也产生与被测应变成比例的变形。通过标定可以得到被测应变和光纤光栅波长的关系，见图4。另外，由于光纤光栅波长同时受温度影响，在进行应变测量时必须将其消除，所以还需在测应变的光纤光栅上串联一根不受力的光纤光栅，只对温度敏感，这样就可以对应变测量实现温度补偿，达到精确测量应变的目的。

图3 光纤光栅应变传感器结构示意图Fig.3 Illustration of a fiber grating strain sensor

2 铁塔监测方案

由于铁塔很高，直接测试铁塔摆幅，即铁塔顶端的横向位移是比较困难的。但可以测试铁塔上的三条斜拉钢索的应变，通过计算得到铁塔顶端的横向位移。因此在三条钢索上安装光纤应变传感器，分别测得三条钢索的应变变化为ε1、ε2和ε3。如图5所示建立坐标系，将任何方向的摆动位移都可分解为x方向和y方向的位移，由x方向位移引起的三条钢索上的应变分别用ε1x、ε2x和ε3x表示，y方向的用ε1y、ε2y和ε3y表示。另外，由于环境的温度变化，三条钢索热胀冷缩引起的应变可以认为是一致的，用εT表示。则我们所测得的应变可表示为:

图4 应变传感器标定曲线Fig.4 The scaled-curve of a strain sensor

由于钢索都是与地面成45°角的，由几何关系可得∠CO'x'= ∠BO'x'≈ 110°，∠AO'x'=45°，∠AO'y'=90°，∠BO'y'≈ 128°，∠CO'y'≈52°。假定斜拉钢索长度为l，当塔顶在x'方向有位移Sx，由于Sx＜＜l，由几何关系有

当塔顶在y'方向有位移Sy，则有

联立(1)～(5)式可以得到Sx，Sy:

图5 钢索应变计算图Fig.5 Strain calculation of a stay cable

则塔顶点摆幅S和方向角α为

所以，通过3支光纤应变传感器测量的应变值可以计算铁塔顶端的摇摆幅度。

假定光纤应变传感器的精度为1 με，铁塔高为240 m，斜拉索长度l≈340 m，那么由式(2)知测试横向位移的最小分辨率为0.48 mm，对应的倾斜度为0.48 mm/240 m=1/500 000。若光纤应变传感器分辨率为10 με，横向位移测量分辨率为4.8 mm，对应的倾斜度为1/50 000。而一般通信铁塔的倾斜度报警值为1/1 500，所以采用这种方法测试，在精度上完全能满足应用。

3 现场试验

通常一套天线幕包含十几座支撑铁塔，每座铁塔都需要监测。利用光纤光栅传感器可以远距离传输和复用组网的特性，可以非常方便地实现对整个天线幕铁塔的监测。如图6所示，在某通信站的3×6的铁塔阵列里，每座铁塔的三根斜拉索上各安装一个光纤应变传感器，用一根光纤串联起来，接在地面监控室中的光纤光栅解调仪上，解调仪将每个传感器的应变计算出来，通过网线传输到监控计算机上，监控计算机进行摆幅、倾斜度等的计算，并实现显示和报警等功能。

图6 光纤光栅铁塔监测系统框图Fig.6 Block diagram of a fiber grating tower monitoring system

在现场测试中，同时采用全站仪(精度2″)测试塔顶摆幅，与光纤测试结果进行对比，如表1所示，测试偏差基本上在10 mm以内，相当于1/24 000的倾斜度，大大低于1/1 500的报警值，完全能够满足铁塔监测报警的要求。

表1 测试数据对比Table 1 Comparison of measurement data

续表1

4 结语

本文针对大型短波架空天线幕铁塔的安全监测需求，采用光纤光栅传感技术，设计了一套铁塔摆幅的实时监测系统，并应用于现场测试。试验结果证明，该系统可以准确测试铁塔的摆幅，倾斜度误差约1/24 000，能够满足铁塔安全报警的要求，可以代替人工定期测试的方法。并可以实现24 h不间断的监测，提高了报警的实时性。与电子类传感器相比，光纤光栅传感器不怕雷击、抗电磁干扰、可以远距离传输且能复用，一台仪器可以接成百上千个传感器，非常适用于露天的大阵列铁塔监测，推广潜力很大。

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