GCB操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统及方法与流程

本发明涉及无线无源式监测，特别是gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统及方法。

背景技术：

1、在现有的连杆应力监测的现有技术中，有源传感器常被应用于气体绝缘开关柜（gcb）系统中。这些传感器被安装在连杆结构或其附近，通过导线进行供电、通信，以实时测量连杆的应力水平。常见类型有应变片传感器、电阻式应变传感器和压电传感器。尽管它们可以提供高精度的测量结果，但这些传感器存在着一些限制。首先，它们通常需要外部电源供应，这增加了系统布线和维护的复杂性。其次，传感器的布线要求会导致安装过程复杂，并可能对设备结构产生影响。另外，传感器的维护也需要耗费额外的时间和资源。

2、近年来，随着物联网技术的发展，rf射频无线通信和传输能量技术为无源传感器的应用提供了新的解决方案。通过rf射频无线通信技术，传感器可以实现无线数据传输，而传输能量技术可以实现对传感器的无线供电，从而消除了对传感器布线和电源的依赖。这一新技术带来了诸多优势，如简化了系统的部署流程、减少了维护成本，并提高了系统的可靠性和可用性。

3、基于以上背景，本发明旨在提出一种新型的无源无线应力传感器方案。该传感器结合rf射频无线通信和传输能量技术，不仅为gcb系统的状态监测和维护提供了更为便捷和高效的解决方案，而且为未来智能电力系统的发展打开了新的可能性。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于：现有技术通常需要外部电源供应，这增加了系统布线和维护的复杂性，现有技术中传感器的布线要求会导致安装过程复杂，并可能对设备结构产生影响。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统，其包括标签电路端和阅读器端；所述标签电路端包括应变传感器模组、标签电路微处理器以及能量采集与通信模块；所述阅读器端包括阅读器、阅读器微处理器以及上位机；所述阅读器包括读写模块和增益天线。

4、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的一种优选方案，其中：所述应变传感器模组用于测量gcb操动机构连杆的应力变化；所述标签电路微处理器用于采集应变传感器模组测得的数据并进行传输；

5、所述能量采集与通信模块用于接收阅读器发送的能量，以及与阅读器端进行信息传递；所述读写模块用于向标签电路端发送信号和接收返回的信号；所述增益天线用于增大读写模块与标签电路端之间的通信距离范围；所述阅读器微处理器用于对接收到的数据进行数据处理，并发送至上位机；所述上位机用于对数据进行分析，并进行曲线绘制和故障判断。

6、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法，包括，所述阅读器发送能量信号至所述能量采集与通信模块，当所述能量采集与通信模块接收到的能量大于预设能量阈值时，激活标签电路微处理器；标签电路微处理器被激活后，实时采集应变传感器模组所测得的电压差数据，并传输至能量采集与通信模块；能量采集与通信模块将电压差数据传输至阅读器中，再由阅读器传输至阅读器微处理器中，阅读器微处理器对电压差数据进行数据处理后，传输至上位机；上位机对电压差数据进行分析，并进行曲线绘制和故障判断

7、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述应变传感器模组由若干应变片和固定电阻，采用惠斯通电桥进行连接组成，工作时向惠斯通电桥中施加一个固定大小的直流电压；所述应变片的电阻与所述固定电阻相等；所述应变片分布在传动结构不同部位，形成传感器网络。

8、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述标签电路微处理器在被激活后，阅读器持续发送能量信号，保持能量采集与通信模块接收到的能量一直大于预设能量阈值，当需要停止工作时，减少能量信号的发送，使接收到的能量低于预设能量阈值，则标签电路微处理器关闭，停止监测动作。

9、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述数据处理包括将收集到的电压差数据通过低速物理量采集板，以rs485通信标准上传给上位机。

10、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述对电压差数据进行分析包括，惠斯通电桥常态下的电压差为0，当不为0时，电压差与电阻差和应变的关系式表示为，

11、，

12、其中，表示为电阻差，表示为固定电阻，表示为应变片的灵敏度系数，表示为应变；根据电压差与电阻差和应变的关系式反推出应变片的应变表示为，

13、，

14、引入杨氏模量的定义式，反推出应力大小表示为，

15、，

16、再由应力的定义式，反推出应变片所受拉力的大小表示为，

17、，

18、其中，表示为应变片的杨氏模量，表示为应变片的截面积。

19、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述曲线绘制包括，实时采集每一个时序的电压差数据，并反推出每个时序的所受拉力，以横坐标为时间，纵坐标为拉力，将每个时序的所受拉力代入得到时序与拉力的关系曲线；设定阈值为，将代入关系曲线中，观测所有在上的点以及的点；将在上的点中的极大值点去除，剩下的点按时序排列，计算所述剩下的点中各点间的时序差，求取时序差的均值与最小误差时序进行对比，若小于最小误差时序，则正常进行持续观测，若大于最小误差时序，则判断当前应变片所测量的gcb操动机构连杆处出现异常；计算所有的点间的时序差的均值与最小误差时序进行对比，若小于最小误差时序，则正常进行持续观测，若大于最小误差时序，则判断为当前应变片脱落于测量点。

20、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述判断当前应变片所测量的gcb操动机构连杆处出现异常时，采用激光行程传感器对应变片测量处的形变幅度进行精确测量，若测量结果为形变幅度与推算的应变片的应变相同则判定为gcb操动机构连杆损坏；若测量结果为形变幅度与推算的应变片的应变不相同，则采用红外可见光传感器对应变片测量处的温度分布进行观测，根据温度分布得到应变片当前所受温度，将代入应变片电阻与温度的关系式中，为温度时应变片的电阻，为温度时应变片电阻与温度的关系系数，将与做差得到温度时的电阻差，根据推算将与进行比较，若，则表明电力系统故障，导致温度升高，若，则表明应变片故障，对应变片进行更换。

21、作为本发明所述gcb操动机构连杆的应力应变无线无源式监测系统的方法的一种优选方案，其中：所述应变片分布在传动结构不同部位包括gcb操动机构连杆的负载点、gcb操动机构连杆与电力设备的连接点和gcb操动机构连杆表面；所述gcb操动机构连杆的负载点处应变片所受拉力表示为，所述gcb操动机构连杆与电力设备的连接点处应变片所受拉力表示为，所述gcb操动机构连杆表面处应变片所受拉力表示为；当基于所建立的时序与拉力的关系曲线，判定为gcb操动机构连杆损坏时，表明gcb操动机构连杆受力过载，在gcb操动机构连杆的负载点处加设断力器或过载离合器限制传递到连杆的负载力；当基于所建立的时序与拉力的关系曲线，判定为gcb操动机构连杆损坏时，表明gcb操动机构连杆与电力设备的连接点处存在安装误差和设计缺陷，重新对连接点处结构进行设计，以消除误差和结构冲击；当基于所建立的时序与拉力的关系曲线，判定为gcb操动机构连杆损坏时，表明gcb操动机构连杆存在材料缺陷，对gcb操动机构连杆进行更换。

22、本发明有益效果为：隔离性提升：由于本发明的无源传感器不需要与外部电源连接，可以实现与一次设备和二次设备的隔离，避免了传统有源传感器可能存在的布线连接安全隐患，提升了系统的隔离性能。

23、布局灵活：本发明无需外部电源供应的特性使得无源传感器在布局方面更加灵活，可以根据实际情况进行灵活布局和部署，无需考虑电源供应线路的限制，适用于复杂环境和特殊场景下的监测需求。

24、维护成本降低：本发明无源传感器不需要外部电源供应，可以减少设备的维护成本，避免了由于电源故障可能带来的维修和更换成本，降低了系统的运营成本。

25、可靠性增强：本发明无源传感器不依赖外部电源供应，可以减少由于电源故障导致的监测中断或数据丢失问题，提高了系统的可靠性和稳定性，确保了监测数据的准确性和完整性。

26、故障判断更加准确：本发明通过应力分析以及时序与拉力的关系曲线等步骤，可以确定为到底是gcb操动机构连杆故障还是电力系统故障还是应变片故障，避免对gcb操动机构连杆机构的误判。