一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置及方法，装置包括输电线、间隔棒、摄像机构、数据处理模块、无线信号发射模块；输电线之间固定设置有间隔棒，用于限制输电线之间的相对运动；摄像机构固定在间隔棒上，用于拍摄微距视频图像；数据处理模块将摄像机构拍摄的微距视频图像进行处理，将处理结果通过无线信号发射模块送到地面监测中心。本发明首先对风荷载的状态进行实时评估和计算出输电线的体型系数和风荷载与导线方向夹角度，利用风荷载的计算公式算出风荷载，然后对输电线路进行模态分析，完成在风荷载和重力荷载作用下输电线的找形，利用图像算法得到导线上应力的分布，最后与应力临界值进行比较，建立预警机制。

说明书

技术领域

本发明属于输电导线监测技术领域，具体涉及一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置及方法。

背景技术

输电塔架受到的外部荷载包括风荷载、地震荷载、雪荷载和覆冰荷载等。在绝大多数情况下风荷载是其控制荷载，而其他荷载的影响相对较小。近年来，输电塔由于设计强度不足而被大风刮到的报道屡见不鲜。输电塔线体系破坏的原因除材料材质、金属质量、施工质量等方面存在问题外，设计人员对输电塔线体系在风荷载作用下的动力反应特性的了解还存在不足。

目前，主要通过在输电线路上安装拉力传感器，测量待测点位置处的应力变化。另外一种方法是对倾角和弧垂进行实时测量，通过输电线路状态方程推算线路的受力情况。但是这两种方法的缺点是测量仪器容易受到强大的外界电磁场干扰，操作比较麻烦，不容易监测，误差较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置，其特征在于：包括输电线、间隔棒、摄像机构、数据处理模块、无线信号发射模块；

所述平行设置的输电线之间固定设置有所述间隔棒，用于限制输电线之间的相对运动；所述摄像机构固定在所述间隔棒上，用于拍摄微距视频图像；所述数据处理模块将所述摄像机构拍摄的微距视频图像进行处理，将处理结果通过所述无线信号发射模块送到地面监测中心。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算输电线体型系数μ_sc(t)、风向与输电线方向夹角度θ(t)；

步骤2：计算风荷载；

步骤3：计算输电线路的振型；

步骤4：对微距视频图像进行处理；

步骤5：计算输电线应力与弧垂；

步骤6：当测得输电线的拉应力大于阈值F₀时，发出警报，从而建立实时预警机制。

本发明的优点是：

1，可以对达到临界应力的导线进行准备定位并发出报警，在第一时间通知运行部门，真正达到事前预警的效果，解决传统传感器难取电、传输距离短等缺点。

2，可实现大范围导线的微观摄像和实时在线微距微观视频图像分析。可以对某一地区的导线进行长期连续实时在线监测，得到导线中应力的演变规律，从而对该输电塔架进行实时评估。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构图；

图2为本发明实施例的输电线表面结构图；

图3为本发明实施例的风荷载变化图；

图4为本发明实施例的输电线划分的说明图；

图5为本发明实施例的振型图；

图6为本发明实施例的找形方法的说明图；

图中，1为输电线、2为间隔棒、3为摄像机构、4为数据处理模块、5为无线信号发射模块、6为荧光粉。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明提供的一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量装置，包括输电线1、间隔棒2、摄像机构3、数据处理模块4、无线信号发射模块5；

平行设置的输电线1之间固定设置有间隔棒2，用于限制输电线1之间的相对运动；摄像机构3固定在间隔棒2上，用于拍摄微距视频图像；数据处理模块4将摄像机构3拍摄的微距视频图像进行处理，将处理结果通过无线信号发射模块5送到地面监测中心。

本实施例的摄像机构3为微距视频图像采集设备，其镜头能根据需要更换为不同放大倍数的镜头；输电线1的表面设置有不同的花纹，输电线1上面均匀的涂抹有荧光粉6。

本发明提供的一种导线非接触式实时时间序列图帧视觉测量方法，包括以下步骤：

步骤1：输电线体型系数和风向与输电线方向夹角度的计算；

为了对风荷载进行实时监测，在输电线外表面上均匀涂上一层荧光粉，如图2所示。在风荷载作用时，荧光粉将随着气流运动。然后，利用摄像机构对输电线进行拍摄，拍摄的微距图像能够描述荧光粉的路径，如图3所示，进而对风荷载的状态进行分析。通过分析得到t时刻输电线的体型系数μ_sc(t)和风向与输电线方向之间的夹角度θ(t)。

步骤2：风荷载的计算；

F₁(t)＝αβ_cμ_sc(t)μ_zω₀dLsin²θ(t)；

式中，F₁(t)是在t时刻垂直于输电线及地线方向的水平风荷载标准值，α是风压不均匀系数；β_c是输电线及地线风荷载调整系数；μ_sc(t)是输电线的体型系数；μ_z是风压高度变化系数；w₀是基本风压标准值；L是输电塔的水平档距；d是输电线的外径，分裂输电线取所有子输电线外径的总和；θ(t)是在t时刻风向与输电线方向之间的夹角度。

步骤3：输电线找形；

将输电线在三维空间的运动轨迹，分解到竖直平面和水平平面内，如图6所示。在竖直平面内，将输电线在该平面内的投影划分成n个单元，如图4所示；在每个平面内对输电线进行模态分析，振动微分方程如下：

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，d为位移，F(t)为外力，这里只考虑重力和风荷载。求解方程，得到每个单元的位移，进而得到竖直平面内输电线的振型，振型示例如图5。同理，可求得输电线在水平平面内内的振型。

步骤4：微距视频图像的处理；

利用摄像机构3对不同状态下的输电线进行拍摄成像，接着转成微距视频灰度图像；以输电线振动图像中截取的多帧连续图像为研究对象，选取间隔棒作为跟踪目标来创建轮廓特征模板，通过匹配间隔棒来定位输电线位置和计算输电线应变ε。

步骤5：输电线应力与弧垂的计算；

输电线的弧垂f＝E(ε-ε₀)/g，其中E为导线的弹性模量，ε₀为输电线路导线最低点应变，g为输电线的比载；计算出图像上输电线的弧垂f₁，并且建立与输电线的弧垂f的定量关系；同时，建立输电线应变ε与输电线的拉力F的定量关系；最后，设置输电线的弧垂阈值f₀和拉力阈值F₀；

步骤6：预警的实现；

当测得的拉应力大于阈值F₀时，无线信号发射模块5将信号发送至地面监测中心，监测人员立即采取有效措施，从而建立实时预警机制。

尽管本说明书较多地使用了输电线1、间隔棒2、摄像机构3、数据处理模块4、无线信号发射模块5、荧光粉6等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。