采空区高压架空杆塔倾斜监测系统设计

采空区高压架空杆塔倾斜监测系统设计

赵瑞玲

安阳县职业中等专业学校， 河南安阳， 455000

摘要：针对如何测量采煤沉陷区高压架空输电线杆塔位移，设计的高精度倾斜传感装置由三轴加速倾斜传感模块、信号处理电路、主控单元、信号收发和电源五部分组成。倾斜传感模块用来测量杆塔的倾斜角度，而模块的主控单元用来进行高精度装置设备控制，并将杆塔倾斜数据通过高精度倾斜传感装置中的信号处理电路实现数据信息的发送与转换，然后通过无线射频或者485通讯方式，将倾斜数据信息传给前端数据采集装置，最终由数据采集装置采用窄带物联网技术（NB-LOT）,上传到云端后台系统。

关键词： 三轴加速度传感模块；信号采样；转换

0引言

由于我国煤炭地下开采普遍采用自然垮落无充填开采方法，虽然降低了开采成本，但造成采煤沉陷区面积急剧扩大，引起地表塌陷、开裂、地面不均匀沉降等灾害，直接危害到矿井安全生产、生态环境以及人民生活。 随着开采强度急剧增加，使得给更多的矿区高压架空输电线杆塔处在采煤沉陷区上方或采煤沉陷区边缘。采煤沉陷区造成的地质灾害对高压架空输电线杆塔的安全运行形成了严重威胁。近些年来，河南平煤公司矿区由地质沉陷区引起的高压杆塔倾斜带来的垂弧、绝缘击穿等故障时有发生，导致矿区供电异常，严重时还会导致系统崩溃，最终带来严重的经济损失和安全事故。因此，我们有必要进行采空区高压架空杆塔的倾斜检测工作，对此，我们设计了采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统，其对于矿区安全供电至关重要。

当倾斜角θ太小时，一轴传感器测量的分辨率比较低，角度大时，精度才会上升，但无法测量全摆幅。两轴传感器可实现全摆幅测量，但精度有限，当θ_x或θ_y接近±π/2，分辨率会变低，只有接近0°时，分辨率才会变高。因此本论文采用三轴加速度传感器^[1-3]测量倾斜角度，实现测量全摆幅倾斜角。

1、高精度倾斜传感装置硬件设计

高精度倾斜传感装置由三轴加速倾斜传感模块、信号处理电路模块、主控单元、信号收发模块和电源模块五部分组成，各电路模块之间的硬件框图如图1所示。

图1 高精度传感装置硬件框图

高精度倾斜传感装置内部的倾斜传感模块用来检测杆塔的倾斜度，而模块的主控单元用来进行高精度装置设备控制，并将杆塔倾斜数据通过高精度倾斜传感装置中的信号处理电路实现数据信息的发送与转换，然后通过无线射频或者485通讯方式，将倾斜数据信息传给前端数据采集装置，最终由数据采集装置采用窄带物联网技术（NB-LOT）,上传到云端后台系统。

2、实验分析

2.1实验室测试

设计的采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统的高精度倾斜传感装置在进行实验室的测试过程中，可以实现倾斜角度的高精度测量，同时可以针对不同的倾斜角度采取无动作、预警或报警功能。该系统对采煤沉陷区高压架空杆塔倾斜在线检测具有真实、有效性，系统实验室整体装置。

在实验过程中，我们让倾斜传感装置发生一定的倾斜角度，系统就会自动采集到传感器上传的倾斜信息，并在系统云端平台显示出来，同时根据倾斜角度的大小，正确的采取无动作、预警或报警功能。本系统设置的无动作、预警、报警门限值分别为：当倾斜角度小于3度时，系统采取无动作；当倾斜角度大于3度小于5度时，系统进行预警；当倾斜角度大于5度时，系统进行报警。

第一种情况，系统云端平台显示出的倾斜角度为偏东2度25分59秒，由于此时倾斜角度小于3秒，因此系统采取无动作处理。

第二种情况，系统云端平台显示显示的出倾斜角度为偏南3度6分12秒，由于此时倾斜角度大于3度小于5度，因此系统采取预警动作。

第三种情况，系统云端平台显示显示的出倾斜角度为偏北6度22分34秒，由于此时倾斜角度大于5度，因此系统采取报警动作。

经过实验室的测试，证明该系统可以正常实现高压架空杆塔倾斜的在线监测，同时正常采取无动作、预警或报警功能，以便检测人员采取安全问题处理措施，实现采空区高压架空杆塔的安全供电，对矿区的安全生产具有重要意义。

2.2现场测试

采空区高压架空杆塔倾斜检测预警系统现已在河南省平煤公司位于采煤沉陷区的部分高压输电杆塔上进行了现场安装测试。

经过现场的安装与测试，采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统得到的现场数据，由于人工安装存在一定的误差，安装后系统云端频台显示的初始数据为倾斜北3度20分3秒，东0度44分29秒，经过系统后台预留功能“置零”后，数据如图2所示，此时系统云端频台显示的初始数据为倾斜北0度0分39秒，东0度0分39秒。由于采空区高压架空杆塔的倾斜是一个长时间积累的过程，在20天的观察下杆塔倾斜情况如图3所示，此时系统云端频台显示的初始数据为倾斜北0度3分37秒，东0度2分38秒。

图2 系统置零后数据

图3 目前杆塔倾斜数据

图3表明杆塔在北和西方位已经产生了偏北0度2分58秒，偏西0度3分17秒。的倾斜角度，由此我们可以看出该杆塔确实已经发生了约3分的倾斜，同时也表明了位于采空区高压架空杆塔安装倾斜在线监测预警系统的必要性。

3、结论

为了实现实时高精度测量采煤沉陷区高压架空输电杆塔的倾斜角度，本文设计了采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统，在经过实验室以及现场的工业性实验后，均表明该系统能正常实现倾斜角度的实时测量，同时采取无动作、预警或报警功能，完全能够满足矿区高压架空杆塔倾斜角度测量的要求；满足矿区安全供电的要求，实现矿区的安全生产。

参考文献

[1]郭欣榕,张永威,谭秋林,张文栋.新型声表面波三轴加速度传感器的设计仿真[J].压电与声光,2020,42(05):644-648.

[2]吴雯倩,单虹颖,张千遥,丁彦斌,罗亚琦,郭萍.基于三轴加速度传感器的频率自适应心脏起搏器运动-心率实验数据采集分析[J].生物医学工程研究,2020,39(03):226-230+248.

[3]郭欣榕,张永威,谭秋林,张文栋.新型声表面波三轴加速度传感器的设计仿真[J].压电与声光,2020,42(05):644-648.