专利名称：区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利水电工程中的泄水建筑结构自动监测技术领域，特别是一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统。
背景技术：
目前，水利水电工程中的泄水建筑物破坏事例很多。空蚀破坏在其中占有相当的比重。然而，人们对空化空蚀的监测主要集中在水轮机、水泵等水力机械上，并形成了相应的技术和产品，如测量过流部件压力、水压脉动、振动、噪声，或者监测叶片的磨蚀损坏，水轮机效率下降等。至今为止，人们对泄水建筑物空化空蚀监测的关注还不够，也缺乏成熟的技术和产品可以应用。泄水建筑物的空化空蚀与水轮机等水力机械的空化空蚀特征存在以下差异(1)泄水建筑物的流速高，破坏能力强；(2)泄水建筑物可能产生空蚀破坏的区域宽、不确定因素多；(3)泄水建筑物为混凝土材料，空蚀破坏发展速度快、后果更为严重。目前，水轮机等水力机械上采用的空化空蚀监测仪器多是“点”式传感器，主要是通过测试水压脉动、振动或噪声来监测空化空蚀的发生。将水力机械的空蚀监测仪器用于泄洪建筑物空蚀监测存在以下问题和缺陷(1)泄水建筑物可能产生空蚀破坏的区域宽，“点”式传感器存在监测范围不够大，容易产生“漏测”的现象；(2)泄水建筑物的流速高，未发生空蚀之前的振动和噪声就相对较大，空蚀监测的“信噪比”相对较小，“点”式传感器容易产生“误诊”的现象；(3)这些“点”式传感器长期承受高速水流的作用，仪器容易失效。
发明内容本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，该结构具有监测范围广、诊断准确率高、耐久性好，施工方便，工程造价低的特点。
本发明为解决上述问题所采用的方案是设计一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统。该系统包括传感器、传输光缆、分析系统和预警、报警系统，其特征在于沿监测保护区域的泄水建筑物表面下3～6cm处，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈网状铺设一根光纤传感器，并在该截面下15～30cm处的第二截面处，与前述光纤传感器呈相同形状交错铺设另一根光纤传感器；所说的两根光纤传感器的终端通过光缆连接到终端盒，始端通过光缆接续盒和长距离光缆连接到光纤振动探测仪上，光纤振动探测仪将振动信号传到信号处理和分析模块，该模块通过对信号处理和分析，将振动信号分解为高频分量和低频分量，并输出相应的自功率谱和互相关谱，高频信号传送到空化预警系统，低频信号传送到空蚀程度报警系统。
本发明的优越性在于该系统具有监测范围广、诊断准确率高、耐久性好的特点，以及区域性同步空化空蚀监测的优点，在光纤网络布置区域内的任何一点发生剧烈的空泡群空化和空蚀剥离脱落时都会被监测到并报警。而且光纤网络前端是完全无源的，也就是所有供电设备和监测设备都是在数公里外的控制室内，通过一根光缆连接即可，施工和运行管理方便。
图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的待测区域光纤传感器平面布置示意图。
图中1为泄水建筑物监测保护区域，2为上层光纤分布振动传感器，3为下层光纤分布振动传感器，4为高速水流及其流向，5为光缆接续盒，6为终端盒，7为长距离光缆，8为光纤振动探测仪，9为信号处理和分析模块，10为高频信号分量，11为低频信号分量，12为空化群预警系统，13为空蚀程度报警系统。
具体实施方式本发明区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，根据泄水建筑物的等级和内部水流流态来确定空化空蚀监测防护的重点区域。该区域包括沿泄水建筑物的表面范围和纵向深度。当泄水建筑物施工到指定层面时，一般为距其过水表面15～30cm，将光纤传感器沿水流方向在该平面(或弧面)上呈波浪曲线，或云形曲线、连续“8”字形曲线等网状结构曲线铺设在该层面上，光纤的两个端头分别接到各自的光缆接续盒中。然后继续施工到另一监测层面，一般为距泄水建筑物表面3～6cm，按照相同的网状结构铺设方式将光纤传感器相对于下一层交错的铺设在该层，两端的光纤接头分别接入前一层的光缆接续盒中。最后完成整个泄水建筑物的施工。
本发明所使用的光纤传感器是光纤分布振动传感器，所使用的光缆是可直埋光缆，如铠装光缆等。两根光纤传感器的终端通过光缆连接到终端盒，始端通过长距离光缆连接到光纤振动探测仪上。
光纤振动探测仪由光电转换器连接宽带放大器组成，光电转换器将光信号上携带的振动信号通过光电转换器转化为电信号，然后通过宽带放大器放大并输出给信号处理和分析模块。
信号处理和分析模块由带通滤波器和频谱变换器组成。带通滤波器可以是数字滤波器(例如切比雪夫滤波器，自适应滤波器等)或模拟滤波器，也可以是虚拟滤波器。频谱变换器可以是用傅里叶变换或是快速傅里叶等其他分析方法，或者使用数据采集卡和虚拟数字滤波技术，例如labview软件等。其功能是将信号的频谱、自功率谱、互相关谱、最大谱功率分量以及其他信息等等按高频分量和低频分量两个部分输出，分别输出给空化群预警系统和空蚀程度报警系统。高频信号传送到空化预警系统，用来判断泄水建筑物是否发生空化以及发生空化的区域；低频信号传送到空蚀程度报警系统，用来判断泄水建筑物空蚀的程度。
空化群预警系统的主要预警办法是对上层光纤传感器的高频信号来分析识别的。当高频分量显著增长，低频分量变化不大，而下层光纤传感器的振动信号变化不大时，说明再某些部位产生了空泡群。
空蚀程度报警系统是通过分析两个层面内某些特征频率谱的关系估计空蚀的深度。当空蚀剥离脱落到上层光纤振动传感器层时，该层光纤传感器会剧烈振动，这时的振动将以低频(10KHz以下)为主，而下层光纤传感器的高频信号显著增长，这样就警示我们空蚀剥落程度已经达到了某个设定深度。当空蚀破坏继续发展时，上层光纤传感器可能因为被冲毁而失去信号，下层光纤传感器会重复上面的过程。
因为空泡噪声在0～100kHz上均有分布，并在30kHz以上明显增大，最大声辐射强度的频率一般均低于400kHz，所以空化噪声主要表现为高频信号分量(30KHz以上)。当泄水建筑物正常工作时，两层光纤的振动信号在各个频段上均较弱。当泄水建筑物的某些部位开始发生空化空蚀时，相应部位的上层光纤传感器的高频信号分量显著增长，低频分量变化不大，而下层光纤传感器的振动信号变化不大，由于高频空化衰减得很快，可以通过分析两个层面内某些特征频率谱的关系估计空蚀的深度。当空蚀剥离脱落到上层光纤振动传感器层时，该层光纤传感器会剧烈振动，这时的振动将以低频(10KHz以下)为主，而下层光纤传感器的高频信号显著增长，这样就警示我们空蚀剥落程度已经达到了某个设定深度。当空蚀破坏继续发展时，上层光纤传感器可能因为被冲毁而失去信号，下层光纤传感器会重复上面的过程。
本发明一个实施例如下如图1和图2所示的一种光纤区域分布空化空蚀监测防护系统，其由光纤分布振动传感器、光缆接续盒5、终端盒6、光缆7、光纤振动探测仪8、信号处理分析模块9、空化群预警系统12和空蚀程度报警系统13组成。光纤分布振动传感器一般为两层布置，上层光纤传感器2层面距泄水建筑物表面3～6cm，在平面上呈波浪形分布，从监测保护区域1的水流4上游一端铺设到下游另一端；下层光纤传感器3层面距泄水建筑物表面15～30cm，在平面上呈与上层光纤传感器交错的波浪形分布，也从监测保护区域的一端铺设到另一端；光纤传感器的两个端头分别接入到光缆接续盒中，其终端通过光缆连接到终端盒，始端通过长距离光缆连接到光纤振动探测仪上；光纤振动探测仪将振动信号传到信号处理和分析模块，该模块通过对信号处理和分析，将振动信号分解为高频分量10和低频分量11，并输出其相应的自功率谱和互相关谱；高频信号传送到空化预警系统用来判断泄水建筑物是否发生空化以及发生空化的区域；低频信号传送到空蚀程度报警系统用来判断泄水建筑物空蚀的程度。这样构成的光纤区域分布空化空蚀监测防护结构，监测范围广、诊断准确率高、耐久性好，又可以同时监测空化空蚀发生情况和破坏程度，分级报警。
权利要求
1一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，包括传感器、传输光缆、分析系统和预警、报警系统，其特征在于沿监测保护区域的泄水建筑物表面下3～6cm处，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈网状铺设一根光纤传感器，并在该截面下15～30cm处的第二截面处，与前述光纤传感器呈相同形状交错铺设另一根光纤传感器；所说的两根光纤传感器的终端通过光缆连接到终端盒，始端通过光缆接续盒和长距离光缆连接到光纤振动探测仪上，光纤振动探测仪将振动信号传到信号处理和分析模块，该模块通过对信号处理和分析，将振动信号分解为高频分量和低频分量，并输出相应的自功率谱和互相关谱，高频信号传送到空化预警系统，低频信号传送到空蚀程度报警系统。
2按照权利要求1所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的光纤传感器呈波浪曲线铺设。
3按照权利要求1或2所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的光纤传感器是光纤分布振动传感器。
4按照权利要求1所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的光缆是可直埋光缆。
5按照权利要求1或2、4所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的光纤振动探测仪由光电转换器连接宽带放大器组成，光电转换器将光信号上携带的振动信号通过光电转换器转化为电信号，然后通过宽带放大器放大并输出给信号处理和分析模块。
6按照权利要求3所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的光纤振动探测仪由光电转换器连接宽带放大器组成，光电转换器将光信号上携带的振动信号通过光电转换器转化为电信号，然后通过宽带放大器放大并输出给信号处理和分析模块。
7按照权利要求1或2、4、6所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的信号处理和分析模块由带通滤波器和频谱变换器组成，它将信号的频谱、自功率谱、互相关谱、最大谱功率分量信息按高频和低频两个部分输出，分别输出给空化群预警系统和空蚀程度报警系统。
8按照权利要求5所述的区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，其特征在于所说的信号处理和分析模块由带通滤波器和频谱变换器组成，它将信号的频谱、自功率谱、互相关谱、最大谱功率分量信息按高频和低频两个部分输出，分别输出给空化群预警系统和空蚀程度报警系统。
全文摘要
本发明公开了一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统。该系统由传感器、传输光缆、分析系统和预警、报警系统等组成。系统在监测保护区域的泄水建筑物表面下两个截面上，呈网状分别铺设一根光纤传感器；两根光纤传感器通过光缆连接光纤振动探测仪，光纤振动探测仪将振动信号传到信号处理和分析模块，该模块又将振动信号分解为高频分量和低频分量，并输出相应的自功率谱和互相关谱，高频信号传送到空化预警系统，低频信号传送到空蚀程度报警系统。本发明系统具有监测范围广、诊断准确率高、耐久性好的特点，以及可实现区域性同步空化空蚀监测的优点。而且光纤网络前端是完全无源的，所有供电设备和监测设备都是在数公里外的控制室内，施工和运行管理方便。
文档编号G01N21/84GK1834618SQ20061001347
公开日2006年9月20日 申请日期2006年4月19日 优先权日2006年4月19日
发明者练继建, 葛春风, 刘昉 申请人:天津大学